0 引 言

儲(chǔ)能技術(shù)具有“削峰填谷”作用。在滿負(fù)荷生產(chǎn)下, 電力系統(tǒng)可將多余電力儲(chǔ)存起來,等到發(fā)電量處于低谷時(shí),又將相應(yīng)電力釋放出來,從而減少系統(tǒng)波動(dòng),保證電網(wǎng)正常運(yùn)行。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn),儲(chǔ)能技術(shù)在城市供水、軌道交通等各個(gè)行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的內(nèi)涵和特征

儲(chǔ)能技術(shù)包含電容和超導(dǎo)等多個(gè)組件,運(yùn)行時(shí)不僅將新能源轉(zhuǎn)換成電力,還要將其儲(chǔ)存在特定區(qū)域,以確保后續(xù)傳輸和電力轉(zhuǎn)換等一系列工作順利進(jìn)行。超導(dǎo)部件的功能就是利用超導(dǎo)線圈來高效儲(chǔ)存電力,然后按控制接口要求將這些能量轉(zhuǎn)化為電力,這種方法的運(yùn)用可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。另外,超級(jí)電容和飛輪也是一種很常用的能量儲(chǔ)存方式,其可將新能源能量轉(zhuǎn)化為更高功率電能,特別是超級(jí)電容相當(dāng)于一種巨大的電力儲(chǔ)存裝置,容量可達(dá)30 MJ。其基本運(yùn)行功率很大,可在峰值時(shí)段為用戶提供可靠電源,不過其在應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況下的電壓突然變化時(shí),仍無法達(dá)到預(yù)期要求,所以超級(jí)電容只能在比較平穩(wěn)的環(huán)境中使用,以防發(fā)生漏電損失等危險(xiǎn)狀況。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)使用場(chǎng)合,可將其劃分為:容量型、能源型、 動(dòng)力型和備用型。① 容量型儲(chǔ)能場(chǎng)景。電力系統(tǒng)通常需要持續(xù)儲(chǔ)能至少4 h,如削峰填谷、離網(wǎng)蓄能等。其中, 電容性儲(chǔ)能的主要類型有:抽水蓄能、壓縮空氣、冷儲(chǔ)熱、氫儲(chǔ)能碳、鈉硫電池、液流電池、鉛-碳電池等。 ② 功率型儲(chǔ)能場(chǎng)景。通常需要15~30 min的持續(xù)蓄能時(shí)間,在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)及電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行等場(chǎng)合,此類蓄能裝置可滿足電網(wǎng)迅速變化的需求。③ 能量型儲(chǔ)能場(chǎng)景。 通常需持續(xù)1~2 h的儲(chǔ)能,其可滿足獨(dú)立儲(chǔ)能電站、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、0.5 C/1 C的磷酸鐵鋰電池等多種組合使用場(chǎng)景。 ④ 備用型儲(chǔ)能場(chǎng)景。儲(chǔ)能時(shí)間通常不少于15 min,以滿足信息中心、通信基站等應(yīng)急供電需求。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

3.1 風(fēng)力發(fā)電中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)某一區(qū)域有大量風(fēng)電機(jī)組時(shí),為改善風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電品質(zhì),降低其低壓跨越成為當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)面臨的首要問題。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù),既可保證供電需求,又可將過剩電能吸納并儲(chǔ)存,從而既不損害風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,又可增強(qiáng)其電壓跨越性,且可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)整,并及時(shí)作出反應(yīng),保證電力系統(tǒng)安全、 穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 光伏電站的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

(1)光伏脫網(wǎng)技術(shù)。在太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域,最常見的是分布式光伏發(fā)電技術(shù),該技術(shù)由光伏組件、控制器和蓄電池組成。在電池充放電過程中,由太陽能電池模塊將輸出的直流電能儲(chǔ)存到電池內(nèi),而當(dāng)其釋放時(shí),通過逆變器及放電控制電路將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電源,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的供電。早期離網(wǎng)系統(tǒng)所使用的電池多為鉛酸鹽型,其中以家用離網(wǎng)系統(tǒng)、光伏路燈為最多。

