淺談新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

馬繼磊

（水發(fā)能源集團有限公司，山東 濟南 250100）

儲能技術(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)對太陽能發(fā)電中儲能技術(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。本文針對新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用進行分析和研究，以及對相關(guān)技術(shù)進行探究。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(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)推動風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，通過控制系統(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 儲能技術(shù)

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

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

2.1 儲能技術(shù)的作用分析

（1）提高電性能質(zhì)量。新能源的并網(wǎng)運行必須滿足電能質(zhì)量要求，相對來說，對孤島運行的新能源系統(tǒng)電能質(zhì)量受天氣影響更加明顯，波動劇烈。儲能裝置有穩(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)負荷具有波動性。用電高峰期，發(fā)電機組運行率較高，用電低谷期，發(fā)電機組運行率會降低，因此，部分發(fā)電機組總體利用率會降低，產(chǎn)生資源浪費。如火電機組調(diào)峰，目前通過火電機組降出力是電網(wǎng)主要調(diào)峰手段之一，而火電機組降出力后，其燃料的利用效率也會降低，因此，通過火電機組降出力來調(diào)峰不但會降低火電機組的發(fā)電時長，造成發(fā)電設(shè)備的浪費，同時也會造成燃料的浪費。儲能系統(tǒng)能有效地解決這一問題，在用電低谷期儲存多余的電能，在用電高峰期釋放電能，達到調(diào)峰效果。

（3）短期電力供應(yīng)。電網(wǎng)運行中如果發(fā)生斷網(wǎng)事故，發(fā)電系統(tǒng)將瞬間進入孤島運行。儲能裝置通過控制系統(tǒng)，修正電壓和頻率偏差，實現(xiàn)從并網(wǎng)模式到孤島運行的平滑切換。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，儲能系統(tǒng)能夠維持負荷的正常運行。

2.2 儲能系統(tǒng)分類與工作原理

（1）機械儲能。常見的機械儲能有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等儲能類型。在實際應(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)換成水的動力勢能完成充電過程，其放電過程與水電站發(fā)電過程相同，其建設(shè)地址主要是“臨水而建”。壓縮空氣儲能的系統(tǒng)主要是通過壓縮機將空氣壓縮至不低于10MPa的高壓狀態(tài)，儲存在儲氣罐中完成充電過程，放電過程則是高壓氣體通過膨脹機帶動發(fā)電機組發(fā)電，壓縮空氣儲能充放電是由電能與空氣或儲熱介質(zhì)的內(nèi)能相互交換的過程，壓縮空氣能的建設(shè)地址同樣受到地域限制。飛輪儲能同樣是電能與飛輪的動能相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)充放電的機械儲能裝置。抽水蓄能和壓縮空氣儲能屬于大規(guī)模儲能系統(tǒng)，具備調(diào)峰、平滑出力、黑啟動等方面的應(yīng)用。飛輪儲能在不間斷供電、調(diào)頻等方面作用較好。

（2）電化學(xué)儲能。電化學(xué)儲能主要是通過電極與電解液的化學(xué)反應(yīng)完成充放電過程，其工作原理與常規(guī)可充電電池原理一致。早期電化學(xué)儲能采用鉛酸蓄電池，目前磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用較多。同時三元鋰電池、釩液流電池、鈉硫電池也屬于電化學(xué)儲能。

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

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

3.1 儲能技術(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，光伏組件將所發(fā)直流電通過控制器儲存在蓄電池中，放電時，蓄電池通過逆變器和放電控制器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電接入負載。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)為孤島運行可以實現(xiàn)平滑切換。③大型光伏電站配置儲能系統(tǒng)。在大型光伏電站中，通過在電站交流側(cè)配置儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰的作用，目前多個省市明確了大型地面光伏電站配置儲能系統(tǒng)比例，光伏電站與儲能系統(tǒng)功率按照10：1進行配置，同時要求儲能系統(tǒng)充電時間不低于2小時。

（2）“風(fēng)儲”發(fā)電應(yīng)用。儲能系統(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)電場的穩(wěn)定性。通過將每臺風(fēng)電機組配置雙向變流器和儲能系統(tǒng)，可以有效地提高機組輸出性能的穩(wěn)定性。即使在極端條件下，儲能系統(tǒng)也能滿足吸收和儲存多余功率的所有要求，不損害風(fēng)力渦輪機，并通過性能改善電壓管理。這種儲能技術(shù)能夠?qū)崟r進行動態(tài)調(diào)整和反應(yīng)，保證能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（3）風(fēng)光儲一體化發(fā)電。2020年，電力源網(wǎng)荷儲指導(dǎo)意見發(fā)布，對風(fēng)光儲一體化等多能互補的發(fā)展模式提出了明確方向。通過在風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng)，建設(shè)“風(fēng)光儲”一體化發(fā)電項目，用儲能發(fā)電來優(yōu)化風(fēng)光互補電站發(fā)電性能實現(xiàn)“風(fēng)”“光”“儲”相輔相成，共同完成發(fā)電任務(wù)。儲能裝置在谷時段進行充電，在峰時段放電，保證發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運行。當(dāng)前，新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性與電網(wǎng)負載間的矛盾越來越突出，在我國2030年和2060年分別實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”能源目標(biāo)下，“十四五”期間，將會有更大規(guī)模的裝機容量。

3.2 不同儲能技術(shù)的應(yīng)用

（1）超導(dǎo)儲能在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。超導(dǎo)儲能是將電能以電磁能的形式儲存在超導(dǎo)體中，其具有功率密度高、效率高、響應(yīng)快、環(huán)保、壽命長等特點。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，國際已經(jīng)有部分工程案例，如美國和日本已經(jīng)具有10MW工程的應(yīng)用案例，同時美國也有組裝完成的100MW機組，而國內(nèi)主要以仿真研究或小容量樣機應(yīng)用研究為主。目前，全球超導(dǎo)儲能技術(shù)方面，10MW超導(dǎo)儲能技術(shù)較為成熟，并具備了一定商業(yè)化可行性，100MW機組研究和應(yīng)用正在進一步研發(fā)中。日本超導(dǎo)儲能研究協(xié)會曾對抽水蓄能和低溫超導(dǎo)儲能進行過全生命周期的對比研究，在單位功率的成本方面，“超蓄”是“抽蓄”的40%～50%，在經(jīng)濟性方面具備較好的商業(yè)化可行性。

（2）超級電容器可以存儲新能源發(fā)電中的應(yīng)用。超級電容儲能利用電容器的儲能原理，商業(yè)化的超級電容主要是雙電層電容，是一種靜電儲能。通過化學(xué)氣相沉積等工藝，在電容電極附近形成雙電層，該儲能材料在功率密度、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、無限循環(huán)充電的特點，將由超級容量和功率器件組成的電路連接到發(fā)電陣列與負載之間，通過補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，實現(xiàn)功率點跟蹤。

（3）飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的儲能裝置，是機械能和電能的交換裝置。充電時，電動機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)從電能到機械能的轉(zhuǎn)換；能量儲存階段，飛輪在真空中保持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；放電時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，將機械能其轉(zhuǎn)換為電能為負載供電。飛輪儲能能量密度高、響應(yīng)速度快，同時環(huán)保性好、經(jīng)濟性強，市場潛力大。飛輪儲能應(yīng)用在光伏電站，可以根據(jù)輸出優(yōu)化有功和無功輸出，對調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電能質(zhì)量具有明顯作用。

4 結(jié)語

通過對幾種儲能技術(shù)的研究和分析，論述了新型儲能技術(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，在未來新能源發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。