多重應用場景下的新能源電力系統儲能技術研究

南京南瑞繼保電氣有限公司、南京南瑞繼保工程技術有限公司 朱 濤

1 引言

傳統儲能系統中，由于儲能類型單一，沒有其他儲能方式，電化學儲能變成主要的儲能方式，但是儲能技術不斷在發展，在電力系統中已經實現通過不同類型儲能系統，一起接入電力系統中。當前，有兩種能源可一起大規模接入電力系統中，分別是新能源與可再生能源，在儲能技術中，技術路線并不具備多元化，主要路線比較單一，沒有將儲能技術應用在多重場景中，針對新的電力系統儲能需求，當前的技術路線已經無法滿足。為此，本文將根據多重不同儲能技術的優勢，為新能源系統中的應用提供出相應技術，以適應未來發展的趨勢。

2 儲能技術的重要意義

2.1 符合新的電力能源結構變革

“雙碳”主要指碳達峰與碳中和，“雙碳”目標給我國能源結構帶來了新的變化。為了達到“雙碳”的目標，當前電力能源結構主要以化石能源為體系，這種體系將會被發展快速的新一代能源取代，例如風力、光電、潮汐能和地熱能等。新能源具有兩個特點，分別是隨機性和波動性，在其固有的實時供需平衡特性之間形成了自然的矛盾，從而導致未來以新能源為主要裝機類型的供電系統，在確保系統的順利運行必然會遇到前所未有的挑戰[1]。在這方面，儲能作為調節電力系統的具有彈性的資源，需要考慮新能源接入電力系統中的穩定問題，但儲能作為彈性資源可以解決一些重要的問題，比如出現大規模的新能源系統，導致穩定性出現一些問題，對于電力系統來說，這也是提高新能源吸納容量的主要方式。

2.2 電力系統容量資源的進一步限制

隨著電力負荷的增加，電力系統面臨著巨大的擴展需求，這是由于輸電、變電和配電各個環節的負荷增加所致。同時，由于土地資源有限，征收越來越困難，對環境要求提高，出現了許多矛盾，比如傳統電力系統依賴于新建線路、變電站、配電系統和電容擴大，矛盾不斷增加，使差距逐漸增大[2]。儲能系統作為一種可調、靈活的資源，有利于改善負荷峰谷特性，緩解峰值負荷與電網容量的矛盾，增加電網向等效輸電容量輸送的電能。因此，儲能是提高電力系統負荷性能、提高其利用效率的重要手段。

2.3 能夠滿足更高的用電質量需求

此外，國家發展和改革委員會以及國家能源總局針對優化用電環境，還明確了電力用戶對供電可靠性和質量的要求。精密制造業一直以來不斷發展，與此同時帶動了電力消費者對側電能替代的不斷推進，電力消費者對電能質量與以往相比，提出越來越高的用電質量要求，儲備能源的引入將提高用戶側配電電源的可用性，并提高其供電可靠性、用電效率、電能質量以及預防災害的能力。

3 儲能技術的方式

3.1 飛輪儲能方式

飛輪儲能實現儲能的前提是將旋轉體旋轉動能做一定的處理，直接轉化為儲能，飛輪儲能釋放電能需要通過動能轉換為實際動能，并將動能向電能進行轉換，通過這一過程才能釋放電能，但前提需要以電極的驅動使飛輪獲得一定的速度[3]。真空環境不僅對風的阻力有一定的阻擋能力，同時也有效降低了動能損耗，保證了系統的轉換速度以及系統使用壽命。此外，還可以減少環境對系統的影響，但在使用過程中也有一定的缺陷，為維護系統運行的安全，需要投入大量資金。

3.2 抽水儲能方式

當前，抽水儲能發展非常迅速，與其他儲能技術相比，抽水儲能技術是比較成熟的一種儲能方式，有效實現抽水儲能，我國一些地方都已經使用了此技術，具體見表1。需要在堤壩上游建設一個水庫，還要協調下游的水庫。在電力負荷較低的情況下，用抽水裝置進行抽水，將來自下游水庫的水直接抽到在上游水庫中，以此實現抽水儲能。相反，當電力負荷較高的情況下，只能依靠上游水庫實現發電，但是這種方式的能量轉換率不高，一般只能達到75%，而且會面臨較多困難。針對建設水庫的位置，選址比較嚴苛，并且不能在短時間內修建，動態調整難度比較大，想要進行大規模推廣與應用比較困難[4]。由于目前進行的水力儲能建設，水泵站的全球容量占全球電站裝機總容量的3%。由于抽水儲能選址和輸送電力的環境要求很高，地形環境往往使其遠離所使用的地區，儲存和輸送能源也會大量耗竭。

