储能技术在新能源电力系统中的应用

2022-11-26亢亚军

科技创新与应用 2022年28期

亢亚军

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710000）

当前，对于新能源的利用开发主要集中在新能源发电项目，利用太阳能和风能等新能源可以发电。但是新能源发电与化石能源发电的方式相比起来，其发电过程中容易受到外界自然因素的干扰，新能源电力系统往往会存在供电中断或者波动性较大等问题，如果将新能源电力系统广泛推广应用，对于电网整体安全稳定的供电会造成不良影响。为此，新能源电力系统运行期间，应用储能技术对其控制，解决系统供电的技术缺陷，充分保障新能源电力系统的平稳持续性运行，新能源电力系统想要在未来实现大规模并网的目标，离不开储能技术对其系统的优化和支持。

1 储能技术在新能源电力系统中的应用分析

1.1 储能技术类型

1.1.1 物理储能技术

（1）压缩空气储能技术。压缩空气储能系统进行储能的时候，风电机组此时会输出较大的功率，在这种情况下富余出来的风电，会被注入到压缩空气储能电站当中，借助电动机设备实现压缩机的驱动，进行空气压缩处理和降温处理，处理完毕后将其存储到系统的储气室中，储气室常见类型包括过期的油气井、山洞、经过沉降处理的海底储气罐装置及新建成的储气井等。系统释能时，风电机组设备的实际输出功率难以达到负荷的标准，这时会将系统中高压空气升温处理，然后令其进入到燃烧室当中助燃，燃烧室当中燃气的逐渐膨胀可以实现对燃气轮机的驱动，继而使得发电机设备进行发电[1]。压缩空气储能系统能够实现高效的能源转化，转化率最高可以达到75%以上，如果运行期间搭配其他先进技术还有可能继续提升转化率。压缩空气储能系统具有较大的储能容量，实际储能期间不会消耗较多燃料，因此储能的总体成本不高，且具有较高安全等级，系统使用年限较长。但是压缩空气储能系统的储能密度相对较低，且运行期间容易受到岩层结构等地形条件的影响。压缩空气储能技术比较适合应用在规模较大的风能电力系统当中，用于解决处理风电系统功率波动的调控及风电的平滑输出等问题，保证电网系统功率的平稳。

（2）飞轮储能技术。飞轮储能系统主要是由电机设备、飞轮系统、电控系统及轴承支撑系统组成，这种储能系统也可以看成是一种能量电池，储能效率最高能够达到80%左右。储能过程中，飞轮储能系统中的电能会驱动电动机设备的运行，进而使得飞轮装置进行高速旋转，将电能通过旋转体动能的形式储存。释能过程中，飞轮的快速旋转促使发动机装置进行发电，实现机械能的转化，将其转化为电能，并将电能输送到系统外部负载进行使用。飞轮系统可以分为2种，一种为磁悬浮轴承飞轮系统，一种为机械轴承飞轮系统。磁悬浮轴承飞轮运行速度较高，机械轴承飞轮运行速度较低。因此磁悬浮轴承飞轮更加适合用于调节电力系统的峰谷调控[2]。为了优化飞轮运行期间的实际转速及整体的储能效果，可以使用非接触式的磁悬浮轴承技术，这种技术可以将飞轮系统和电机设备封闭在真空的容器装置当中，充分减少飞轮运转期间遇到的空气阻力。飞轮储能系统的储能密度较大，系统充电放电的次数不存在限制，且充电放电效率高、速度快，但是一次性购置所需的经济成本相对来说比较高。

（3）抽水储能技术。抽水储能技术主要是通过低谷的电价实现能量的储存。这种储能方式不需要较高的成本费用，但是由于水资源具有易蒸发的特点，且系统泵水过程中会耗费较高功率，因此系统的能量转换效率一般在70%左右。抽水储能系统中使用的储能介质主要分为海水、地下水及江河大坝这几种类型。传统的抽水储能系统中需要设置上游蓄水池和下游蓄水池，海水的抽水储能系统当中会将海水作为下游蓄水池，这样可以有效节省系统储能的费用投入。但是储能期间要采取相应措施避免抽水装置等遭受海水腐蚀和大海中各类生物的附着干扰。抽水储能系统的实际储能容量很大，系统的运行比较灵活，应用费用低廉，但是储能过程会受到水文地质等条件的影响，因此在储能电站的选址上存在一定的限制。抽水储能技术当前在新能源电力系统的调频处理、调峰处理及事故备用等方面应用频率较高。抽水储能技术水平的不断优化提升，系统不仅具备储能发电的功能，还可配合电力系统实现多项动态作业，获取动静结合的综合效益[3]。

