儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅智夫

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410004）

電能儲(chǔ)存的應(yīng)用存在一些問(wèn)題,如在用電高峰期間由于電力資源問(wèn)題造成的電力供應(yīng)不足等。儲(chǔ)能技術(shù)作為一個(gè)新興的行業(yè),需要不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，降低成本、環(huán)保節(jié)能、資源再利用是儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新的核心。只有這樣,儲(chǔ)能技術(shù)才能在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用,更好地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如今,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了對(duì)資源的需求，特別是對(duì)電力資源的需求在逐年增加。傳統(tǒng)的火電發(fā)電,主要是根據(jù)電網(wǎng)、發(fā)電、輸配以及電力調(diào)度和調(diào)整實(shí)際電力需求,風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源技術(shù)在本質(zhì)上依賴可再生資源。從風(fēng)能和太陽(yáng)能的性質(zhì)來(lái)看,它們都具有波動(dòng)和間歇性的特點(diǎn),難以進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,對(duì)并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性易產(chǎn)生負(fù)面影響。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分析

為了保證電能質(zhì)量,儲(chǔ)能技術(shù)需要能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化,并進(jìn)行有功調(diào)節(jié)和無(wú)功控制,從而緩解電壓波動(dòng)和閃變。一種能夠儲(chǔ)存能量的電能質(zhì)量環(huán)節(jié)裝置,可以大大提高電能質(zhì)量,同時(shí)也會(huì)降低資本消耗。電力系統(tǒng)的輸電能力也可以通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電網(wǎng)的正確位置增加儲(chǔ)能設(shè)備,使其在線路不堵塞時(shí)能夠存儲(chǔ)電能,在線路堵塞時(shí)為線路提供能量救濟(jì)。儲(chǔ)能技術(shù)是新能源發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域,無(wú)論哪種能源形式,都需要儲(chǔ)能技術(shù)提供支持,從而得到更好地應(yīng)用和發(fā)展。推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)與多種相關(guān)技術(shù)在系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)應(yīng)用,從而優(yōu)化新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和整體結(jié)構(gòu),對(duì)于新能源電力系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展具有重要意義。不同儲(chǔ)能技術(shù)成熟度差異較大,需要構(gòu)建互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短、因地制宜、效益優(yōu)先的儲(chǔ)能技術(shù)布局。電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主要儲(chǔ)能技術(shù)，其中比較重要的是電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能、化學(xué)燃料儲(chǔ)能等儲(chǔ)能形式。儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用在實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中需要得到一定的創(chuàng)新和思考。研究分析可用于降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本,提高儲(chǔ)能技術(shù)的性能和成熟度,從而為扎實(shí)有序地推進(jìn)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考和幫助。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電能存儲(chǔ)技術(shù)現(xiàn)狀

可再生能源的研究與開發(fā)是我國(guó)電力能源發(fā)展的主要方向和重要目標(biāo)。但是，新能源電力技術(shù)的引入對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了一些不利影響。為了使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源的發(fā)展相結(jié)合,世界各國(guó)都特別重視能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。傳統(tǒng)的能源消耗系統(tǒng)運(yùn)行形式單一,能耗大。因此,能源互聯(lián)網(wǎng)下的電能存儲(chǔ)技術(shù)要求提高可再生能源的比重,注重能源消費(fèi)效率和能源利用效率。在我國(guó),智能電網(wǎng)的發(fā)展取得了巨大的成就,信息技術(shù)在電網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

3 儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 能源管理

將電能存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用于能源管理中,能夠使電能的分配更加合理,從而在一定程度上緩解電力高峰引起的供電困難。另一方面,儲(chǔ)能技術(shù)在能源管理中的應(yīng)用緩解了對(duì)發(fā)電、輸配電設(shè)備要求越來(lái)越高的問(wèn)題。

