電化學儲能裝置對電網的影響

孫　闊

（國網天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

電化學儲能裝置對電網的影響

孫闊

（國網天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

介紹了電力儲能設備（EES）的基本分類，及其大規模應用對電網所形成的影響。以POWERWALL為例介紹了可以廣泛用于家庭的分布式儲能電源的配置，分析了其未來所具有的巨大應用發展前景。

EES；分布式發電；峰谷差、供電可靠率

實現綠色用能、提升電網建設和運行水平離不開電力儲能技術(Electric EnergyStorage,EES)。儲能技術的應用不僅在很大程度上解決了新能源發電的隨機性和波動性問題，使間歇性的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛、有效地利用，同時還在配網中發揮了對電力負荷的削峰填谷的作用，減少系統備用需求和停電損失，提高系統供電的可靠性、經濟性、靈活性和穩定性。近年來，世界各國投入了大量的精力對儲能技術開展了大量的技術研究，并取得了一定的經驗。

1　電力儲能基本形式

應用于電力系統發電、輸電、配電、用電等各環節的儲能技術千差萬別，儲能規模和適用范圍也具有較大的差異，總體上可以按照所存儲能量的形式及儲能技術的工作原理分為物理儲能和化學儲能。不同儲能方式均有適合自己的獨特運行場所，需要根據電力系統具體的需求來選擇儲能方式。如圖1所示。

圖1　電能存儲技術的分類

化學儲能是通過化學反應將化學能和電能進行相互轉換以存儲能量的技術，是電能存儲方式的一個重要形式?；瘜W儲能具有響應速度快，不受地理等外部條件的限制，并且在功率和能量上可根據不同應用需求靈活配置等特點，在電力配網中具有較大的應用優勢，電化學儲能技術在近年來一直處于快速發展階段。目前研究得較多的主要有鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池、鈉/氯化鎳電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等，其內部的核心結構基本相同，電化學儲能技術目前需要重點突破的方向是電池的使用壽命較短、高成本。

2　提升電網供電能力

儲能設備的應用可以有效降低用戶停電時間，變相增加電網容量，從而緩解升級改造電網設備的壓力。假設以下案例。

2.1儲能設備的額定輸出功率是電網容量的4%且該區域的負荷以每年2%的速率增長。電網容量在轉年已無法滿足該區域符合需求。

2.2為該區域供電為35kV某變電站。變電站當前為兩臺變壓器運行，升級后三臺變壓器分列運行。

2.3該次電網改造費用（包括變壓器新投、配線新出切改、輸配電設備）約為2000萬元。

2.4假設新投變壓器容量為20MW。則增容產生的電價增量為2000萬元/20MW=1000元/kW。

依照本案例的假設，儲能設備占電網容量4%，在以2%負荷增速的電網中可緩解至少兩年的增容改造壓力。

3　平抑光伏對電網沖擊

2013年底，中國發電總裝機量達1250GW，其中包含91.4 GW風電（占7.3%的比例）。除了火力發電和水力發電，風電也是中國第三大電力來源。而中國的光伏發電裝機量達18.1 GW，占全國的1.5%，超越美國成為全球最大的光伏市場。光伏發電有諸多優勢，但其輸出功率受天氣等因素而波動劇烈，余電上網的分布式光伏發電對電網的沖擊一直是電力部門難以解決的問題。

圖2　光伏輸出功率曲線

如圖2所示，光伏的輸出功率會因云對陽光的遮擋而時刻變化，單一的分布式光伏對電網沖擊可忽略不計，但大規模配置的光伏電源會因云層、天氣、時間、季節性光照時間等因素對電網產生較大波動。

而與分布式光伏配合的儲能設備可以讓光伏輸出曲線更“平滑”。而在白天充電，夜間放電的儲能裝置可以讓獨立的供電體系更符合電網的負荷曲線。

4　縮小負荷峰谷差

多數地區的負荷峰值集中于夏季某一特殊時段，這是因為大規模且集中使用空調造成的。然而空調在全年用電量中不是基本負荷，負荷周期很短。為滿足短期空調負荷而擴建電網，造成了電力系統10%～20%的容量（發、輸、變、配電等設備）的利用率極低——僅提供了占全年1%～2%的用電量。但即使如此電力部門仍然在對現有設備進行增容改造，來匹配新增用電負荷。空調等周期性負荷通常疊加在原有的負荷峰值，也就造成了該段時期電價最高、效率最低、發電污染最高（如火電站）。同時輸、配電系統因負荷劇增而造成損耗上升，變壓器等設備產生油溫高等不安全因素。大規?？照{負荷同時啟動也會造成電網電壓驟降，對電網產生一定的威脅。

