中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 郭志刚

在日益激烈的资源形式下，我国对用电的清洁性和高效性提出了要求。新能源作为一项环保技术对电力行业的发展有积极意义，新能源发电有着波动性、随机性和间歇性的特点，极易对稳定运行的电网产生一定的冲击，且新能源并网对我国电网的发展带来了挑战。而在新能源发电中应用储能系统，可以加快电能转化效率、提高电能转化质量、降低电能损耗等，对电力行业的发展起到一定的促进作用。

1 储能系统相关技术分析

1.1 储能系统技术作用分析

1.1.1 削峰填谷

电网负荷拥有较强的波动性，我国对能源的消耗和生产都是即用即发。在用电高峰时期，电力系统发电机组运行效率高，而用电低峰期，电力系统发电机组运行效率低，这样的运行情况会降低发电机组利用率，造成资源浪费。例如，火电机组是目前电网系统常用调峰技术之一，在火电机组降出力后，电网系统对燃料利用率将会下降，利用火电机组调峰技术不仅会降低电网系统发电时长，增加燃料的消耗，而且也会降低发电设备使用寿命。而利用储能系统可以有效解决上述问题，储能系统能够存储用电低峰期的电能，并在用电高峰期时进行释放，达到电能调峰效果[1]。

1.1.2 短期电力供应

新能源电网系统在运行时若出现断网事故，会导致发电系统进入孤岛状态运行。储能设备在讲过控制系统时，会修正频率和电压偏差，达到平滑切换孤岛运行和并网模式运行的目的。若出现大规模停电事故的发生，会对生活和生产活动造成严重的影响。由于新能源项目生产的资源会受到天气的影响，在恶劣天气环境下，新能源资源会变得极为不稳定，而储能系统可以保证负荷正常运行。

1.2 储能系统工作原理及分类

1.2.1 机械储能

机械储能常见类型包括、飞轮储能、空气压缩储能、抽水储能等。在机械储能应用过程中，抽水储能应用较为广泛。抽水储能的工作原理是将水资源由低处向高出传送，将电能转换为动力势能，从而实现充电的效果，抽水储能放电与水利发电站放电方式相同，抽出储能系统通常建立于水资源丰富地势。空气压缩储能主要利用压缩机压缩空气至10MPa 高压状态，然后将压缩的空气存储于储气罐中，以此来实现充电效果[2]。空气压缩储能放电和充电都是空气与电能或者储能介质发生内能转化的一种过程，空气压缩储能系统建设限制因素较多，如地域、环境等。飞轮储能是飞轮与电能相互转化从而实现的放电和充电效果。空气压缩储能和抽水储能都为大型储能系统，均具备黑启动、平滑出力、调峰等功能。与其他两种储能方式相比，飞轮储能在调频和供电方面性能较高。

1.2.2 电化学储能

该类储能方式主要是电解液和电极之间发生化学反应达到的充电和放电效果，电化学储能系统原理与传统充电电池工作原理相同。传统的电化学储能系统一般选择铅酸蓄电池作为主要供电能源，而现阶段主要应用磷酸铁锂电池。钠硫电池、钒液流电池、三元锂电池等均为电化学储能的一种。

1.2.3 其他储能

储能系统种类丰富，有超级电容、超导储能等电磁储能系统，以及合成燃料、储氢等化学储能方式，以及固体储热、熔盐出热等储热系统[3]。

2 典型储能技术特点

2.1 锂电池储能技术

锂电池是充电电池的一种，其主要是由锂化合物、天然石墨、人造石墨等正极材料和负极材料组成，锂电池放电和充电过程就是锂离子脱嵌和嵌入过程。锂电池充电和放电原理如图1，表1为锂电池性能比较。

表1 不同锂电池性能比较

图1 锂离子电池充放电原理

现阶段，在综合电力系统和光伏系统中，锂电池应用十分广泛。首先，在新能源项目中，锂电池可以满足电力系统的光伏能源和稳定工作的需求；其次，锂电池可以有效缓解短时突变电力负荷和长时发电机组响应之间的矛盾，有利于提高能源的利用效率、改善电能运行质量。

2.2 超级电容器储能技术

超级电容是一种储能原件，去主要利用双层电原理实现能量的存储，并且存储过程具有可逆性，使用寿命长。超级电容双层式应用十分广泛，图2为其物理结构。

图2 普通电容和双层电容结构示意图

新能源项目中，电力和动力系统对超级电容技术应用较多，超级电容技术可以在系统低负荷运行状态下对剩余能量进行存储，在系统负载高峰运行过程中释放能力，以此来提高系统的稳定性和带载能力。与普通锂电池储能技术相比，超级电容技术对于能量密度的要求较低。储能元件性能参数比较如表2所示。

表2 储能元件性能比较

2.3 技术特点分析

超级电容储能拥有循环寿命长、动态响应快、功率密度大等优点，可以有效减缓电流冲击功率；超级电容的缺点为能量密度小，储存能量较少。而蓄电池储能则与其不同，功率密度小，能量密度大。想要更好的满足系统能量、功率密度高的要求，对于储能系统的研究应考虑以下两方面：创新储能制造工艺，促进元件性能的提升；对储能原件进行性质互补，提高储能系统经济性能[4]。

以上两种方法，第一种操作难度较大，无法轻易实现，第二种方法既能使储能系统的需求得到满足，同时也能够提高系统性能，具有良好经济性。

3 超级电容—蓄电池混合储能系统架构

现阶段，超级电容—蓄电池储能系统包括两种，无源式、有源式储能系统。两种系统主要是对现阶段的存储系统进行组合，改造成为了一种新型储能系统，储能系统可以利用不同元件和功能进行互补，以此来减少储能系统制造成本，提经济性。