1.1.2 化学储能技术

化学储能技术主要就是指化学电池储能系统的应用，通过化学电池的正负极之间进行氧化反应，实现充电和放电，最终实现化学能和电能之间的转化储存。化学储能系统能够实现快速功率的吞吐处理，也是当前技术水平相对成熟的储能技术之一。化学电池的类型有很多种，可以应用在新能源电力系统中的储能电池主要包括以下几种类型。

第一，钠硫储能电池。这种储能电池的正极是多硫化钠及硫，负极为熔融金属钠，电池的电解质与隔膜是Na-beta－氧化铝。钠硫储能电池的能量密度与铅酸储能电池相比起来，是其3倍以上，但是运行空间需求却只需要其1/3大小。钠硫储能电池的充电放电效率都比较高，所需费用低，系统运行空间需求较小，后期维护难度较低，但是电池的循环使用年限及电池的放电深度还需要优化提升，储能电池系统运行期间温度要保持在300℃左右[4]。

第二，锂电池。这是一种能源转化效率较高且能量密度大的化学电池储能系统。这种储能系统主要组成部分包括储能电池的管理系统、充电放电系统及单体电池装置，系统的综合储能效率能够达到85%以上。这种化学储能电池能量密度很高，充电效率和放电效率处于较高水平，且系统运行安全稳定。系统运行期间能够通过串联或者并联的方式获取高容量和高压，但是实现这一过程的经济成本比较高。此种化学储能电池比较适合应用在新能源电力系统中的应急供电及旋转备用等。

第三，液流储能电池。这种化学储能电池也称之为是还原液流储能电池。液流储能电池的实际输出功率主要是由电池组的实际面积及储能系统中单电池的总数决定的，想要提升液流储能电池的储能容量，可以通过提升电解液浓度和容积的方式实现，这种化学储能电池放电期间不需要采取保护措施，比较适合应用在新能源电力系统中进行电能储存和电力系统的应急供电。液流电池储能系统稳定性强且能量转换能力强，系统维护便利，运行稳定安全，应用优势众多被广泛应用在电力系统的并网发电和储能当中，但是此种液流储能电池中的部分材料成本费用比较昂贵，也在一定程度上阻碍其实际应用。

第四，金属空气储能电池。这种化学储能电池绿色环保，电池的正极为氧气，负极通常为镁铝锌铁等化学性质相对活泼的金属元素，电池的电解液可为氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠及海水等。当氧气逐渐扩散到电池的化学反应界面之后，就能与电池中的活泼金属元素发生反应产生电能。金属空气储能电池的比能量比较高，与铅酸储能电池相比高于其8倍以上，这种储能电池制作成本不高且绿色无污染，电池的原材料可以进行循环利用[5]。金属空气储能电池不需要使用充电设备，在几分种之内就可以完成金属燃料的更换，实现快速充电。当前金属空气储能电池中比较接近产业化的电池类型为锌空气储能电池，而铝空气储能电池虽然自身比能量也很高，但是电池充电放电的速度相对来说比较慢，因此经常被用于备用电源。

第五，铅酸储能电池。铅酸储能电池的电解液是稀硫酸溶液，电池的正极为绒状铅及二氧化铅，负极则是由酸性的蓄电池组成。这种储能电池具有较大储能容量，储能技术已经比较成熟，技术应用成本低且系统易于维护。但是这种储能电池的比能量较低，电池循环年限很短，使用过程中容易对环境造成重金属污染，发生深度放电还会对电池自身造成较大损伤。

1.1.3 相变储能技术

相变储能技术能量密度大，储能系统组成简单，设计比较灵活，方便管控。相变储能技术常见类型包括冰蓄冷储能技术、电储热技术及熔融盐储热技术等。冰蓄冷储能技术是指通过系统中的蓄冷介质，实现结冰和融冰处理，进而对冷量进行存储与释放。这种技术可以优化制冷机组设备的运行效率，降低空调等制冷设备在用电高峰时期的系统用电负荷。电储热技术的主要储能介质是水资源和金属材料，以水作为介质进行热能储存的时候投入成本较低且便于系统维护。使用高温金属作为热能储存介质的时候，主要是通过金属到固态液态转化对热能进行储存或释放。这种方式能够实现高温储热，金属储热介质的导热性能较好。熔融盐储热技术是指将固态的无机盐进行加热处理，令其处于熔融的状态，然后通过系统热循环实现热能储存[6]。

