儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景初探

國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司 王 瑞

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展及其在新能源領(lǐng)域的深入應(yīng)用，儲能技術(shù)作為一種能使電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定高效的技術(shù)，開始被廣泛應(yīng)用。儲能技術(shù)不僅提高了電網(wǎng)對新能源的適應(yīng)性，而且提高了能源質(zhì)量，這對電力系統(tǒng)儲能和資源節(jié)約非常有利。但由于我國存儲技術(shù)起步緩慢，尚未在各個領(lǐng)域發(fā)揮出最大價值，目前仍在不斷探索中。作為一個新興產(chǎn)業(yè)，儲能技術(shù)需要不斷改進和創(chuàng)新，而降低成本、加強環(huán)保和資源再利用是儲能創(chuàng)新的核心。因此，電力企業(yè)應(yīng)該加強對各種儲能技術(shù)的應(yīng)用，更好地促進經(jīng)濟發(fā)展。

2 儲能技術(shù)的主要類型

2.1 機械儲能技術(shù)

常見的機械儲能技術(shù)主要分為以下幾類：一是抽水蓄能。抽水儲能是把能量以勢能的形式儲存，當(dāng)需要利用能源時，勢能被轉(zhuǎn)換成電能。該技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)，其特點是儲能容量較大。目前，該技術(shù)相對成熟，主要適用于平衡電力供應(yīng)，唯一的缺點是機組建設(shè)周期長，初期投資較大。二是壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能的概念于1949年在國外首次提出，經(jīng)過不斷的探索和研究，壓縮空氣儲能終于形成。這種儲能技術(shù)工作效率高，單體儲能規(guī)模大，適合長期穩(wěn)定地高效儲能。當(dāng)前，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，中國在這一領(lǐng)域的應(yīng)用可能性很高，避免了許多技術(shù)問題。三是飛輪儲能。飛輪儲能技術(shù)可以將電能轉(zhuǎn)換為動能，具有功率強、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。從環(huán)保角度來看，飛輪儲能具有明顯的優(yōu)勢，是目前推薦的環(huán)保儲能方式，而且可以促使電力系統(tǒng)朝著可持續(xù)的方向健康發(fā)展。

2.2 電磁場儲能技術(shù)

電磁場存儲技術(shù)可分為超導(dǎo)磁鐵存儲系統(tǒng)和超級電容存儲系統(tǒng)。一是超導(dǎo)體磁存儲技術(shù)。超導(dǎo)體磁存儲技術(shù)使用超導(dǎo)體線圈來存儲電磁能量，具有響應(yīng)速度快、存儲密度高的特點。由于超導(dǎo)磁存儲裝置的成本相對較高，且在運行過程中會產(chǎn)生強磁場，因此該存儲方法的使用容易受到限制。根據(jù)超導(dǎo)體的特性，其電阻基本為零，儲存壽命相對較長。此外，超導(dǎo)磁儲能裝置的能量回饋率也很高，能量可以快速釋放，可以在一定程度上有效地控制電網(wǎng)的電壓波動，進一步保證整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。二是超級電容器。超級電容器主要采用電解質(zhì)進行充放電，具有使用壽命長、響應(yīng)快等特點。在實際應(yīng)用中，這種存儲形式的能量密度相對較低，且電阻電壓水平不是很高，因此其應(yīng)用易受到限制。能量主要通過電解質(zhì)儲存，這種電解液通常由特殊材料制成。對于普通電容器，由特殊材料制成的電解液的電阻電壓性能得到改善。

2.3 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能技術(shù)主要使用電池來完成儲存和釋放電力的過程。但在具體應(yīng)用中，這種儲能技術(shù)的安全性和穩(wěn)定性較低，鉛離子電池的循環(huán)壽命較短，在使用過程中會造成環(huán)境污染。但這種儲能技術(shù)也有相應(yīng)的優(yōu)點，例如電化學(xué)存儲技術(shù)的安裝更加靈活，響應(yīng)速度更快，在實踐中，電化學(xué)存儲可以根據(jù)情況優(yōu)化資源分配。目前，電化學(xué)儲能還沒有得到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)電力系統(tǒng)相對分散時，主要與小容量儲能裝置結(jié)合使用。