3.1 无源式混合储能系统结构

无源式混合储能系统可以划分为两种，第一种为直接将超级电容与蓄电池进行并联形成的混合系统，第二种为利用无源器件进行连接，如储能系统和电感、二极管等组成的混合系统。混合系统的特点是在充电和放电过程中不需对其进行控制，混合系统结构简单[5]。

3.1.1 直接并联式

并联式混合系统是一种结构最为简单的储能系统，图3所示。混合系统具有的特点包括，无法对功率流动进行控制，电压装置需要与负载电压相互匹配；混合储能装置电压波动大，并联方式会降低超级电容能量利用效率，且蓄电池寿命较短。

图3 直接并联式混合储能系统结构图

3.1.2 电感并联式

电感并联混合系统，主要是在蓄电池与电感进行串联，然后并联到超级电容装置上。图4为并联结构图。电感并联混合系统具有的特点包括，可以有效抑制电感波动，蓄电池寿命长，工作效率高；但无法控制储能系统充电和放电过程，超级电容能量利用效率较低。

图4 电感并联式混合储能系统结构图

3.2 有源式混合储能系统结构

为更好的控制储能系统放电和充电过程，提高储能系统容量利用率，有源式系统在母线结果位置额外增加了功率变换器，根据变换器数量以及位置的不同，有源式储能系统主要分为三种，如图5～7所示。

图5中混合系统，主要利用变换器将蓄电池连接直流母线，并与超级电容进行并联。该系统可以更好的控制蓄电池充电和放电过程，以此来达到保护蓄电池的目的，提高蓄电池使用寿命；在改造过程中储能系统需要并联多个超级电容，才能满足直流母线电压要求。

图5 超级电容与直流母线直接连接

图6混合系统与图5系统相反，首先对功率变换器与超级电容进行连接，其次并联蓄电池至直流母线中。该系统可以利用变换器对电容电压进行改变，从而扩大系统可应用性，提高容量利用率。

图6 蓄电池与直流母线直接直接连接

图7混合系统，首先利用功率变换器将超级电容与蓄电池进行连接，其次并联至直流母线中，该系统中拥有的两种存储器件在容量利用率方面都有较好的性能，可以优化充电和放电过程。但该系统结构复杂，变换器和系统运行成本较高。

图7 两种储能装置通过功率变换器与直流母线连接

4 储能系统在新能源项目中的应用前景

4.1 储能系统在不同系统中的应用

4.1.1 储能系统在光伏电站中的应用

（1）光伏离网系统。在传统的光伏系统中储能技术应用较多，光伏系统包括蓄电池、控制器、光伏组件等重要部件。系统充电过程时，光伏组件会利用控制器将产生的直流电存储于电池中，放电时，电池组件则会利用控制器和逆变器，将直流电转化为交流电，并接入负载中。传统的光伏系统使用的蓄电池通常都为铅酸胶体电池，例如光伏路灯、家庭光伏系统均采用铅酸电池。（2）光伏微网系统。该系统以小型商业户和家庭应用居多，微光系统相比于离网系统，前者具备并网功能，在电网停止运行后，发电系统会从并网状态自动切换为孤岛运行。（3）大型光伏发电站储能系统。大型发电站中，电站交流侧位置安装储能系统，可以起到调峰的作用。现阶段，我国大部分城市发电站均配备了储能系统，并且储能装置充电时长均不低于120分钟。

4.1.2 风光储一体化发电

几年来，我国对风光储发电等模式指明了发展方向。在光伏、风电发电系统中安装储能系统，构建风光储发电项目，通过储能发电完善风光发电站，实现光、风、储三者之间互补，共同进行发电。储能系统在用电低峰时期开始充电，以确保用电高峰时期发电系统运行的平稳性。

4.2 不同储能系统的应用

4.2.1 新能源项目中超导储能系统的应用

超导储能可以将电能转化为电磁能并存储于超导体中，拥有响应快、功率密度高、环保、效率高等特点。在新能源项目中应用，可以发挥出调频和平滑出力的作用，能够有效提高新能源发电系统电能质量。在国际上，日本和美国均应用超导储能系统，并且美国已经构建了100MW 机组，而我国对超导储能系统的应用主要以小容量样机和仿真为主[6]。现阶段，各个国家掌握的超导技术已经相对成熟，具备了商业可行性，对于超导技术机组的应用研究正在稳步向前。日本研究协会对低能超导和抽水蓄能进行了细致的对比研究，在功率成本上，超导储能比抽水蓄能成本更低，在经济性上，超导储能也具备良好的商业可行性。

4.2.2 新能源项目中超级电容器的应用

超级电容主要利用电容器来存储电能，超级电容通常为双层电容，属于静电储能。在经过气相沉淀工艺改造后，超级电容电极会在周边形成双电层，超级电容在环保性、转换效率、功率密度等方面都拥有良好性能。部分研究人员通过超级电容具备的循环充电和大容量特点，将功率器件和超级电容量相结合，并连接到电路负载和发电列阵之间，利用补偿电压转变电池的输出，可以改变列阵输出特性，到达功率点跟踪的目的。

5 结语

综上所述，储能系统可以改变电能存储方式，突破传统即发即用的模式，解决了传统发电存在的诸多问题。随着社会发展速度不断加快，在新能源项目中储能系统有了更加广泛的应用，极大的促进了我国智能电网的建设和发展，使供电质量得到了一定的提升。为此，我国应当根据用电规划、电力结构等，加大对储能系统的应用力度，充分发挥出储能系统的价值和作用。