1.1.4 电磁储能技术

电磁储能技术分为2种。第一种为超导磁储能技术。超导磁储能系统运行过程中的超导线圈中的直流电磁场，可以当作其储能系统的储能介质，储能效率能够高达90%以上。超导磁储能系统应用效率高，系统响应速度较快，且运行过程环保无污染。在超导状态之下线圈的电阻值可以忽略不计，因此运行期间不会出现大量能耗，能够实现持续性的无损耗储能。但是超导线圈在使用期间需要设置在温度较低的液体当中，这会加大其系统的应用成本。这一储能系统可以显著优化电力系统的电压电频的控制效率，与此同时还能够实现对于电能的大量交换，并且同时抑制电力系统中电压和功率的失稳波动。第二种为超级电容器储能技术。超级电容储能装置介于普通电容器和储能电池之间，该储能系统的充电和放电过程具备可逆性，能够进行多次的反复储能。其不但具备常规电容器设备的应用优势，还具备运行更加稳定，系统循环年限更长，显著提升电力系统的瞬时功率，可用于新能源电力系统的备用储能。

1.2 新能源电力系统中储能技术的实际应用

1.2.1 在风能电力系统中的应用

在风力发电场中合理应用储能装置，可以显著优化风力电厂电压运行的稳定性，有效控制系统功率，并且可以实现系统有用功和无用功的合理调控。进行电力系统调峰电能的配置处理时，可以有效优化当地电网的整体接纳水准。将储能系统配置在电源侧时，通过应用储能电源就能够实现供电系统的调节优化和用户互动。

在风力发电厂出口并网处的母线位置进行储能系统的安装，能够借助储能系统的放电功能和储能功能对风电系统运行过程中的功率不稳情况实施有效控制。为了有效降低风电场供电波动对于电网造成的不良干扰，系统中每台风机装置都要安装蓄电池用于电能的后备储存，蓄电池的功率要为风机设备功率的4%左右。为了防止突发事故对风机设备的叶片装置造成损坏，还要额外配置1组功率为风机功率1%左右的蓄电池，确保风机装置的平稳运行。当前风电系统对于电力输出的稳定性控制已经成为其控制的重点内容。当前风力发电处于快速发展的状态，风力发电与电网之间的关联度也逐渐升高，风力发电场需要具备削峰填谷的功能，而该项功能的实现必须要借助储能技术的辅助才行。风力发电场中配置到储能系统额定功率值要控制在风电系统的45%左右。如果风机设备想要实现离网发电的目标，那么系统中需要配置更大额定功率值的动态储能系统。

风力发电场之所以会出现闪变问题，主要是由于电场中风速的变化比较迅速，与此同时塔影效应也会造成电场闪变，风力发电期间如果某1台风机设备发生闪变不会造成较大影响，但是如果多台风机设备同时并入相对较小的电网系统当中时，发生的闪变会严重影响风力发电。在风机装置出口部位安装储能系统就能解决闪变问题，外接的储能系统在调节过程中其功率动态应为毫秒级别。

1.2.2 在光伏电力系统中的应用

光伏发电就是指借助太阳能的电池原理，产生电势差，实现太阳能到电能的有效转化，这种转化的电能为直流电。储能系统在光伏电力系统中发挥的作用优势与风力发电场中相似，如果光伏发电系统中电池的实际输出功率出现波动，储能系统可以即刻运行，为光伏发电系统提供瞬时功率，保证系统可以平稳运行。由于储能电池的储能技术更加成熟一些，使用成本低且具有较大的能量密度，因此进行光伏发电的时候通常都会使用蓄电池作为光伏电力系统的储能装置。但是蓄电池的储能方式比较单一，存在一定的应用限制，电池续航时间不够长且电池功率有待提升。为此可以逐步升级，尝试混合型储能系统的应用。

1.2.3 在光热发电系统中的应用

光热发电与光伏发电的主要区别为光热发电是先进行太阳能的转化，将其转变成为热能之后，通过系统的热力循环，再将热能进行转换，最终转化成为电能。光热发电系统最终会转化成交流电。这种发电系统能够和传统发电模式有效结合，并且可适应当前电网的运行模式。因此可以并网使用。光伏发电过程中完成电能转化之后，系统中过剩的电能还要储存到系统的蓄电池当中。而光热发电站产生的主要能量不是光能而是热能，因此储存的能量形式与光伏发电不同，在实际发电过程中也需要借助储能设备进行电能储存，光热发电技术当前常见类型分别为塔式光热发电技术、碟式光热发电技术及槽式光热发电技术等。在理论上，光热发电过程中可以通过热能的储存实现全天不间断地持续供电，但是在光伏发电过程中暂时还不能实现这种理想发电状态。

1.3 能源电力系统中储能技术应用前景

当前新能源电力系统的应用范围逐渐扩大，为了满足新能源电力系统稳定运行、电能质量优化及电网调峰等实际需求，储能技术的应用非常必要。储能技术未来在新能源电力系统中的应用前景非常可观。想要解决新能源电力系统并网中的技术缺陷，必然要开发具有高能量密度和高功率的综合多元化电力储能系统，其中超级电容与储能电池的有机结合将成为多元化电力储能系统的主流研究方向，电力储能系统的协调控制能力提升和优化配置问题也是研究的重点。