3.2 提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非常重要的,但是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素很多,因此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需要深入研究。儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中再次出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)對(duì)儲(chǔ)能的控制，也可以利用其協(xié)調(diào)來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在一定條件下,還可以縮短故障后的排除時(shí)間,從而更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 提高電能質(zhì)量和輸電能力

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以滿足基本需求。利用及時(shí)調(diào)整的特性,可以在相同容量條件下獲得最佳的調(diào)整效果。隨著飛輪技術(shù)的發(fā)展,該技術(shù)可以在負(fù)荷中心采用削峰、削谷,從而降低電網(wǎng)運(yùn)行成本,更加經(jīng)濟(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),發(fā)電和電網(wǎng)負(fù)荷需要處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),具體來(lái)說(shuō),即發(fā)電即用,整個(gè)過(guò)程中不存在蓄電問(wèn)題。然而,隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,這種生產(chǎn)電能、保持供用電平衡的供電方式已經(jīng)不適應(yīng)新形勢(shì)的要求。通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用,電能可以從原來(lái)的即用變成可以儲(chǔ)存的物品。同時(shí)，其相變儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,可靈活調(diào)整,易于使用和管理,包括電蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)和冰蓄熱技術(shù)。

3.4 儲(chǔ)能技術(shù)可以提高和優(yōu)化風(fēng)電系統(tǒng)

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的無(wú)功功率和有功功率保證電力系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用了一種超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù),可以有效地處理電壓?jiǎn)栴},改善聯(lián)絡(luò)線短路和風(fēng)速擾動(dòng)。在應(yīng)用這項(xiàng)超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)之前,根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了相關(guān)的仿真模型,獲得了大量的技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)。

4 電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域,采用較為專業(yè)化的運(yùn)行模式,設(shè)定固定的計(jì)算目標(biāo),完成容量配置等工作,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況,統(tǒng)計(jì)分析各值,儲(chǔ)能系統(tǒng)的瞬時(shí)容量相對(duì)較高,普通風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能容量是平滑風(fēng)力發(fā)電瞬時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的四分之一。通過(guò)計(jì)算,我們可以知道,每小時(shí)平穩(wěn)風(fēng)電的輸電功率值會(huì)相對(duì)穩(wěn)定,其容量會(huì)大于風(fēng)電系統(tǒng)的容量。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電周期的容量會(huì)比較明顯,如果大于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,實(shí)際的儲(chǔ)能時(shí)間就會(huì)比較短,這就會(huì)使儲(chǔ)能的利用率更高。目前,利用蓄電池儲(chǔ)能技術(shù),借助升壓轉(zhuǎn)換器,將其放入3500V以上的電路中。

4.2 在電能運(yùn)輸中的應(yīng)用

將蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入電網(wǎng)資源,可以有效地提高其系統(tǒng)應(yīng)用的效率和效果。同時(shí)還能加快實(shí)際電力傳輸?shù)牟僮魉俣?減少實(shí)際的運(yùn)輸成本,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使用這種技術(shù)可以更好地存儲(chǔ),減少額外的功率損耗,使電池的功率能保持在良好的傳輸狀態(tài)。圖1是某電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的詳細(xì)分析圖。

圖1 電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的詳細(xì)分析圖

4.3 在變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的輸配電中可以起到很強(qiáng)的輔助作用。可根據(jù)其需求響應(yīng)運(yùn)行,發(fā)揮備用電源的功能。在實(shí)際操作中,電池儲(chǔ)能可以更好地保護(hù)存儲(chǔ)容量被削弱,同時(shí),它還可以減少實(shí)際電能的存儲(chǔ)時(shí)間,和控制的權(quán)力控制時(shí)間在六個(gè)小時(shí)之內(nèi),這將使企業(yè)設(shè)備的運(yùn)行更穩(wěn)定。目前,由于場(chǎng)地因素的影響,獨(dú)立儲(chǔ)能裝置的使用會(huì)受到一定程度的限制。主電網(wǎng)側(cè)的變電站應(yīng)配置相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置。

