儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用初探

黃興業(yè)

摘要：電力儲(chǔ)能技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的重要產(chǎn)物，是電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)升級(jí)過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。儲(chǔ)能研究及技術(shù)應(yīng)用在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下具有重要意義，通過(guò)采用科學(xué)合理的儲(chǔ)能技術(shù)，有效解決分布式能源間歇性與波動(dòng)性問(wèn)題，全面提升電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完善性，對(duì)推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新具有重要作用。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，我國(guó)當(dāng)前采用的電力儲(chǔ)能技術(shù)還存在一定問(wèn)題，技術(shù)水平較為落后，尚不能滿足實(shí)際發(fā)展需求，因此必須加強(qiáng)電力儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)研究，使其能夠?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供助力。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù);新能源;電力系統(tǒng);應(yīng)用

1常見儲(chǔ)能方式

電能可以進(jìn)行諸如動(dòng)能、勢(shì)能、熱能、磁能以及化學(xué)能等多種形式轉(zhuǎn)換，因此儲(chǔ)能類型多樣，基本可概括為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能以及相變儲(chǔ)能等4種類型。目前，應(yīng)用于新能源電力系統(tǒng)的主要有蓄水池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能以及超導(dǎo)儲(chǔ)能等6種方式。

在這些儲(chǔ)能方式中，蓄水池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能均屬于物理儲(chǔ)能形式，其中蓄水池儲(chǔ)能技術(shù)是最成熟的，儲(chǔ)能容量可做到幾千兆瓦特以上，高壩水電站是常見應(yīng)用方式，缺點(diǎn)是受地域情況限制大，難以大規(guī)模應(yīng)用;飛輪儲(chǔ)能利用高速旋轉(zhuǎn)體儲(chǔ)存能量，不受地域限制，幾乎不需要維護(hù)，缺點(diǎn)是受材料限制大，儲(chǔ)能密度低;壓縮空氣儲(chǔ)能是較具潛力的一種儲(chǔ)能形式，主要利用壓縮空氣的膨脹勢(shì)能做功發(fā)電，可大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用，缺點(diǎn)是受地質(zhì)和環(huán)境影響大。電池儲(chǔ)能屬于化學(xué)儲(chǔ)能形式，因制造和維護(hù)成本低廉而在當(dāng)今社會(huì)得到廣泛應(yīng)用，鋰電池和鉛酸蓄電池是最常見的，可以簡(jiǎn)單并組實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，缺點(diǎn)是壽命較短，此外，還有鈉流電池、液流電池等形式，其中液流電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能潛力較大。超級(jí)電容器儲(chǔ)能則是介于化學(xué)電池和電容器之間的一種新型儲(chǔ)能形式，依照電化學(xué)雙電層理論開發(fā)，充放電循環(huán)次數(shù)長(zhǎng)、無(wú)需維護(hù)，是一種實(shí)用、高效、環(huán)保的儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能主要是利用超導(dǎo)線圈將電能以電磁能形式儲(chǔ)存，因其零電阻特性，能量幾乎可以無(wú)損耗存儲(chǔ)。

2電力儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的作用

2.1提高電能質(zhì)量和輸電能力

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以滿足基本需求。利用及時(shí)調(diào)整的特性，可以在相同容量條件下獲得最佳的調(diào)整效果。隨著飛輪技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以在負(fù)荷中心采用削峰、削谷，從而降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，更加經(jīng)濟(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，發(fā)電和電網(wǎng)負(fù)荷需要處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，具體來(lái)說(shuō)，即發(fā)電即用，整個(gè)過(guò)程中不存在蓄電問(wèn)題。然而，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這種生產(chǎn)電能、保持供用電平衡的供電方式已經(jīng)不適應(yīng)新形勢(shì)的要求。通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，電能可以從原來(lái)的即用變成可以儲(chǔ)存的物品。同時(shí)，其相變儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靈活調(diào)整，易于使用和管理，包括電蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)和冰蓄熱技術(shù)。

