儲能技術在新能源電力系統中的應用初探

黃興業

摘要：電力儲能技術是現代科學技術發展過程中的重要產物，是電力網絡系統建設升級過程中的一項關鍵內容。儲能研究及技術應用在能源互聯網建設背景下具有重要意義，通過采用科學合理的儲能技術，有效解決分布式能源間歇性與波動性問題，全面提升電力網絡系統的完善性，對推動我國電力行業發展創新具有重要作用。在能源互聯網背景下，我國當前采用的電力儲能技術還存在一定問題，技術水平較為落后，尚不能滿足實際發展需求，因此必須加強電力儲能技術相關研究，使其能夠為能源互聯網建設目標實現提供助力。

關鍵詞：儲能技術;新能源;電力系統;應用

1常見儲能方式

電能可以進行諸如動能、勢能、熱能、磁能以及化學能等多種形式轉換，因此儲能類型多樣，基本可概括為物理儲能、電磁儲能、化學儲能以及相變儲能等4種類型。目前，應用于新能源電力系統的主要有蓄水池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電池儲能、超級電容器儲能以及超導儲能等6種方式。

在這些儲能方式中，蓄水池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能均屬于物理儲能形式，其中蓄水池儲能技術是最成熟的，儲能容量可做到幾千兆瓦特以上，高壩水電站是常見應用方式，缺點是受地域情況限制大，難以大規模應用;飛輪儲能利用高速旋轉體儲存能量，不受地域限制，幾乎不需要維護，缺點是受材料限制大，儲能密度低;壓縮空氣儲能是較具潛力的一種儲能形式，主要利用壓縮空氣的膨脹勢能做功發電，可大規模開發和應用，缺點是受地質和環境影響大。電池儲能屬于化學儲能形式，因制造和維護成本低廉而在當今社會得到廣泛應用，鋰電池和鉛酸蓄電池是最常見的，可以簡單并組實現擴容，缺點是壽命較短，此外，還有鈉流電池、液流電池等形式，其中液流電池實現大規模儲能潛力較大。超級電容器儲能則是介于化學電池和電容器之間的一種新型儲能形式，依照電化學雙電層理論開發，充放電循環次數長、無需維護，是一種實用、高效、環保的儲能裝置。超導儲能主要是利用超導線圈將電能以電磁能形式儲存，因其零電阻特性，能量幾乎可以無損耗存儲。

2電力儲能技術在能源互聯網背景下的作用

2.1提高電能質量和輸電能力

儲能技術的應用可以滿足基本需求。利用及時調整的特性，可以在相同容量條件下獲得最佳的調整效果。隨著飛輪技術的發展，該技術可以在負荷中心采用削峰、削谷，從而降低電網運行成本，更加經濟。對于傳統電網來說，發電和電網負荷需要處于動態平衡狀態，具體來說，即發電即用，整個過程中不存在蓄電問題。然而，隨著我國社會經濟的快速發展，這種生產電能、保持供用電平衡的供電方式已經不適應新形勢的要求。通過儲能技術的應用，電能可以從原來的即用變成可以儲存的物品。同時，其相變儲能裝置設計簡單，可靈活調整，易于使用和管理，包括電蓄熱技術、熔鹽蓄熱技術和冰蓄熱技術。

2.2改善能源貿易自由

在能源互聯網的背景下，能源交易模式發生了巨大變化，能源市場化程度不斷提高，更多的能源生產者和消費者參與多元化的市場競爭，可以提高我國能源經濟效益。然而，目前的能源交易市場仍存在一些局限性，主要集中在能源儲存方面。通過加強電能存儲技術研究，提升電能存儲技術，可以增強電能生產者和消費者在市場中的主導地位，使生產者和消費者在參與電能市場競爭中的角色相互轉換，從而優化當前能源交易市場的布局和模式，對提高能源利用率起到關鍵作用。能源交易和一般商品交易有本質區別。由于能源的特殊性，需要儲能技術作為實現商業化的載體。因此，通過電能存儲技術，可以顯著提高能源交易的自由度。

2.3提高能源交易自由度

對能源互聯網來說，傳統能源交易方式無法滿足工作要求，能源生產者及消費者均是市場競爭的參與者，并且兩者是交易的主體，角色可進行互換[8]。能源交易市場不僅需要保證能源在局部區域的合理分配，還需要在廣域范圍內具有一定的效率，確保電能和其他一系列能源共同構成高效、科學合理的格局。對大型能源供應商來說，通過大規模儲能庫存的性能，滿足市場價格趨勢，保證資源的合理分配和規劃。并且分布式儲能與能源生產的存在使用戶和供應商之間傳統的供需關系得以改善，保證用戶具備自由選擇的權利，可以參與到市場中，也可以退出市場。通常情況下，外部能源供給成本越高，用戶脫網的情況就越嚴重，而外部能源供給成本越低，用戶并網的趨勢越明顯。儲能也提高了用戶參加能源交易的可能性，用戶可以結合自身實際要求和生產能力、儲能配置，向市場發出制定的需求，以生產者的角色為市場提供能源，基于市場機制，儲能的經濟性對能源互聯網的結構具有重要作用。