4.4 引進(jìn)新型混合動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

近年來(lái),我國(guó)開始大力發(fā)展電能電池的新型儲(chǔ)能技術(shù),從而挖掘了電容器和電池的應(yīng)用潛力。電容器和電池的物理特性可以相互補(bǔ)充,彌補(bǔ)各自的缺陷,形成一種新型的復(fù)合電能技術(shù)。電池的能量存儲(chǔ)空間會(huì)比較大,和周期時(shí)間將主要在一個(gè)循環(huán)狀態(tài),和權(quán)力將相對(duì)較小,這使得電池充電器放電時(shí)更為敏感,但是超級(jí)電容器可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷,因?yàn)殡娙莸拿芏认鄬?duì)較小,雖然它的應(yīng)用會(huì)受到某些因素的干擾和限制,但如果將電池和電容器集成為一個(gè)整體,就可以同時(shí)發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn),使電池的使用壽命更長(zhǎng),提高其儲(chǔ)能能力。在電力系統(tǒng)中節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本,安全高效運(yùn)行十分重要，對(duì)于大多數(shù)不穩(wěn)定問(wèn)題都是暫態(tài)問(wèn)題。根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備的特點(diǎn),瞬時(shí)功率大,持續(xù)時(shí)間短。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種可靈活調(diào)節(jié)和控制的有源電源，飛輪能源與風(fēng)力發(fā)電的一體化可以保證兩者的協(xié)調(diào),供電可以更好地避免柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)期間的長(zhǎng)期停電。

5 未來(lái)可再生能源發(fā)展規(guī)劃

目前儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵問(wèn)題是成本高。開發(fā)低成本、高效率、快速的儲(chǔ)能系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為了保證能源的可持續(xù)利用,滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,應(yīng)將更多的研究和能源投入到可再生資源的開發(fā)利用上,以實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和多元化發(fā)展目標(biāo)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,風(fēng)能和太陽(yáng)能技術(shù)是目前最高效的能源。中國(guó)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域取得了巨大成就。截至2018年底,風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量已超過(guò)690萬(wàn)臺(tái),未來(lái)這些數(shù)據(jù)將繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。正是因?yàn)檫@些技術(shù)在電力系統(tǒng)中取得了顯著的效果,所以儲(chǔ)能技術(shù)目前得到了廣泛的重視。在穩(wěn)定性方面,這些發(fā)電方式都會(huì)受到自然因素的影響,在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)和間歇性。在丹麥、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家,發(fā)電主要采用核能、石油和天然氣。但是,從裝機(jī)容量和年發(fā)電量來(lái)看,中國(guó)在這方面的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他鄰國(guó),這很大程度上與國(guó)家的人口有關(guān)。與此同時(shí),中國(guó)根據(jù)不同地區(qū)的電力需求,建立了大量的調(diào)峰備用電源。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、在用電大的地區(qū)建設(shè)大型電站,基本可以滿足城市居民的日常使用。

化學(xué)蓄熱技術(shù)對(duì)材料要求高,材料選擇難度大。潛熱和感熱儲(chǔ)能技術(shù)在這一階段被廣泛采用。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)安裝更加靈活,響應(yīng)速度更快。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以顯著提高能源服務(wù)和電力服務(wù)的效果。此外,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)可以抑制新能源發(fā)電的快速波動(dòng),提高電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性,有助于加強(qiáng)微電網(wǎng)的能源管理。目前,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)電力系統(tǒng)中呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì),特別對(duì)于鋰離子電池的應(yīng)用比較廣泛,利用率明顯高于鈉硫電池。

6 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對(duì)能源技術(shù)的需求也越來(lái)越高。特別是對(duì)蓄熱、電動(dòng)汽車、電化學(xué)等方面的儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高需求。因此,有必要加快能源互聯(lián)網(wǎng)背景下需儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā),以促進(jìn)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。