2.2改善能源貿(mào)易自由

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，能源交易模式發(fā)生了巨大變化，能源市場(chǎng)化程度不斷提高，更多的能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者參與多元化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，可以提高我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前的能源交易市場(chǎng)仍存在一些局限性，主要集中在能源儲(chǔ)存方面。通過(guò)加強(qiáng)電能存儲(chǔ)技術(shù)研究，提升電能存儲(chǔ)技術(shù)，可以增強(qiáng)電能生產(chǎn)者和消費(fèi)者在市場(chǎng)中的主導(dǎo)地位，使生產(chǎn)者和消費(fèi)者在參與電能市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的角色相互轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化當(dāng)前能源交易市場(chǎng)的布局和模式，對(duì)提高能源利用率起到關(guān)鍵作用。能源交易和一般商品交易有本質(zhì)區(qū)別。由于能源的特殊性，需要儲(chǔ)能技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的載體。因此，通過(guò)電能存儲(chǔ)技術(shù)，可以顯著提高能源交易的自由度。

2.3提高能源交易自由度

對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)能源交易方式無(wú)法滿足工作要求，能源生產(chǎn)者及消費(fèi)者均是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的參與者，并且兩者是交易的主體，角色可進(jìn)行互換[8]。能源交易市場(chǎng)不僅需要保證能源在局部區(qū)域的合理分配，還需要在廣域范圍內(nèi)具有一定的效率，確保電能和其他一系列能源共同構(gòu)成高效、科學(xué)合理的格局。對(duì)大型能源供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，通過(guò)大規(guī)模儲(chǔ)能庫(kù)存的性能，滿足市場(chǎng)價(jià)格趨勢(shì)，保證資源的合理分配和規(guī)劃。并且分布式儲(chǔ)能與能源生產(chǎn)的存在使用戶和供應(yīng)商之間傳統(tǒng)的供需關(guān)系得以改善，保證用戶具備自由選擇的權(quán)利，可以參與到市場(chǎng)中，也可以退出市場(chǎng)。通常情況下，外部能源供給成本越高，用戶脫網(wǎng)的情況就越嚴(yán)重，而外部能源供給成本越低，用戶并網(wǎng)的趨勢(shì)越明顯。儲(chǔ)能也提高了用戶參加能源交易的可能性，用戶可以結(jié)合自身實(shí)際要求和生產(chǎn)能力、儲(chǔ)能配置，向市場(chǎng)發(fā)出制定的需求，以生產(chǎn)者的角色為市場(chǎng)提供能源，基于市場(chǎng)機(jī)制，儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)具有重要作用。

3能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

3.1超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（HTS-FESS）主要由超導(dǎo)磁懸浮軸承（SMB）、飛輪轉(zhuǎn)子、電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換裝置以及保護(hù)系統(tǒng)等5部分組成。其中SMB是超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，由高溫超導(dǎo)塊材作為定子和永磁體作為轉(zhuǎn)子構(gòu)成，主要利用在液氮低溫環(huán)境下，超導(dǎo)體的完全抗磁性和磁通釘扎力，使永磁體穩(wěn)定懸浮，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)阻旋轉(zhuǎn)，低至機(jī)械軸承摩擦力的10-4。按超導(dǎo)塊材與永磁體的放置狀態(tài)，可分為軸向型和徑向型兩種。軸向型SMB永磁體懸浮力方向與轉(zhuǎn)子軸向一致，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作的優(yōu)點(diǎn)，但承載能力取決于定子截面積;而徑向型SMB因磁體懸浮力方向與轉(zhuǎn)子徑向一致，具有結(jié)構(gòu)緊湊且僅以通過(guò)軸向增加超導(dǎo)塊材方式即可提高承載能力的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)超導(dǎo)塊材及永磁體性能的均勻性要求較高。

