新能源電力系統中的儲能技術研究

李 井，陳 哲

（山東省環能設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

為滿足人們日益增長的用電需求，緩解用電壓力，新能源電力系統必須合理應用儲能技術，以持續優化其自身。儲能技術在提升系統安全性與可靠性的同時，為新能源發電與電網調度提供了一定幫助，因此，該技術具有良好的發展前景。利用儲能技術能有效調節新能源電力系統資源，顯著提高能源使用效率[1]。

1 儲能技術概述

1.1 儲能技術的基本原理

儲能技術是一種將能量儲存在電池或其他設備中，以備將來使用時釋放的能源存儲方式。其基本原理是通過電化學反應或物理過程將能量轉換成其他形式進行儲存，然后將其轉化為可用的電能。目前，常見的儲能技術包括鋰離子電池、超級電容器、燃料電池等。其中，鋰離子電池是最為流行的一種儲能技術之一。鋰離子電池具有高能量密度、快速充電速度以及長壽命等優點。因此，鋰離子電池被廣泛應用于電動汽車、智能手機等領域。超級電容器可以實現非常大的電荷容量和極快的充放電速率，但壽命較短且成本較高。燃料電池可以在沒有外部電源的情況下直接產生電能，但是需要消耗氫氣或者其他燃料來維持運行。

1.2 儲能技術的分類

儲能技術主要分物理形式和化學形式轉換為電能，不同類型儲能技術各有優缺點，需要針對不同的需求進行選擇和優化。物理形式可以轉換為機械能和電磁場能，如風力發電、太陽能光伏發電；化學形式包括電池、蓄電池、超級電容器等。儲能技術的分類主要有三種：靜態儲能技術、動態儲能技術和混合型儲能技術。靜態儲能技術是指將能量儲存在一個固定的位置上，比如鋰離子電池、鉛酸蓄電池等；動態儲能技術是指通過某種方式將能源轉化為其他形式，然后將其儲存下來，再利用時釋放出來；混合型儲能技術是將前兩者結合在一起的一種新型儲能技術。靜態儲能技術具有穩定性好、容量大、可重復充電等優點，但同時也存在成本高、維護難度大等問題；動態儲能技術相比靜態儲能技術更加靈活多樣，但是也存在著能量轉化率低、可靠性差等問題。在實際應用中應該綜合考慮各種因素來選取最適合的儲能技術。

1.3 儲能技術的特點

1.高效率、高能量密度。相對于傳統的電能儲存方式，儲能技術可以實現更高的能量密度和更高效的轉換效率，從而更好地滿足能源需求。

2.可再生性強、環保節能。儲能技術采用自然資源作為存儲介質（如水、風、太陽能），因此不會產生二氧化碳排放和其他污染物質，有利于減少環境污染和保護生態環境。

3.靈活性、適應性強。儲能技術能夠為電網提供多種形式的服務，可以通過不同的控制策略來調節輸出功率和電壓，以適應不同負荷情況和電網運行狀態的變化。此外，儲能技術還可以與其他發電設備進行協同工作，提高系統的穩定性和可靠性。

4.經濟效益顯著。相比于傳統電源，儲能技術具有較低的投資成本和維護費用，同時還有較高的回收價值和使用壽命。

5.安全性高、可靠性高。因為儲能技術存儲介質是天然資源而非化學物質，所以不存在爆炸、泄漏等問題。同時，儲能技術也可以通過智能化管理和監控系統保證安全穩定運行。

2 能源互聯網背景下的電力儲能技術分類

2.1 儲熱技術

儲熱技術通常分為化學儲能、潛熱儲能和顯熱儲能。其中，潛熱儲能即相變儲能，這種儲能技術以在物質發生相變時吸收或放出熱量為主，目前最為常用的相變儲能方式是固—液相變。相變蓄能與顯熱蓄能相比最大的區別是相變蓄能具有更高的溫度穩定性和更高的能量密度。由于化學儲能以化學可逆反應為主，可以實現寬溫區階梯形蓄熱，因此具有比潛熱、顯熱等其他蓄熱方式更高的儲能密度[2]。此外，化學儲熱具有較高的材料要求，選擇材料的難度較大，因此現階段所用儲熱技術多為顯熱儲能與潛熱儲能。

