馬繼磊

（水發(fā)能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

儲(chǔ)能技術(shù)的引入可以改善新能源發(fā)電的性質(zhì)、可持續(xù)供電和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，行業(yè)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電中儲(chǔ)能技術(shù)的分析、研究和應(yīng)用尚處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)還不成熟和完善，應(yīng)用容量較小，對(duì)大規(guī)模光伏電站和風(fēng)電站的應(yīng)用有限。而隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用日益受到關(guān)注。本文針對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析和研究，以及對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探究。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)概述

1.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)

目前，主流新能源生產(chǎn)系統(tǒng)是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同步交流電的發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電原理是由風(fēng)推動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)控制系統(tǒng)并入電網(wǎng)。然而，由于新能源的生產(chǎn)效率較低，建設(shè)風(fēng)電、光伏電站需要的地面區(qū)域較大，如應(yīng)用多晶硅光伏電站，在平地建設(shè)條件下，100MW光伏電站占地約2000～2500畝。另外，以光伏、風(fēng)電為主的新能源發(fā)電系統(tǒng)具有非常顯著的發(fā)電不穩(wěn)定性，受天氣（光照、風(fēng)速等）影響大，日發(fā)電時(shí)間有限。因此，提高發(fā)電效率和發(fā)電利用率成為行業(yè)技術(shù)主要的發(fā)展方向。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)主要利用外部介質(zhì)存儲(chǔ)外部能量，目前行業(yè)主要的電儲(chǔ)能技術(shù)有壓縮空氣儲(chǔ)能、化學(xué)電池儲(chǔ)能、抽水蓄能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能等。應(yīng)用實(shí)例較多，區(qū)域邊界也比較復(fù)雜和龐大。電池儲(chǔ)能滿足短期應(yīng)急用電，成本較高，體積太大。超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能是解決成本和地區(qū)限制的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文介紹了這三種新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)的作用分析

（1）提高電性能質(zhì)量。新能源的并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足電能質(zhì)量要求，相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)孤島運(yùn)行的新能源系統(tǒng)電能質(zhì)量受天氣影響更加明顯，波動(dòng)劇烈。儲(chǔ)能裝置有穩(wěn)定潮流，維持母線電壓的穩(wěn)定和調(diào)頻等功能。

（2）削峰填谷。目前的能源生產(chǎn)和消耗策略是即發(fā)即用，而電網(wǎng)負(fù)荷具有波動(dòng)性。用電高峰期，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行率較高，用電低谷期，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行率會(huì)降低，因此，部分發(fā)電機(jī)組總體利用率會(huì)降低，產(chǎn)生資源浪費(fèi)。如火電機(jī)組調(diào)峰，目前通過(guò)火電機(jī)組降出力是電網(wǎng)主要調(diào)峰手段之一，而火電機(jī)組降出力后，其燃料的利用效率也會(huì)降低，因此，通過(guò)火電機(jī)組降出力來(lái)調(diào)峰不但會(huì)降低火電機(jī)組的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，造成發(fā)電設(shè)備的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)造成燃料的浪費(fèi)。儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效地解決這一問(wèn)題，在用電低谷期儲(chǔ)存多余的電能，在用電高峰期釋放電能，達(dá)到調(diào)峰效果。

（3）短期電力供應(yīng)。電網(wǎng)運(yùn)行中如果發(fā)生斷網(wǎng)事故，發(fā)電系統(tǒng)將瞬間進(jìn)入孤島運(yùn)行。儲(chǔ)能裝置通過(guò)控制系統(tǒng)，修正電壓和頻率偏差，實(shí)現(xiàn)從并網(wǎng)模式到孤島運(yùn)行的平滑切換。全球大面積停電事故多發(fā)，而大面積停電將對(duì)生產(chǎn)和生活產(chǎn)生非常不利的影響。此外，由于新能源所產(chǎn)生的能量受天氣影響較大，在極端天氣情況下，風(fēng)光資源不穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠維持負(fù)荷的正常運(yùn)行。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)分類與工作原理

（1）機(jī)械儲(chǔ)能。常見(jiàn)的機(jī)械儲(chǔ)能有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能類型。在實(shí)際應(yīng)用中，抽水蓄能占有絕大部分的份額。抽水蓄能就是將水由低處抽到高處，將電能轉(zhuǎn)換成水的動(dòng)力勢(shì)能完成充電過(guò)程，其放電過(guò)程與水電站發(fā)電過(guò)程相同，其建設(shè)地址主要是“臨水而建”。壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)主要是通過(guò)壓縮機(jī)將空氣壓縮至不低于10MPa的高壓狀態(tài)，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中完成充電過(guò)程，放電過(guò)程則是高壓氣體通過(guò)膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，壓縮空氣儲(chǔ)能充放電是由電能與空氣或儲(chǔ)熱介質(zhì)的內(nèi)能相互交換的過(guò)程，壓縮空氣能的建設(shè)地址同樣受到地域限制。飛輪儲(chǔ)能同樣是電能與飛輪的動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)充放電的機(jī)械儲(chǔ)能裝置。抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能屬于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，具備調(diào)峰、平滑出力、黑啟動(dòng)等方面的應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能在不間斷供電、調(diào)頻等方面作用較好。

（2）電化學(xué)儲(chǔ)能。電化學(xué)儲(chǔ)能主要是通過(guò)電極與電解液的化學(xué)反應(yīng)完成充放電過(guò)程，其工作原理與常規(guī)可充電電池原理一致。早期電化學(xué)儲(chǔ)能采用鉛酸蓄電池，目前磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用較多。同時(shí)三元鋰電池、釩液流電池、鈉硫電池也屬于電化學(xué)儲(chǔ)能。