3能源互聯網背景下電力儲能關鍵技術

3.1超導飛輪儲能系統構成

超導飛輪儲能系統（HTS-FESS）主要由超導磁懸浮軸承（SMB）、飛輪轉子、電動機、功率轉換裝置以及保護系統等5部分組成。其中SMB是超導飛輪儲能系統的核心部件，由高溫超導塊材作為定子和永磁體作為轉子構成，主要利用在液氮低溫環境下，超導體的完全抗磁性和磁通釘扎力，使永磁體穩定懸浮，從而實現無阻旋轉，低至機械軸承摩擦力的10-4。按超導塊材與永磁體的放置狀態，可分為軸向型和徑向型兩種。軸向型SMB永磁體懸浮力方向與轉子軸向一致，具有結構簡單、易于制作的優點，但承載能力取決于定子截面積;而徑向型SMB因磁體懸浮力方向與轉子徑向一致，具有結構緊湊且僅以通過軸向增加超導塊材方式即可提高承載能力的優點，但對超導塊材及永磁體性能的均勻性要求較高。

飛輪轉子因上萬轉的高速旋轉而承受更大的離心力，因此高強度、低密度材料是理想選擇。另外實驗也證明了碳素纖維飛輪轉子最大可承受超過103m/s的線速度，可見碳素纖維材料性能最佳。電動機是超導飛輪儲能系統必不可少的動力部件，起到能量轉換的關鍵作用。儲能時，系統為電動運行，飛輪加速;釋能時，系統為發電運行，飛輪減速。目前，理想的電機選擇為永磁電機，其效率高、轉速快，已在超導飛輪儲能系統得到廣泛應用。功率轉換裝置主要是為了實現電能穩定的存儲和釋放，在電網側裝設的電力裝置，多采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結合微處理器進行功率調控，快速實現能量的轉換。保護裝置主要根據監測儲能裝置常規運行參數如電壓、電流、溫度以及液體的溫度液面等做出的系統電控保護，此外，還會裝設高強度透明真空玻璃罩，來觀察高離心力快速運轉的飛輪轉子狀態，以防止爆裂等安全問題。

3.2大容量儲能和新能源協同技術

在新能源大規模接入電網的背景下，如何高效利用新能源發電是目前需要考慮的主要內容，因此需要采取相應的策略來解決新能源發電的不穩定性問題。新能源在電網中起著關鍵作用，儲能技術是提高新能源發電穩定性、經濟性和安全性的重要基礎技術。利用電力儲能技術可以有效地解決許多問題。通過合理規劃大容量儲能，選擇相應的大容量儲能，綜合優化儲能布局和容量配置，在多個電力資源相互協作的前提下，全面提高可再生能源的利用率。新能源發電協同調度技術需要優化電能存儲系統的旋轉備用、調峰和調頻，以更好地實現控制目標，實現新能源儲能技術多功能發展規劃。在建設過程中，要引入智能技術，利用信息技術、計算機技術和自動控制技術，將智能技術與新能源儲能技術相結合，豐富操作系統的功能。例如，在電網建設中，利用CAD可視化技術取代傳統的人工控制模式，全面降低儲能技術運行控制工作量，全面提高運行管理效率，提高運行控制精度，確保新能源供電的穩定性和安全性，使儲能技術的控制系統更加智能化信息化是儲能技術的主要發展方向。

3.3集成化、模塊化設計要點

在現代科學技術不斷發展的推動下，電力工程的自動化、智能化水平不斷提高，電力儲能技術的體系結構逐步向集成化、模塊化方向發展。電力儲能技術的模塊化、集成化發展需要與現代智能技術相結合，形成功能完善的模塊，統一多種發電方式，全面提高系統控制效果，提高電力儲能技術和電力系統運行的標準化，集成多個模塊，實現綜合控制的目標，同時，與自動化技術的結合可以提高電力儲能的運行管理效率。與傳統的管理模式相比，集成化、模塊化的管理模式可以促進電力儲能技術的創新。

結論

綜上所述，筆者全面闡述了能源互聯網的基本概念，并論述了電力儲能技術對于能源互聯網建設發展的意義，同時提出當前電力儲能技術的主要發展成果，最后對電力儲能技術的未來發展作出展望，希望能夠對我國能源戰略發展起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高我國能源互聯網建設水平。

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