淺談新能源發電系統中儲能系統的應用

張怡雪

（國網（青海）綜合能源服務有限公司，青海 西寧 810000）

新能源發電系統在具體運行時，要想確保各個環節持續性優化與改進，滿足當前居民用電需求，使用電壓力得到有效緩解，就要重視儲能技術的合理使用。通過借助儲能系統對新能源發電系統資源進行科學合理且有效的利用，在不斷調節過程中促進系統本身運行效率的提升，運行更加穩定、更加安全，一方面，可以將電力系統傳輸功率有效控制，調節用電峰值，電能質量得到保證；另一方面，安裝儲能系統裝置，可結合實際情況吸收、釋放功率，電網消耗降低，電能利用率提升。基于此，本文重點對新能源發電系統中儲能系統的應用進行了分析，旨在將各儲能系統及技術優勢充分發揮，了解其工作原理，確保新能源發電系統資源的合理利用，經濟效益大幅度提高。

1 儲能技術及系統概述

1.1 儲能技術作用分析

儲能技術在具體運用環節能量儲存主要通過外部介質，當前常用到的儲存技術有太陽能、地熱能、風能、光伏等儲能技術。雖然也會使用電池儲能的方法，但是只能對短期應急用電需求滿足，而且高成本、大體積缺點較為突出。以上提及的儲能技術可以有效緩解此問題，屬于新型儲能系統。通過將以上儲能技術運用到新能源發電系統中，作用及優勢非常明顯，具體從以下3方面進行詳細闡述。

（1）有利于電性能質量的提高，新能源并網運行可以使電能質量要求得到滿足，傳統孤島形式運行的新能源系統電能質量極易受到外部環境影響，例如惡劣的天氣等，電能波動較為強烈。通過儲能裝置安裝可以使潮流更加穩定，母線電壓平穩性得到維持，同時還具備了調頻功能。

（2）可以削峰填谷，當前能源生產以及消耗及時性特點突出，電網負荷波動性較強，特別是在用電高峰，發電機組處于長時間運行狀態下，而到了用電低峰，降低了發電機組運行效率，所以導致發電機組整體利用率低，資源浪費嚴重。例如火電機組調峰，主要借助降出力方法，但是降出力以后，降低了燃料利用率，這樣會導致發電時長不但不會被降低，反而導致設備超負荷運行，增加了燃料費用。儲能系統的應用可解決此問題，將用電低峰期多余電能儲存，待高峰期將電能釋放，調峰效果更加理想。

（3）滿足短期電力供應需求，若運行時突出斷網，發電系統會出現孤島運行，儲能系統可將電壓、頻率偏差進行修正，并網模式與孤島運行間靈活轉換。當出現大規模停電時，對于生產、生活造成較大影響，再加之受外界天氣影響，發電系統極易出現不穩定運行，此時儲能系統可給予其支持，確保用電負荷的同時，維持系統正常運行。

1.2 儲能系統分類與工作原理

（1）機械儲能。當前在新能源發電系統中常用到的機械儲能系統有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，具體應用環節，抽水蓄能應用較為廣泛，通過低處水向高處引入，電能轉變為水動力，進而達到充電目的，放電和水電站發電方法一樣，在選址時更靠近水源位置。壓縮空氣儲能系統借助壓縮機對空氣進行壓縮，并且高壓保持在10MPa以上，將電能存儲于儲氣裝置中，充電過程完成，放電時在高壓氣體經過膨脹機時將發電機組帶動起來完成發電。壓縮空氣儲能充電與放電主要是借助電能、空氣、儲熱介質內能間互相轉換。飛輪儲能充電與放電借助的是飛輪和電能間動能轉換實現的。前兩種機械儲能系統規模較大，多應用于調峰、平滑出力、黑啟動等環節，而飛輪儲能常應用于連續性供電及調頻環節。

（2）電化學儲能。此儲能系統借助電極、電解液產生強烈的化學反應，進而達到充電與放電的全過程，工作原理和常規充電電池是一樣的。最初電化學儲能多使用的電池是鉛酸，當前磷酸鐵鋰電池和到了廣泛應用，除此之外還有鋰、釩液流、鈉硫等電池，以上提及的電池均歸納為電化學儲能的類型中。