（3）其他儲(chǔ)能。儲(chǔ)能系統(tǒng)的種類比較多，有超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容等電磁儲(chǔ)能，以及儲(chǔ)氫、合成燃料等化學(xué)儲(chǔ)能形式，以及熔鹽儲(chǔ)熱、固體儲(chǔ)熱等儲(chǔ)熱形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)在不同發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）光伏電站的儲(chǔ)能應(yīng)用。①光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。早期光伏離網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用較多，系統(tǒng)主要配置光伏組件、控制器、蓄電池。充電時(shí)，光伏組件將所發(fā)直流電通過(guò)控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，放電時(shí)，蓄電池通過(guò)逆變器和放電控制器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電接入負(fù)載。早期離網(wǎng)系統(tǒng)的蓄電池大都采用鉛酸膠體蓄電池，家庭離網(wǎng)系統(tǒng)、光伏路燈是最常見(jiàn)的工程案例。②光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。以戶用光伏和小型工商業(yè)分布式應(yīng)用較多，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)是在離網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上兼具了并網(wǎng)功能，在大電網(wǎng)停電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)由并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)平滑切換。③大型光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。在大型光伏電站中，通過(guò)在電站交流側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰的作用，目前多個(gè)省市明確了大型地面光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)比例，光伏電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)功率按照10：1進(jìn)行配置，同時(shí)要求儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)間不低于2小時(shí)。

（2）“風(fēng)儲(chǔ)”發(fā)電應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電站的主要作用同樣是為了提高風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性。通過(guò)將每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配置雙向變流器和儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以有效地提高機(jī)組輸出性能的穩(wěn)定性。即使在極端條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)也能滿足吸收和儲(chǔ)存多余功率的所有要求，不損害風(fēng)力渦輪機(jī)，并通過(guò)性能改善電壓管理。這種儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和反應(yīng)，保證能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）風(fēng)光儲(chǔ)一體化發(fā)電。2020年，電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)指導(dǎo)意見(jiàn)發(fā)布，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)一體化等多能互補(bǔ)的發(fā)展模式提出了明確方向。通過(guò)在風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，建設(shè)“風(fēng)光儲(chǔ)”一體化發(fā)電項(xiàng)目，用儲(chǔ)能發(fā)電來(lái)優(yōu)化風(fēng)光互補(bǔ)電站發(fā)電性能實(shí)現(xiàn)“風(fēng)”“光”“儲(chǔ)”相輔相成，共同完成發(fā)電任務(wù)。儲(chǔ)能裝置在谷時(shí)段進(jìn)行充電，在峰時(shí)段放電，保證發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)前，新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性與電網(wǎng)負(fù)載間的矛盾越來(lái)越突出，在我國(guó)2030年和2060年分別實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”能源目標(biāo)下，“十四五”期間，將會(huì)有更大規(guī)模的裝機(jī)容量。

3.2 不同儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

（1）超導(dǎo)儲(chǔ)能在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。超導(dǎo)儲(chǔ)能是將電能以電磁能的形式儲(chǔ)存在超導(dǎo)體中，其具有功率密度高、效率高、響應(yīng)快、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。應(yīng)用在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，具有平滑出力和調(diào)頻作用，對(duì)于提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量具有非常好的效果。在應(yīng)用方面，國(guó)際已經(jīng)有部分工程案例，如美國(guó)和日本已經(jīng)具有10MW工程的應(yīng)用案例，同時(shí)美國(guó)也有組裝完成的100MW機(jī)組，而國(guó)內(nèi)主要以仿真研究或小容量樣機(jī)應(yīng)用研究為主。目前，全球超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)方面，10MW超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)較為成熟，并具備了一定商業(yè)化可行性，100MW機(jī)組研究和應(yīng)用正在進(jìn)一步研發(fā)中。日本超導(dǎo)儲(chǔ)能研究協(xié)會(huì)曾對(duì)抽水蓄能和低溫超導(dǎo)儲(chǔ)能進(jìn)行過(guò)全生命周期的對(duì)比研究，在單位功率的成本方面，“超蓄”是“抽蓄”的40%～50%，在經(jīng)濟(jì)性方面具備較好的商業(yè)化可行性。

（2）超級(jí)電容器可以存儲(chǔ)新能源發(fā)電中的應(yīng)用。超級(jí)電容儲(chǔ)能利用電容器的儲(chǔ)能原理，商業(yè)化的超級(jí)電容主要是雙電層電容，是一種靜電儲(chǔ)能。通過(guò)化學(xué)氣相沉積等工藝，在電容電極附近形成雙電層，該儲(chǔ)能材料在功率密度、轉(zhuǎn)換效率、污染等方面具有良好的性能。有研究人員利用了大容量、無(wú)限循環(huán)充電的特點(diǎn)，將由超級(jí)容量和功率器件組成的電路連接到發(fā)電陣列與負(fù)載之間，通過(guò)補(bǔ)償電壓改變光伏電池的輸出，這樣可以改變光伏陣列的輸出特性，實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)跟蹤。

（3）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種新型的儲(chǔ)能裝置，是機(jī)械能和電能的交換裝置。充電時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；能量?jī)?chǔ)存階段，飛輪在真空中保持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；放電時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能其轉(zhuǎn)換為電能為負(fù)載供電。飛輪儲(chǔ)能能量密度高、響應(yīng)速度快，同時(shí)環(huán)保性好、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，市場(chǎng)潛力大。飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用在光伏電站，可以根據(jù)輸出優(yōu)化有功和無(wú)功輸出，對(duì)調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量具有明顯作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)幾種儲(chǔ)能技術(shù)的研究和分析，論述了新型儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，展望了新型儲(chǔ)能技術(shù)以其高轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量好、供電安全可靠等特點(diǎn)，在未來(lái)新能源發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。