2.2 電化學儲能技術

電化學儲能技術最突出的特征是安裝靈活，響應速度快，在電網中應用該技術，能夠極大地提升能源和電力服務效率。電化學儲能技術能夠有效壓制新能源的迅速波動，增強電力系統的頻率調節穩定性，有利于強化微網的能量管理，具有明顯的技術優勢。當前，我國電網中電化學能量存儲技術發展迅速，其應用領域主要是以鋰離子電池為主。

除此之外，在離網連接或弱電網地區應用電池儲能，對風能與太陽能發電穩定性的提升有很大幫助，能夠解決該區域的電力資源緊張問題。配電網、新能源場站和微電網也是發展迅速的電化學儲能環節。隨著電化學儲能技術的迅猛發展，由于受壓縮空氣儲能技術和抽水蓄能技術的影響，電化學儲能技術在電力市場中所面對的競爭壓力也日益增大。因此，必須利用電化學儲能的經濟優勢，搶占新的能源市場。

2.3 氫儲能技術

氫儲能技術作為一種新興技術，所涉的領域很多，而當前國內的氫氣主要來自煤炭和天然氣。隨著科學技術的持續發展，在國外，還開發出了利用新能源來生產氫氣的技術，新能源發電電解水制氫會消耗掉大量能量。在電力系統處于低負載狀態時，采用新能量來生產氫氣，可以提高新能量的利用率。

目前，在風力波動方面，具有良好適應性的是堿性電解槽技術和固態聚合物電解水配制氫技術。光催化水裂解是最理想的制氫方式，這一技術利用光催化劑提高氫氣產量。但是，我國還有待進一步深化該技術的研究，現階段的制氫技術所生產的氫氣并沒有達到產業化的需要。在氫能運輸鏈上，一般會選擇現有的天然氣網絡，在天然氣管道內裝入新能源制氫，以達到氫能運輸目的，這一運輸方法成本較低。但有關資料顯示，氫可能會侵蝕天然氣管道，所以技術人員也在加大力度研發氫能源特殊運輸管線，以提升氫能源的利用率[3]。

3 儲能技術在新能源電網中的應用現狀

從新能源的開發與應用現狀來看，學者們重點研究了太陽能與風能在電力系統中的運用。儲能技術可實現電能與其他能源在一定范圍內的互相轉換與使用，繼而提升新能源系統本身的特性。但與傳統化石能源發電相比，太陽能、風能發電受自然環境干擾較大，穩定性不高，以波動性、間接性為主。針對該現象，風力發電機開始被用作輔助電源，這使得風力發電機具有很好的靈活性和很高的可靠性。但該方式會造成電網運行不穩定，給電網運行帶來不利影響。因此，需要增加風力發電的比重，以確保電能供應系統的可靠運行，使其能更好地為人民群眾服務。為保證電網運行安全性與穩定性，在風力發電裝機比重不大于10%的情況下，利用傳統技術是有效的解決方案；而在風電裝機占比大于20%的情況下，利用高效儲能技術成為有效降低風力發電自身波動性與間歇性影響的重要手段。由于新能源電力系統大范圍并網，科研人員深入且全面地研究了儲能技術的應用，不僅從某種程度上推動了可再生能源開發，也起到了關鍵作用。這說明儲能技術既能有效緩解能源緊缺，又能優化電能質量，確保整個電力系統的穩定性。在新能源電力系統日益發展的背景下，儲能技術的合理應用與充分發揮已成為關鍵的發展方向。

4 新能源電力系統中儲能技術的應用

4.1 光伏并網中儲能技術的合理運用

利用儲能技術可以有效地解決光伏發電系統的暫態功率均衡問題。在實際應用中，利用被動并聯蓄能策略，可以控制電池充放電功率，有效緩解光伏發電負荷波動情況。該方案在分布式光伏發電系統中具有廣泛的應用前景。在此基礎上，提出了一種新型的復合儲能方式，通過調節電網的暫態功率來實現電能的均衡。在實際應用過程中，需結合具有更高能量密度的超級電容器和磷酸鐵鋰電池，并合理設定控制結構和模式，使其功能得到最大限度的發揮。超級電容器蓄電池混合儲能在新能源電力系統中具有巨大的開發潛力，是未來儲能技術研究的重要趨勢。