（3）其他儲能。當前在新能源發電系統中使用的儲能系統涉及到的種類較多，例如超導以及超級電容等均屬于電磁儲能的一種類型，除此之外還有化學儲能，例如儲氫、合成燃料等，同時也有儲熱形式儲能系統，例如，熔鹽及固體儲熱等。

2 不同儲能技術在新能源發電系統中的應用

2.1 太陽能發電技術

太陽能是新能源發電系統中常見的，電力能源來源于太陽能，滿足電力使用需求。和其他能源對比，太陽自身有著較強可再生功能，能源穩定性強且不會枯竭。通過設備能夠將太陽能轉化成電能，比如，太陽能池板可借助設備將太陽能收集、存儲，經過處理以后，便會有集熱效應產生。但和其他新能源對比時會發現，太陽能電能相對會低一些，功率無法滿足電力設備運行需求。所以，太陽能適用于一些小型設備或系統中，確保新能源高效使用。這就需要在太陽能發電技術應用時不斷加大研發力度，促進利用率的提高。

2.2 地熱能發電技術

此技術能源獲取主要依賴的是地熱能，地球內會產生大量熱量，此熱量可用作能源。雖然現代技術運用中地熱能很難實現直接使用，但應用散發出來的熱量。熱能轉化為電能，在電力以及供暖中使用。此能源多用在了發電系統中，儲能操作也極其簡單，實用性較強。

2.3 風能電力系統

新能源發電系統中，風能也是最為普通的一類。通過運用儲能技術，可優化風能電力系統功率，確保風能有效轉化為電能，為電力系統正常運行提供保障。具體應用環節，風能儲能技術運用的是超導能，通過此技術的使用，可有效處理電壓問題，確保風能使用時短路、風速降低問題得到有效緩解。如果站在資源儲備量視角下分析，風能資源儲備量較高，是水資源的10倍。風力轉化為機械力，再通過發電機轉化成電能，進而實現發電目的。

如果站在技術視角下分析，風能發電技術在具體應用時涉及到的重點有3方面：一是風機類型，根據裝機容量指標，風機劃分為大、中、小等多個類型，一般情況下風機容量較大時，結構槳葉越長。運行時，結合風機容量又劃分成不同設備，例如恒速與變速等。二是設備組成及功能性，風輪結構中葉片形狀同風能吸收處于正比例關系。運行時，風機風速要比切出風速高，制動時主要運用葉尖；但葉片如果正在運行，極易出現覆冰、腐蝕現象，要做好葉片定期保護，確保正常運行。三是風機控制技術運用，采用的發電機是并網的，控制發電機變速，新并網技術運用時，為確保電機風速在合理范圍內，可通過模糊技術對葉片控制，預測風輪氣動特點。風電場并網時，吸收無功功率，提高運行效率。通過增設SVC、補償裝置，可優化以及調節電網運行情況。

2.4 光伏發電技術

站在地球能量釋放視角下分析光伏發電技術，其能源來源于太陽，進而生成大量能量。（1）光電效應，物質在電磁波照射以后，內部電子通過照射被激活，進而產生電子，太陽能光伏發電系統通過蓄電池和控制器構成了發電設備；（2）電池組，通過太陽能制作成不同類型電池，例如晶硅電池便是常用的，劃分為單晶、多晶，硅基薄膜光伏電池功能性不足，化合物薄膜污染嚴重，聚光光伏電池要有其他散熱器裝置支持，成本太高；（3）光伏陣列，光伏組件主要依賴于單軸給予支持，而固定的組件可促進工作率提各；雙軸跟蹤組件的應用可提升30%效率，同時還要嚴控安裝環節；（4）逆變器，組串逆變器有較多MPPT路數，成本高，維護點多，在山地地區比較適用，這就需要根據實際情況，選擇最佳的逆變器；（5）光伏電站SVG調壓技術，因為極易受電壓影響，所以在調節時可使用SVC，通過恒功率、恒電壓實現有效調控。一般情況下，電壓調節時，恒功率能夠控制日常運行情況。結合動態化的變化，完成無功調整。若系統電壓比定額電壓高時，恒功率無法對電壓調整需求滿足，此時要使用恒電壓模式進行控制。