(2) 太陽能微電網(wǎng)。光伏微網(wǎng)作為一種新型的分布式電源,主要用于家庭、小企業(yè)等,它既具有獨(dú)立的供電能力,又具有獨(dú)立的接入能力,當(dāng)大電網(wǎng)斷網(wǎng)后,可將其從并網(wǎng)過渡到孤島,以實(shí)現(xiàn)順利切換。

(3) 配備儲(chǔ)能的大規(guī)模光伏發(fā)電裝置。針對(duì)大規(guī)模光伏發(fā)電項(xiàng)目,將蓄能裝置設(shè)置在電廠交流端,以滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。我國多個(gè)省份已明確規(guī)定,大規(guī)模的地表光伏電站應(yīng)配備蓄能裝置,其容量與蓄能裝置的容量為10∶1,且蓄能裝置的充電量不少于2 h。

3.3 物理儲(chǔ)能技術(shù)

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能3種。抽水蓄能利用峰谷電價(jià)差來儲(chǔ)存電能, 是目前應(yīng)用最為廣泛的大型儲(chǔ)能技術(shù)。其工作原理是: 在水流的上游和下游分別建設(shè)一座蓄水池,在用電低谷時(shí)段,驅(qū)動(dòng)電機(jī)將下游蓄水池的水泵送到上游蓄水池進(jìn)行儲(chǔ)存;在用電高峰時(shí)段,釋放上游蓄水池的水能,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,從而滿足高峰時(shí)段的用電需求。而壓縮空氣蓄能技術(shù)則可在電網(wǎng)負(fù)載低谷時(shí),利用電能對(duì)空氣進(jìn)行壓縮,將其以高壓密閉形式儲(chǔ)能于廢棄礦井、儲(chǔ)氣罐、廢棄油井或儲(chǔ)氣井中,在電網(wǎng)負(fù)載峰值時(shí),又將被壓縮的氣體放出,進(jìn)而帶動(dòng)渦輪發(fā)電。壓縮空氣蓄能技術(shù)響應(yīng)速度快,利用效率高,可實(shí)現(xiàn)約75%的電能轉(zhuǎn)化率,是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮膬?chǔ)能技術(shù)。

3.4 相變儲(chǔ)能技術(shù)

在新能源電網(wǎng)中,相變儲(chǔ)能是一種重要的儲(chǔ)能方式, 與之相關(guān)的相變蓄熱技術(shù)主要有電蓄熱、冰蓄冷和熔鹽儲(chǔ)熱等。其中,冰蓄冷是指利用一定的制冷媒體來調(diào)控電能,以降低高峰用電負(fù)荷。熔鹽蓄熱是通過將鹽類溶液中的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài),再通過熱循環(huán)方式進(jìn)行換熱蓄熱,該方式不僅換熱效果好,且耐腐蝕性強(qiáng)。電儲(chǔ)熱技術(shù)是指利用金屬或水作為媒體,便于散熱與儲(chǔ)存,可極大提高能量轉(zhuǎn)換效率。

3.5 分布式混合能源系統(tǒng)

分布式混合能源系統(tǒng)通過充分利用各類新能源優(yōu)勢(shì), 將其與儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行融合,可克服單個(gè)能量供應(yīng)不穩(wěn)定問題,進(jìn)而提高電網(wǎng)整體運(yùn)行效率與品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上, 通過對(duì)負(fù)載均衡進(jìn)行高效調(diào)控,充分發(fā)揮功率器件作用, 從而提升分布式混合能源系統(tǒng)在自主與接入兩種條件下的穩(wěn)定與可靠度,保障供電品質(zhì)。

4 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

4.1 電網(wǎng)側(cè)