3 當(dāng)前各種儲能電池的技術(shù)難點

分析表明，鋰離子電池在電化學(xué)儲能領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。鋰離子電池的正負極為鋰合金或鋰合金材料，采用非水電解質(zhì)溶液，主要由正負極、隔板和電解液組成。目前，鋰離子電池發(fā)展面臨的問題是如何有效解決鋰離子電池的安全性、充放電速度、耐久性和能量密度等問題，如果這些問題得不到有效解決，鋰離子電池的發(fā)展將會遇到瓶頸。不僅鋰離子電池，其他類型的電池也有廣闊的發(fā)展空間。例如，在歐洲和日本市場，鈉硫電池的價格相對較高，鈉硫電池能量密度高，成本低，但運行條件高，總投資高，必須緊急解決安全和經(jīng)濟問題。

儲氫技術(shù)是在化學(xué)儲氫技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但現(xiàn)階段在一些國家非常普遍，但仍處于初步發(fā)展階段。物理儲能技術(shù)包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容儲能等。與太陽能、風(fēng)能儲能相比，壓縮空氣儲能技術(shù)在多媒體能源領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，空氣相對穩(wěn)定，易于使用。同時，壓縮空氣儲存技術(shù)是一種環(huán)保技術(shù)，對環(huán)境無害，非常安全，然而，嚴格的地理條件和高昂的建設(shè)成本限制了這項技術(shù)的發(fā)展。飛輪儲能技術(shù)可以提高電力系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和靈活性，雖然儲能對可再生能源的影響尤為明顯，但這項技術(shù)在我國尚未普及，需要深入研究的成熟產(chǎn)品也很少。根據(jù)各種研究數(shù)據(jù)，超級電容器和超級電容儲能器這兩種技術(shù)具有效率高、響應(yīng)快的優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中，由于原材料和研發(fā)技術(shù)的限制，一些技術(shù)問題沒有得到有效解決，影響了它們的開發(fā)和應(yīng)用。

4 儲能技術(shù)的作用與優(yōu)勢

4.1 使電力得以儲存

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是動態(tài)平衡的，當(dāng)想要使用時，就可以進行放電。這種供電方式越來越不適合當(dāng)今社會的發(fā)展和需求。新的儲能技術(shù)使系統(tǒng)進入連續(xù)運行狀態(tài)并儲存能量，使得發(fā)電和放電不再互相牽制。儲能技術(shù)可以被視為一項根本性的改革，儲能技術(shù)在能源管理中的應(yīng)用，使配電更加合理，在一定程度上緩解了高峰用電帶來的用電困難。

4.2 使能源便于調(diào)控

傳統(tǒng)能源在使用過程中容易造成嚴重污染和環(huán)境破壞，這使得許多新能源正在逐漸被使用，其中最具代表性的是太陽能和風(fēng)能。新能源可以提高電力系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量，但過于依賴自然資源。例如，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，如何在沒有風(fēng)力的情況下進行發(fā)電，一直以來是難以解決的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活中充滿了許多科技產(chǎn)品和服務(wù)，這不可避免地加劇了對電力的需求。電力關(guān)系到許多行業(yè)的正常運行，在各種復(fù)雜因素的影響下，人們的電力需求在不同時期會表現(xiàn)出一定的差異。從這個角度來看，單靠穩(wěn)定的電力生產(chǎn)無法實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，滿足差異化的生產(chǎn)和生活需求。在應(yīng)用儲能技術(shù)后，新能源的不連續(xù)性可以得到徹底解決，使得電網(wǎng)運行平穩(wěn)，能源得到合理控制，新能源的價值得到充分體現(xiàn)。

