摘 要

　　近年來可再生能源已成為發(fā)展最快的能源種類，據(jù)相關(guān)報告預估2050年可再生能源占全部電力的比重將超過50%，其中光伏、風電等分布式能源發(fā)電技術(shù)、以及將不同能源整合的綜合解決方案，將在能源結(jié)構(gòu)占據(jù)主要地位。本文從分布式電源并網(wǎng)應用的角度，討論了儲能技術(shù)的應用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。

0 引 言

分布式電源分散多點布置,靠近需求中心,能夠促進可再生能源高效利用,成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢[1]。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和國家相關(guān)政策的引導支持,分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率將逐步提高。然而,由于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的電壓等級低,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱,調(diào)節(jié)能力不足,高滲透率光伏、風電等分布式電源的間歇性和波動性使配電網(wǎng)的電壓、功率以及頻率波動更為劇烈,嚴重降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和運行安全可靠性[2]。分布式電源并網(wǎng)使傳統(tǒng)的無源配電網(wǎng)發(fā)展過渡為有源配電網(wǎng),改變了系統(tǒng)的潮流流向,出現(xiàn)功率逆向傳輸,這顛覆了現(xiàn)有輻射狀配電網(wǎng)的理論基礎(chǔ),對配電網(wǎng)的保護設施提出巨大挑戰(zhàn)。伴隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級,現(xiàn)有的配變電設備容量將無法滿足日益增加的高負荷需求,先進制造、金融系統(tǒng)等高新技術(shù)行業(yè)也對供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求[3]。

儲能技術(shù)是可再生能源接入、分布式發(fā)電以及智能電網(wǎng)發(fā)展必不可少的支撐技術(shù),不僅有效平滑功率波動、消除峰谷差、實現(xiàn)需求側(cè)管理,還可提高電力設備運行效率、降低供電成本,成為提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和可靠性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。此外儲能技術(shù)還可以協(xié)助電力系統(tǒng)故障重啟與快速恢復,提高系統(tǒng)的自愈能力[4-6]。利用儲能系統(tǒng)的雙向功率特性和靈活調(diào)節(jié)能力,可以有效解決可再生能源并網(wǎng)帶來的一系列問題,從而提高系統(tǒng)對分布式電源的接納能力,優(yōu)化電網(wǎng)資源配置,提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率[2]。

本文歸納了不同類型儲能技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)儲能在可再生能源并網(wǎng)應用的研究現(xiàn)狀和示范工程,并提出儲能是促進分布式電源并網(wǎng)應用、提高就地消納能力、實現(xiàn)分布式電源匯聚效應的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 儲能技術(shù)的特點以及發(fā)展現(xiàn)狀

儲能按照能量存儲形態(tài),可分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能。其中,機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能;電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能;電化學儲能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能;相變儲能包括冰蓄冷儲能等[4]。

1.1 機械儲能

(1) 抽水蓄能。抽水蓄能是目前發(fā)展最成熟的儲能技術(shù)。抽水蓄能電站工作時必須配備上、下游兩個水庫,負荷低谷時設備工作于電動機狀態(tài),將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能;負荷高峰時設備工作于發(fā)電機狀態(tài),利用上游水庫勢能發(fā)電。其特點是:站址水頭高、發(fā)電庫容大、靠近負荷中心。抽水蓄能電站建造容量靈活,儲存能量的釋放時間可持續(xù)數(shù)小時至數(shù)天,綜合效率為70%～85%。抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的應用主要包括削峰填谷、提供備用容量、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用以及黑起動。此外,還可以配合火電站和核電站運行,提高其運行效率[7-8]。目前,我國已建成的抽水蓄能電站有20余座,已投產(chǎn)的抽水蓄能電站總裝機容量超過了17 GW。