儲(chǔ)能裝置的引入能夠有效增強(qiáng)電力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)峰容量, 減輕用電峰值時(shí)的供電壓力,達(dá)到削峰填谷、平穩(wěn)配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載波動(dòng)、確保電力供應(yīng)安全性和可靠性的效果。利用靈活性高和響應(yīng)速度快的無功補(bǔ)償裝置,在有功發(fā)生大幅變化時(shí),利用蓄能裝置進(jìn)行調(diào)節(jié),可保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性,增加網(wǎng)側(cè)新能源消納量。隨著新能源大量進(jìn)入電網(wǎng),電網(wǎng)側(cè)將覆蓋更多微電網(wǎng)和有源配電網(wǎng)絡(luò), 微電網(wǎng)中風(fēng)、光等新能源的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重沖擊,為此在微電網(wǎng)中引入儲(chǔ)能裝置,既能保持微電網(wǎng)能源均衡,又能緩解棄風(fēng)棄光等問題。有源配電網(wǎng)絡(luò)由風(fēng)光等分布式電源、可控負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能等組成,其能主動(dòng)參與系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)控和管理,進(jìn)而提升分布式新能源的接入容量。

4.2 光伏并網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的合理運(yùn)用

儲(chǔ)能是解決光伏電站瞬態(tài)電源平衡的一種有效方法。 實(shí)踐中采用無源并聯(lián)儲(chǔ)能技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電,達(dá)到抑制光伏電源負(fù)載變化的目的。超級(jí)電容-蓄能復(fù)合儲(chǔ)能在新能源電網(wǎng)中極具發(fā)展前景,是儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。要想進(jìn)一步提高我國電力供應(yīng)的品質(zhì)和穩(wěn)定性,就必須對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能體系進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),使得電力波動(dòng)更為平穩(wěn)。此外,出于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)考慮,還需進(jìn)一步強(qiáng)化現(xiàn)有儲(chǔ)能體系的內(nèi)部容量, 以適應(yīng)國內(nèi)新能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)能量存儲(chǔ)的實(shí)際需求。

4.3 風(fēng)能電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的合理運(yùn)用

電能實(shí)時(shí)平衡對(duì)新能源電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

采用蓄能技術(shù),能夠在某種范圍內(nèi)對(duì)電網(wǎng)的有功與無功進(jìn)行合理配置,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的暫態(tài)平衡,維護(hù)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。為保證風(fēng)電機(jī)組的電壓穩(wěn)定性,采用儲(chǔ)能方法能有效克服風(fēng)力發(fā)電過程中出現(xiàn)的各種故障,如風(fēng)力發(fā)電、輸電線路等的故障。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí),利用蓄能裝置,使風(fēng)電機(jī)組安全可靠地工作;在有風(fēng)速擾動(dòng)時(shí), 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)亦可獲得較好的穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電功率可控性差是限制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題,采用蓄能可使風(fēng)力發(fā)電功率平穩(wěn)增長,進(jìn)而提升風(fēng)力發(fā)電能力。在抑制風(fēng)力發(fā)電的同時(shí),采用串聯(lián)并聯(lián)的超級(jí)電容器蓄能技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié),能有效改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。此外,還可將飛輪蓄能單元并聯(lián)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)中,以對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行模糊控制,保障風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)語

新能源發(fā)電在我國迅速發(fā)展,但其自身缺陷制約著它的持續(xù)發(fā)展。新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置尚無法實(shí)現(xiàn)大容量、大功率輸出,所以各國都在開展新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)研究,這一技術(shù)目前尚處起步階段, 但它有著巨大的發(fā)展空間。比如,通過將風(fēng)力和風(fēng)能等新能源的電能以高壓燃?xì)庑问絻?chǔ)存起來,以達(dá)到循環(huán)再利用的目的;采用鋰離子蓄電池進(jìn)行電能儲(chǔ)存是一種新型儲(chǔ)能方式,在汽車等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。