3 新能源發電系統中儲能系統具體應用

3.1 超導儲能系統

當前新能源發電系統中安全穩定運行方面問題較多，主要是由于系統內部快速存取電能器件缺乏，對于機組慣性儲能、繼電保護、其他自動控制裝置過于依賴，處于被動致穩狀態下。而超導儲能系統的應用可主動參與系統動態行為中，屬于靈活性較強的調控有功功率源，不僅可對系統阻尼力矩調節，而且還能夠對同步力矩調節，在系統滑行、振蕩失步方面作用較為明顯。此系統能夠解決風電、光伏發電系統并網問題，為發電系統提供備用容量，尤其針對特殊重要負荷，系統可將應急備用電力進行有效儲存，確保電網安全穩定運行。超導儲能系統裝置簡單，不會出現旋轉機械部件、動密封問題，使用壽命長；儲能密度較高，為108J/m3，功率也較大；響應的速度較快，極易快速調節電壓、頻率；無污染無噪音，維護也較為簡單。

此系統會采用電磁能形式將電能存儲于超導體內，當前很多國家在此系統應用方面都有較多的實例，例如日本與美國當前已經涉及到了100MW機組，并且組裝完成，國內多應用的是仿真或者是小容量樣機。當前100MW超導儲能系統的應用已經趨于成熟，逐漸向著商業化方向發展。日本針對超導儲能系統進行了更深層次的研究，通過對比抽水蓄能、低溫超導儲能，如果從功率成本來看，超蓄要遠遠高出抽蓄50%左右，具備較好的商業化價值。

3.2 超級電容器系統

超級電容器系統主要運用的是電極與電解質間構建的界面雙電層來實現能量儲存的目的。工作原理中主要借助傳統靜電電容器，正負電荷通過兩電級板快速累積，進而形成兩極板電勢差，產生了強烈的電場，此時電能便可以在電場中有效的存儲，如果兩極板和外電路出現回路情況，正負電荷會轉移，并且將電能釋放。靜電電容器電容量與電極距離、表面積關系密切，而超級電容量工作原理和靜電電容器原理非常相似，區別是超級電容器電極表面積較大，所以電容量也會更大一些。

隨著超級電容儲能系統在新能源發電系統中應用越來越廣泛，并且朝著商業化發展，當前商業化超極電容涉及到的是雙電層電容，屬于靜電儲能的一種類型。一般情況下采用的是化學氣相沉積法，雙電層形成于電容電極周圍，此儲能材料不管是在功率密度，還是轉換效率或者污染方面，性能良好。由于其具備了較大容量、充電無限循環特征，所以可通過超級容量、功率器件構成電路，并且與發電陣列和負載間進行有效連接，借助補償電壓將光伏電池輸出改變，達到功率點跟蹤的目的。

3.3 飛輪儲能系統

飛輪儲能系統也被稱之為飛輪電池，主要由飛輪轉子、軸承、電動機、發電機、電力電子裝置、真空室等組合而成，飛輪轉子是其中的重要部件，采用高強度小密度材料制成，主要劃分為圓輪、圓盤、圓柱剛體等；軸承屬于軸系支承部件，特別是磁懸浮支承軸承、組合式軸承的應用，可將摩擦損耗降低，系統效率提高；電機屬于集成部件，可在電動、發電間互相切換，機械能、電能實現了有效轉換；電力電子裝置負責電能輸入輸出；真空室可通過真空環境的提供使飛輪調整運轉時風阻損耗降低，確保設備及人員安全。在充電環節，電動機將飛輪驅動，電能與機械能轉換；能量儲存時，飛輪處于真空環境下高速運轉；放電過程中急速轉動的飛輪將發電機驅動，機械能轉換為電能，發電、供電。此系統經濟實惠且環保，多應用于光伏發電系統中，在并網點電能質量調節方面作用明顯。

4 結語

隨著社會的快速發展，我國經濟不斷增長，新能源在發電系統中的應用范圍越來越廣，通過設備、系統能夠將能源實現快速轉化，確保電力系統電能得到合理利用的同時，使傳統電力系統問題得到有效改善，降低了資源不必要的浪費。而新能源發電系統中，要想使各項能源資源利用率進一步提升，就要將科學合理的儲能系統及技術引進，在不斷優化與改進中，推進電力行業向著綠色環保方向發展，更好的滿足社會用電需求。