(2) 飛輪儲能。飛輪儲能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動機/發(fā)電機、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設備組成。負荷低谷時,飛輪儲能系統(tǒng)通過電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn),以動能形式儲存能量,完成電能-機械能的轉(zhuǎn)換過程;負荷高峰時,高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電,然后經(jīng)過功率變換器輸出電流和電壓,完成機械能-電能的能量釋放過程。飛輪儲能的特點是:比容功率大、響應速度快、循環(huán)使用壽命長、積木式組合系統(tǒng)容量可達MW級,但工程造價較高[9-10]。其主要用途為不間斷電源/應急電源、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。

(3) 壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能電站是一種用于快速調(diào)峰的燃氣輪機發(fā)電廠。其工作原理是負荷低谷時段利用電網(wǎng)剩余電能壓縮空氣,并將其貯藏在典型壓力為7.5 MPa的高壓密封設施內(nèi);負荷高峰時段釋放高壓空氣以驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。壓縮空氣儲能輔助運行的燃氣輪機在發(fā)電時,所耗燃氣比常規(guī)機組減少40%,可有效減少電廠排放,降低投資運行費用。壓縮空氣儲能電站的建設投資和運行成本均低于抽水蓄能電站,但其能量密度低、站址要求高,易受巖層等地形條件的限制。壓縮空氣儲能電站的安全系數(shù)高、循環(huán)使用壽命長、響應速度快,可以實現(xiàn)冷起動、黑起動。壓縮空氣儲能主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負荷、頻率調(diào)制、分布式發(fā)電系統(tǒng)備用等[11-12]。1978年,世界首座壓縮空氣儲能電站在德國建成并投運,隨后美國、日本、瑞士也相繼進行了研發(fā);而我國的壓縮空氣儲能目前僅停留在理論研究和小型試驗階段。

1.2 電化學儲能

電化學儲能是指通過發(fā)生可逆的化學反應實現(xiàn)電能-化學能轉(zhuǎn)換的能量存儲技術(shù)。電池是能量轉(zhuǎn)換的主要載體,由正極、負極、隔膜和電解質(zhì)組成,利用電池正、負極的氧化還原反應完成充放電過程。電池充電時,正極的活性物質(zhì)在外電源的作用下被氧化,失去電子;負極的活性物質(zhì)獲得電子,被還原。在此過程中,電池正、負極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復,電解質(zhì)濃度升高,并依此判斷電池充電程度。電解液中的陰、陽離子在電場力的作用下分別向正極和負極移動。電池放電過程與充電過程相反。電化學儲能的特點是能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高、建設周期短、站址適應性強。根據(jù)化學物質(zhì)的不同可以分為鉛酸電池、液流電池、鋰離子電池、鈉硫電池等儲能形式[13]。

(1) 鉛酸電池。鉛酸電池分別以二氧化鉛PbO2和海綿狀金屬鉛為正、負極活性物質(zhì),以硫酸溶液為電解質(zhì),至今已經(jīng)有150多年的歷史。鉛酸電池具有自放電小、電池壽命長、比容量高、大電流性能好、高低溫性能穩(wěn)定、制造及維護成本低等特點[14],而且無“記憶效應”。目前,鉛酸電池的回收利用技術(shù)發(fā)展比較成熟,在備用電源、電動汽車等領(lǐng)域應用廣泛。

(2) 液流電池。液流電池的正負極由包含不同氧化還原電子對的電解液構(gòu)成,通過離子交換膜將二者隔離,工作時通過電解液的循環(huán)流動實現(xiàn)能量存儲。液流電池具有功率和容量相對獨立、循環(huán)壽命長、可超深度放電等特點,主要包括全釩液流電池(VRB)、鋅溴液流電池和多硫化鈉/溴液流電池等。VRB以電解液中不同價態(tài)的釩離子為電池正、負電極的活性材料,以硫酸為電解質(zhì)。在電池充放電過程中,電解液中釩離子的價態(tài)發(fā)生改變,從而影響電池正極電對的標準電極電位,實際使用時電池的開路電壓一般為1.5～1.6 V[15]。液流電池技術(shù)發(fā)展迅速,目前已取得長足進步,世界各國相繼建成投產(chǎn)kW～MW級的液流電池儲能電站。