4.3 提高電能質(zhì)量和輸電能力

存儲技術(shù)的應(yīng)用在容量相同的情況下，可以利用及時調(diào)整的特點，使電力系統(tǒng)達到最佳的運行效果。隨著飛輪技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在負荷中心采用削峰、削谷，從而降低電網(wǎng)運行成本，具有設(shè)計簡單、調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)點。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，發(fā)電和電網(wǎng)負荷必須動態(tài)平衡。隨著儲能技術(shù)的應(yīng)用，電能可以從最初的即用轉(zhuǎn)變?yōu)閮δ艿奈锲贰?/p>

4.4 調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)功率

當(dāng)進行大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電時，間歇性和可變性將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用儲能技術(shù)，可以對發(fā)電系統(tǒng)的功率進行調(diào)節(jié)，以改善這些問題。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)的運行功率低于輸出功率時，儲能設(shè)施可以發(fā)送“輸出”功率。相反，當(dāng)電源系統(tǒng)的工作功率高于輸出功率時，技術(shù)儲能系統(tǒng)可以“吸收”功率。這樣儲能技術(shù)可以起到很好的調(diào)節(jié)作用，有效解決接入風(fēng)能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)所帶來的各種問題。

4.5 滿足多樣化電能需求

隨著生活質(zhì)量的提高，人們對電力的需求越來越大，在這個過程中，必須考慮電氣系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)和分配系統(tǒng)已經(jīng)落后，不能滿足新時代的生產(chǎn)和生活需求。此時，相關(guān)部門必須積極開發(fā)風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等新的發(fā)電方式，提高新能源的開發(fā)能力，并考慮如何優(yōu)化和升級儲能設(shè)備。在優(yōu)化更新儲能技術(shù)的過程中，關(guān)鍵是提高電網(wǎng)的兼容性，讓電網(wǎng)吸收更多的風(fēng)能和太陽能，使電力系統(tǒng)具有更強的儲能和供電效果，更好地滿足各個行業(yè)的能源需求，緩解各行業(yè)對新一代能源的強勁需求。

5 儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

5.1 發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，電池儲能技術(shù)主要用于大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)，采用專業(yè)化的工作模式，設(shè)定固定的計算目標(biāo)，完成產(chǎn)能分配。儲能技術(shù)對大規(guī)模風(fēng)能發(fā)電的作用是顯而易見的，如果高于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，實際儲能時間將更短，儲能利用率將更高[1]。目前，在推動轉(zhuǎn)換器的幫助下，電池儲能技術(shù)得到了有效地利用[2]。長期以來，我國的電力系統(tǒng)一直由火力發(fā)電控制，燃煤發(fā)電會造成特定環(huán)境的污染，風(fēng)能發(fā)電的出現(xiàn)有效地解決了這個問題。然而，盡管可再生能源可以緩解目前能源短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀，但這種能源生產(chǎn)模式存在一些缺點，如穩(wěn)定性低、缺乏可持續(xù)性。以廣泛使用的風(fēng)能為例，風(fēng)力是這種發(fā)電的基礎(chǔ)，對發(fā)電的效果影響很大，同時風(fēng)速的變化是不確定的，這都會對風(fēng)力發(fā)電造成影響，使得風(fēng)力發(fā)電機組的運行表現(xiàn)出波動性和不連續(xù)性的特點。

5.2 在電能運輸中的應(yīng)用

電力企業(yè)加強儲能技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高電力系統(tǒng)的供電效率。同時，還可以加快實際輸電的運行速度，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，更好地存儲能源、減少額外的功率損耗，并保持電池電量處于良好的傳輸狀態(tài)。

5.3 在變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用

電化學(xué)儲能系統(tǒng)可以在電力系統(tǒng)的配電中起到較強的輔助作用，可以根據(jù)需要提供備用電源[3]。事實上，電池存儲可以減少實際的電力維護時間，并將能源管理減少到6h以下，這使得電力設(shè)備的運行更加穩(wěn)定。