表1 我國部分抽水蓄能電站統計數據

3.3 壓縮空氣儲能方式

壓縮空氣儲能技術與其他儲能技術相比，應用前景較好，并且可以大規模進行推廣與使用，具體如圖1所示。壓縮空氣儲能方式可以將多余的電能實現儲能，在網絡負荷較低的情況下，壓縮空氣儲能技術可以將空氣實施壓縮操作，相反，當電網負荷增加的情況下，從原有儲存的壓縮空氣完全釋放，促進汽輪機實現發電，保證供電系統正常運行。壓縮空氣儲存方式具有多種特點，不僅響應快，而且使用壽命長，儲能效率高，其轉化效率一般情況下能夠達到70%以上，在未來，這種方式有著較大的發展前景，然而這種儲能方式主要用于系統冗余和電力峰值調節等領域，也有選址結構與地形環境要求。

圖1 壓縮空氣儲能技術

3.4 電化學儲能方式

電化學儲能主要是通過化學方法實現儲能，實現儲能一般會用到許多不同類型的電池，比如鈉硫電池、液體電池以及鉛酸電池等。其中，鉛酸電池是最常見的電池，液流電池與其他電池相比有一定的優勢，但是使用最廣泛的是鉛酸電池，儲能類型綜合比較見表2。電化學儲能電池提高電池容量，可以通過串并聯形成電池組這種方式，但是電化學儲能電池有一個缺點，使用壽命較短，一旦使用完畢，可能還會造成嚴重的環境污染問題[5]。目前，涉及電化學儲能的研究越來越多，特別是近年來涉及能量分布和廣泛分布的電化學儲能逐漸出現體積小、易于調配、可靈活搭配等優點，在分布式能源開發應用的同時，消納能力不斷提高，這可以有效降低負荷峰谷。

表2 儲能類型綜合比較

4 儲能技術定位

在電力系統中，將儲能技術引入可以作為一種轉換電能與儲備的設備，不僅可以有效解決新能源中的兩個特性，也能在電力系統功率中將供需進行實時平衡，這兩種特性分別是隨機性與波動性，儲能系統可以是一種具有靈活性的資源調節，可以針對功率尺度對供需實時矛盾進行調節，針對電力系統的不同時間尺度的供需能夠滿足，儲能技術在電力系統中的主要作用見表3。因此，各種儲能技術的主要參數和技術指標可分為功率、續航時間、反應速度等領域，儲能系統對電力的需求可分為多個應用場景，具體有以下幾個應用場景。

表3 儲能技術在電力系統的作用分析

一是典型的儲能工藝路線包括飛輪和超電容儲能器的能量，一般要求儲能器具備快速反應能力，以提供系統阻尼和額外的調頻。

二是在應用場景中，為了平滑新能源的功率波動，提高配電設備的使用效率，必須使存儲器能夠快速響應，同時適應頻繁的電荷和放電轉換，具有代表性的技術路線是典型的鋰電池電化學后備能源。

三是對于大型電網充氣峰值、負荷調節等，需要大功率、大容量、長存儲時間來支持應用場景，需要儲能系統具有較高的吞吐量、良好的使用壽命以及良好的資源環境特點，因此結合現有的儲能技術路線，提出電化學儲能和超容量相結合的組合儲能的應用方案，滿足大功率、大功率需求是必要的。

5 多重應用場景下新能源電力系統的儲能拓撲結構

儲存能源在建設新型電力系統與“雙碳”的背景之下，是適應未來大規模獲得可再生能源、加強能源系統監管能力的必要而靈活的資源。儲能技術路線多種多樣，未來多型電力系統的聯合連接將是常態。因此，電池的部署也將從一種到多種類型。而鋰電池與超電容電池是不同的電池類型，但是可以互相結合，成為一種混合儲能技術，該技術可以將鋰電池的能量與超電容相結合，同時提供更大的功率和更高的能量輸出。由于未來儲能系統的接入將與分布式電源和負載深度集成，新能源電力系統儲能拓撲結構示意圖具體結構形式如圖2所示。這個單元的主要部件是提供分布式儲能的超電容器和鋰電池。進入儲能器配電單元的超電容器在新電力系統的直流母線上直接耦合，通過逆變器單元與超電容器連接，可以使儲能器之間不會出現干擾現象。

圖2 多重應用場景下新能源電力系統儲能拓撲結構示意圖

6 結語

總之，新能源電力系統儲能技術還不能滿足當前需求，因此要不斷更新技術，對新能源技術進行分析，在多重應用場景中，需要不斷完善能源電力系統組件，推動新能源市場不斷發展。