(3) 鋰離子電池。鋰電池的電極主要由含鋰化合物構(gòu)成。充電時鋰離子由正極經(jīng)電解質(zhì)流向負極,放電過程相反。鋰電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,經(jīng)過多年發(fā)展已在儲能電站中得到廣泛應用[16]。目前,鋰離子儲能電站已達到MW級,用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、平抑分布式發(fā)電功率波動等。

(4) 鈉硫電池。鈉硫電池是以硫和金屬鈉分別作為電池正、負極,以陶瓷管作為電解質(zhì)隔膜的二次電池。鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫發(fā)生可逆反應,完成能量的存儲和釋放過程。鈉硫電池取材豐富、比容量大、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高,既可作為功率型儲能應用,又可作為能量型儲能應用[17]。

1.3 電磁儲能

(1) 超級電容。超級電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲電能。其特點是:功率密度高、循環(huán)壽命長、響應速度快。超級電容器歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展,已形成電容量0.5～1 000 F、工作電壓12～400 V、最大放電電流400～2 000 A的系列產(chǎn)品,最大儲存能量可達30 MJ。但是由于成本較高、能量密度較低,超級電容器在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的場合,如大功率直流電機的起動支撐、動態(tài)電壓恢復等,在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電可靠性[18]。

(2) 超導磁儲能。超導磁儲能系統(tǒng)主要由超導儲能磁體、低溫系統(tǒng)、電力電子變流系統(tǒng)和監(jiān)控保護系統(tǒng)構(gòu)成。超導磁儲能系統(tǒng)利用超導線圈直接存儲電磁能,功率輸送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換。超導線圈在超導狀態(tài)下無焦耳熱損耗,其電流密度比常規(guī)線圈高1～2個數(shù)量級,具有毫秒級響應速度、轉(zhuǎn)換效率高(≥96%)、比容量(1～10 Wh/kg)/比功率(104～105 kW/kg)大等優(yōu)點,可以與電力系統(tǒng)進行實時能量交換和功率補償。超導磁儲能系統(tǒng)可用于消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩,改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性,還可用于系統(tǒng)故障恢復和緊急支撐,提高系統(tǒng)的可靠性和自愈能力[19-21]。

1.4 相變儲能

相變儲能是利用相變儲能材料物相變化過程,從環(huán)境中吸收或向環(huán)境放出熱量,以達到能量存儲和釋放的目的,典型的相變儲能有熔融鹽蓄熱儲能。熔融鹽蓄熱儲能的特點有:使用溫區(qū)大、比熱容高、換熱性能好,主要應用在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中。

目前,各種儲能技術(shù)的發(fā)展水平不盡相同,在集成功率等級、持續(xù)放電時間、循環(huán)使用壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、功率/能量密度等方面均有差異,各種類型儲能的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[22-28]。

2 聯(lián)合分布式電源并網(wǎng)的儲能應用現(xiàn)狀

高滲透率分布式可再生電源并網(wǎng)可能引起配電網(wǎng)中潮流流向和電壓分布的改變,同時,可再生能源的隨機性和間歇性將對配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量以及供電可靠性產(chǎn)生不可忽視的影響[29-30]。在現(xiàn)有的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制水平下,由于受到電壓分布、故障水平以及設備容量的限制,配電網(wǎng)對分布式電源的接納能力有限[31-32]。此外,分布式可再生能源并網(wǎng)使傳統(tǒng)配電網(wǎng)中用戶側(cè)單一負荷消耗的屬性發(fā)生改變,用戶側(cè)需與電網(wǎng)側(cè)深入互動,以促進本地能源消納。應用儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)多能互補利用,提高可再生能源就地消納,滿足用戶對電能的個性化和互動化需求。