飛輪轉(zhuǎn)子因上萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)而承受更大的離心力，因此高強(qiáng)度、低密度材料是理想選擇。另外實(shí)驗(yàn)也證明了碳素纖維飛輪轉(zhuǎn)子最大可承受超過(guò)103m/s的線速度，可見碳素纖維材料性能最佳。電動(dòng)機(jī)是超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)必不可少的動(dòng)力部件，起到能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用。儲(chǔ)能時(shí)，系統(tǒng)為電動(dòng)運(yùn)行，飛輪加速;釋能時(shí)，系統(tǒng)為發(fā)電運(yùn)行，飛輪減速。目前，理想的電機(jī)選擇為永磁電機(jī)，其效率高、轉(zhuǎn)速快，已在超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。功率轉(zhuǎn)換裝置主要是為了實(shí)現(xiàn)電能穩(wěn)定的存儲(chǔ)和釋放，在電網(wǎng)側(cè)裝設(shè)的電力裝置，多采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結(jié)合微處理器進(jìn)行功率調(diào)控，快速實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。保護(hù)裝置主要根據(jù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置常規(guī)運(yùn)行參數(shù)如電壓、電流、溫度以及液體的溫度液面等做出的系統(tǒng)電控保護(hù)，此外，還會(huì)裝設(shè)高強(qiáng)度透明真空玻璃罩，來(lái)觀察高離心力快速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子狀態(tài)，以防止爆裂等安全問(wèn)題。

3.2大容量?jī)?chǔ)能和新能源協(xié)同技術(shù)

在新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的背景下，如何高效利用新能源發(fā)電是目前需要考慮的主要內(nèi)容，因此需要采取相應(yīng)的策略來(lái)解決新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性問(wèn)題。新能源在電網(wǎng)中起著關(guān)鍵作用，儲(chǔ)能技術(shù)是提高新能源發(fā)電穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要基礎(chǔ)技術(shù)。利用電力儲(chǔ)能技術(shù)可以有效地解決許多問(wèn)題。通過(guò)合理規(guī)劃大容量?jī)?chǔ)能，選擇相應(yīng)的大容量?jī)?chǔ)能，綜合優(yōu)化儲(chǔ)能布局和容量配置，在多個(gè)電力資源相互協(xié)作的前提下，全面提高可再生能源的利用率。新能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度技術(shù)需要優(yōu)化電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)峰和調(diào)頻，以更好地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)新能源儲(chǔ)能技術(shù)多功能發(fā)展規(guī)劃。在建設(shè)過(guò)程中，要引入智能技術(shù)，利用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，將智能技術(shù)與新能源儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，豐富操作系統(tǒng)的功能。例如，在電網(wǎng)建設(shè)中，利用CAD可視化技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工控制模式，全面降低儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)行控制工作量，全面提高運(yùn)行管理效率，提高運(yùn)行控制精度，確保新能源供電的穩(wěn)定性和安全性，使儲(chǔ)能技術(shù)的控制系統(tǒng)更加智能化信息化是儲(chǔ)能技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3.3集成化、模塊化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，電力工程的自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，電力儲(chǔ)能技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)逐步向集成化、模塊化方向發(fā)展。電力儲(chǔ)能技術(shù)的模塊化、集成化發(fā)展需要與現(xiàn)代智能技術(shù)相結(jié)合，形成功能完善的模塊，統(tǒng)一多種發(fā)電方式，全面提高系統(tǒng)控制效果，提高電力儲(chǔ)能技術(shù)和電力系統(tǒng)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化，集成多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)綜合控制的目標(biāo)，同時(shí)，與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合可以提高電力儲(chǔ)能的運(yùn)行管理效率。與傳統(tǒng)的管理模式相比，集成化、模塊化的管理模式可以促進(jìn)電力儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新。

結(jié)論

綜上所述，筆者全面闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念，并論述了電力儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的意義，同時(shí)提出當(dāng)前電力儲(chǔ)能技術(shù)的主要發(fā)展成果，最后對(duì)電力儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展作出展望，希望能夠?qū)ξ覈?guó)能源戰(zhàn)略發(fā)展起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平。

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