6 儲能技術(shù)的發(fā)展前景

儲能技術(shù)不僅能提高電網(wǎng)對新能源的適應(yīng)性，還能提高運行效果，節(jié)約能源。因此，相關(guān)單位有必要提高儲能技術(shù)的應(yīng)用。新能源應(yīng)用是當(dāng)前電力系統(tǒng)運行的核心，其儲能效率在一定程度上取決于儲能技術(shù)的發(fā)展。以下對存儲技術(shù)各部分的發(fā)展前景進行分析和討論。

6.1 儲能技術(shù)的應(yīng)用趨勢

當(dāng)前，傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，并且傳統(tǒng)能源的使用會對環(huán)境造成嚴重破壞，所以新能源正在逐步取代傳統(tǒng)能源，儲能技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。與此同時，風(fēng)能、太陽能等可再生清潔新能源的儲存已成為能源行業(yè)關(guān)注的焦點，這也使得儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍正在擴大，儲能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展勢在必行。為了保證能源的可持續(xù)利用，滿足國家經(jīng)濟發(fā)展的需要，應(yīng)加大對可再生資源開發(fā)利用的研究和資金投入，實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和多元化發(fā)展。在穩(wěn)定性方面，這些新能源在發(fā)電方面容易受到自然因素的影響，在運行過程中會有一些變化和中斷。但是在設(shè)備容量和年能源產(chǎn)出方面，中國的數(shù)據(jù)遠高于其他鄰國，這與全國人口密切相關(guān)，傳統(tǒng)能源被淘汰后，將會減小對環(huán)境質(zhì)量的影響。此外，在新能源中儲存可再生和清潔能源也是能源部門的一項重要工作內(nèi)容。因此，在今后的工作中，有關(guān)人員應(yīng)加強儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用，儲存新能源，進一步升級電力系統(tǒng)，提高電力系統(tǒng)的運行效率。

6.2 儲能技術(shù)的技術(shù)水平

儲能技術(shù)的水平是否合格，決定了該技術(shù)能否廣泛應(yīng)用和推廣。其中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備壽命是影響儲能系統(tǒng)總運行成本的兩個關(guān)鍵因素。目前，機械儲能技術(shù)和電磁儲能技術(shù)都處于較高的發(fā)展水平，但如何同時提高這兩種技術(shù)的應(yīng)用效果仍然是一個有待研究和探索的內(nèi)容。兩個最重要的決定因素包括轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備利用率，目前機械儲能和電磁場儲能已得到廣泛應(yīng)用。此外，在使用過程中，有必要考慮儲能設(shè)備的尺寸和質(zhì)量，進一步研究什么樣的儲能技術(shù)應(yīng)該在什么樣的工作環(huán)境下使用。然而，簡而言之，進一步加強儲能技術(shù)的前景令人印象深刻。

6.3 儲能技術(shù)的經(jīng)濟成本

目前，僅從存儲技術(shù)的成本來看，儲能技術(shù)已經(jīng)難以滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。電力企業(yè)在計算運營成本時，除了計算存儲設(shè)施的成本外，還需要注意大規(guī)模存儲技術(shù)的維護成本。為了使存儲技術(shù)更加高效，相關(guān)人員應(yīng)該對存儲技術(shù)進行不斷研究和改進，以免影響電力系統(tǒng)的運行效率。降低成本和提高生產(chǎn)利潤是目前需要探索和考慮的問題。同時，不同的存儲技術(shù)有各自的優(yōu)勢和適用范圍，如何盡可能降低成本，獲得更大的經(jīng)濟效益一直是電力研究的重點。為了降低儲能技術(shù)的經(jīng)濟成本，相關(guān)單位可以通過讓有能力的專家加強儲能技術(shù)的研究，提高儲能技術(shù)的應(yīng)用效果，充分推廣該技術(shù)的使用。

總之，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。儲能技術(shù)可以使電力系統(tǒng)的儲能和控制變得更加容易，并且儲能技術(shù)具有高效儲能和易于控制的特點，有著很高的使用價值。因此，為促進我國儲能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有必要加快儲能技術(shù)的發(fā)展。