4.2 風能電力系統中儲能技術的合理運用

瞬時功率均衡程度是新能源電力系統穩定運行的關鍵，利用儲能技術，可以在一定程度上滿足有功功率和無功功率需求，實現瞬時功率均衡程度的最優化，確保系統穩定運行。針對風能電力系統的電壓穩定問題，應用儲能技術可以有效解決風速干擾和聯絡線短路等問題。在電網發生故障時，采用儲能技術，可以保證風能電力系統的穩定運行；當出現風速干擾時，也能保證風能電力系統的穩定輸出。風電出力可控性不足是制約風能電力系統穩定性的重要因素，利用儲能技術，可平滑風電出力，提高風電的可調度性。在平抑風電出力波動時，可利用串并聯的超級電容儲能系統來平滑風電出力，可以有效提高風能電力系統的穩定性，也可以在基于全功率變頻器的永磁同步風電機組的直流母線上并聯飛輪儲能裝置，實現模糊控制，達到穩定風電機組輸出功率的目的[4]。

4.3 地熱能發電技術

地熱能發電技術是利用地球深部的熱能來產生電力的一種可持續能源形式，這一技術主要利用地殼內部的熱量積累，通常通過鉆探深井將地熱能帶到地表。地熱能發電可以分為直接利用和間接利用兩種方式。直接利用通過將地熱水蒸氣直接用于加熱建筑、溫室或工業過程，而間接利用則通過地熱水蒸氣驅動渦輪發電機產生電能。

地熱能發電具有許多優勢。首先，地熱能是一種穩定的能源來源，不受天氣條件和季節變化的影響，可以實現持續穩定的電力供應。其次，地熱能發電不會產生溫室氣體和空氣污染物，對環境友好。此外，地熱能在適宜的地區廣泛分布，尤其適合用于偏遠地區或島嶼等電力供應相對困難的地方。

然而，地熱能發電技術也面臨一些挑戰。首先，它的利用受限于地熱資源的地理分布，只有在一些特定地區才能夠充分利用。其次，鉆探和開發地熱能資源需要高成本投資，可能存在經濟上的考慮。此外，地熱能開發過程中需要注意地下水的管理，以避免地下水資源受到破壞。

5 新能源發電儲能技術發展展望

隨著全球能源模式從傳統化石能源向清潔高效能源發生根本性轉變，我國能源結構也在經歷前所未有的深刻調整。從電力能源結構總量、裝機容量增長結構、單位能源生產成本構成來看，清潔能源發展迅速，已成為我國加快供給結構的重要力量。能源部門改革。發展儲能產業是一個涉及多行業、多部門、多縣（市、區）的系統工程。要切實加強組織領導，拉緊責任鏈條，形成合力。嚴格實施創新發展戰略，集聚創新人才和資源等多種要素，發揮資源優勢，積極發展儲能等戰略性新興產業，加快新舊動能轉換，促進產業中高水平發展聚焦交付，推進儲能能源產業健康快速發展，尋求發展新的經濟增長點。現有的新能源發電側儲能技術應用中都存在一定的能源資源利用效率不足的問題，未來在技術研發過程中，針對新能源發電側儲能系統設計和技術開發，重點研發雙高儲能器件應用市場及產品技術，例如，中車新能源對公司最新研發的3.6V-20000F 混合電容產品。功率型儲能器件在高功率電源、電力能源、軌道交通、新能源汽車以及工業領域都有眾多應用。超級電容器雖然是一個很好的選擇，但其也有自身天然的短板，即能量密度不足，難以滿足更多的使用需求。通過從產品結構、材料肌理和制造工藝多個角度同時進行創新研發，徹底打破國外技術壟斷，實現高比能超級電容器的規模化應用。這種基于新能源的雙高儲能器件已經在有軌電車、純電動公交、電力能源等多個領域實現了商業應用，應用成效顯著。

6 結束語

近些年，新能源發電技術已得到了快速發展，然而新能源發電系統的一些固有缺點限制了其進一步發展。例如，新能源發電系統中的儲能系統無法達到高功率和大容量，因此目前許多國家正在研究新能源發電系統的儲能技術。盡管這些技術還處于早期階段，但它們也具有很大的發展潛力。例如，壓縮空氣儲能技術可將風、光等新能源發電系統的能量儲存在高壓氣體中，從而實現能量的回收利用；鋰電池儲能技術不僅可以儲存能量，還可以用于移動電源車等領域[5]。總之，新能源發電系統中的儲能技術是未來新能源發電技術的重要組成部分。隨著相關技術的不斷發展和完善，其在新能源發電系統中的應用前景將會更加廣闊。