將分布式儲能設備與空調等周期性負荷相連，在電網負荷低谷時充電，峰值時供電便可減少周期性負荷對電網的壓力進而降低對電網設備增容的需求，直接作用于電網企業的經濟效益。同時避免夏季電網設備長時間高負荷運轉，降低設備故障率，延長設備壽命，有利于電網的安全運行。

5　減少用戶電費支出

由于電能是一種生產與消費同時進行的產品，為了提升電力設備的利用率，降低社會對發電及電網設備最大容量的要求，很多城市實行峰谷電價制度。以上海居民電價為例，高峰時段最高為每度0.977元，低谷時段為0.487元，每度電有0.49元的差價。

分布式發電離不開儲能設備。以家庭的太陽能發電為例，政策鼓勵方向，一般會有補貼。根據2013年7月的《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》，目前光伏發電每度電有0.42元國家補貼。此外，各地還有地方補貼，上海市是每度電0.40元，兩者相加就是0.82元。假設投資4萬元，在屋頂裝了5kW的太陽能板，平均一天可以發電15kW·h，每日可領取補貼12.30元，一年則有4000余元。

6　家用儲能電池技術

家用儲能電池技術是一種用于家庭用戶側的微型電化學電能存儲單元，近年來技術發展迅速。以Tesla生產的Powerwall家用儲能電池為例，該設備儲能容量為7kW·h，將白天儲存的太陽能在夜間進行供電，且足以支持整夜的家用電能需求。對于用電負荷需求大的用戶，可以配置組合型Powerwall，其儲能容量為10kW·h，圖3為家用儲能設備示意圖。

圖3　家用儲能設備示意圖

（太陽能板：白天將太陽能轉化為日常用電并對儲能設備進行充電。

家用儲能設備：儲能電池從光伏板或電網汲取電能進行充電。

逆變器：逆變器將光伏、儲能電池供應的直流電轉化為交流電，為家用電器進行供電。

電控面板：從逆變器轉化的交流電將被傳輸到電控面板。在沒有光照的情況下，用戶從電網汲取電能通過電控面板上送到逆變器，轉化為直流電并對儲能電池進行充電。

備用面板及開關：備用面板中所配備的自動開關，在電網故障停電時自動啟用備用面板。在用戶在遭遇電網故障停電時，備用面板可讓光伏DG持續產能來提高供電可靠性。

正常居民夜間用電(在不使用大功率洗衣機、空調等設備情況下)約為3 kW·h～5kW·h。而Powerwall儲備的7kW·h足以支持其在整晚的電力需求，如表1所示。

Powerwall目前共有儲存10 kW·h和儲存7 kW·h等兩種規格的產品，儲存10 kW·h的Powerwall Home Battery主要用于作應急電源使用，而可以儲存7 kW·h的Powerwall Home Battery主要供家庭日常生活使用，如表2所示。

這套儲能裝置體積不大，可以像熱水器一樣掛在墻上，通過拼接能擴大容量，最大容量分別可達到63 kW·h電和90 kW·h電，持續供電輸出能力為2kW，峰值電量3kW，充放電能效92%。如果這套儲能設備運行于目前上海市區，并實現低谷充電高峰放電，那么每用10 kW·h電可節省4.9元電費，連續用上13年便可回收成本乃至甚至盈利。

特斯拉還提供了一套工業版電源系統Powerpack，可以儲存100 kW·h，并可以進步擴大為500 kW·h電乃至1×104kW·h。這些電池系統利用和當地電網連接的雙向逆變器，可實現2h或4h連續放電。

表1　電器平均耗電量

表2　POWERWALL參數表

相對居民用Powerwall，Powerpack更傾向于公用事業，是一套完整的能源管理解決方案。整個系統高度集成，設計使用壽命長，應用范圍廣泛，可調節峰谷用電量，控制輸配電延時，提供持續穩定的電力供應，并可參與電網服務。目前美國加州的沃爾瑪超市已經在試用。這套系統能夠降低企業在高峰時段的用電支出、改善電力負荷曲線，并可兼容現有電網。

7　結語

儲能技術領域有可能在未來十年內發生革命性技術突破，新能源的發展有賴于儲能技術的支撐；提升電網供電能力和電網設備利用率的重要手段是運用儲能技術，在電網建設規劃中應超前考慮到儲能裝備的大量使用，在儲能裝備的應用中應注重不同儲能技術的優化應用。

家用儲能技術對于居民用電具有良好的經濟效益前景，必將成為應用最廣泛、發展最迅速、綠色、經濟的家庭實用用電技術，在今后配網建設中應考慮到適應家用儲能技術的應用。

[1]https://www.teslamotors.com/powerwall.

[2]中國電網儲能技術發展前景巨大.電纜網,2014,11,8.