表1 各種類型儲能的主要技術(shù)參數(shù)

針對儲能在分布式電源并網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮的作用,國內(nèi)外從理論和實踐兩方面展開積極探索。這些成功案例為儲能促進可再生能源發(fā)電提供了新思路和可靠的技術(shù)支撐,可歸納為以下幾方面:

(1) 儲能用于平抑功率波動。風電、光伏等分布式可再生電源出力的波動性將引起配電網(wǎng)功率的波動,利用儲能系統(tǒng)快速充放電特性,減小可再生能源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的沖擊,增強配電網(wǎng)的可控性。文獻[33]利用小波包將光伏功率信號分解為高頻分量和低頻分量,從而獲得功率型儲能和能量型儲能單元的充放電功率,并采用模糊控制對其進行優(yōu)化,使得功率在不同儲能裝置之間最優(yōu)分配。

在實際應用中,意大利Puglia變電站儲能項目將1 MW×30 min的鋰離子電池用于減少可再生能源發(fā)電引起的潮流倒送,使變電站與上級電網(wǎng)進行可控的能量交換;山東長島利用儲能平滑風電場或光伏出力波動抑制可再生發(fā)電爬坡率,提升高滲透分布式發(fā)電的配電網(wǎng)端運行穩(wěn)定性;浙江東福山島利用儲能平抑風光波動,提高新能源利用率,輔助柴油發(fā)電機維持微電網(wǎng)穩(wěn)定,提升微電網(wǎng)中功率控制和能量管理能力[34-35]。

(2) 儲能用于負荷削峰填谷。利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)用電負荷的時空轉(zhuǎn)移,延遲配電設備容量升級。文獻[36]研究了基于動態(tài)規(guī)劃的電池儲能系統(tǒng)削峰填谷實時優(yōu)化,提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的實時修正優(yōu)化控制策略,可在優(yōu)化模型中引入充放電次數(shù)限制和放電深度限制等非連續(xù)約束條件,并通過將電池電量離散化等方法解決含有非連續(xù)約束的優(yōu)化問題。文獻[37]采用恒功率充放電策略對儲能進行控制,并就儲能削峰填谷優(yōu)化模型進行了研究,針對模型約束中的非線性和變量不連續(xù)問題,提出一種適用于該模型的簡化計算方法。

儲能在負荷削峰填谷領(lǐng)域應用廣泛,深圳寶清4 MW/16 MWh鋰電池儲能電站目前已建成投運,參與用電側(cè)的峰谷調(diào)節(jié),嘗試峰谷套利,可實現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)壓和孤島運行等多種應用功能[38]。

(3) 儲能用于改善電能質(zhì)量。文獻[39]探討了蓄電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)的建模與控制問題。將儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中,通過控制策略雙向調(diào)節(jié)其有功功率和無功功率,達到穩(wěn)定配電網(wǎng)公共連接點處的電壓,并抑制其負載波動的目的,從而改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量。文獻[40]以超級電容作為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器,分析了其電路拓撲結(jié)構(gòu),采用非隔離型Buck-Boost雙向DC/DC變換實現(xiàn)直流電壓的轉(zhuǎn)換,應用電壓源型變換器實現(xiàn)DC/AC變換。該電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以消除電源電壓的暫降、不對稱和閃變對負載的影響,在不對稱負載時抑制負載的負序電流對電源的影響。

(4) 儲能用于提升分布式電源匯聚能力。美、日、意等國利用儲能控制變電站與上級電網(wǎng)的能量交換,減少可再生能源并網(wǎng)產(chǎn)生的功率倒送問題。東京電力公司基于車網(wǎng)互聯(lián)(V2G)理念提出“BESS SCADA”,通過對大量儲能單元的統(tǒng)一管理和控制,形成大規(guī)模的儲能能力,但未充分體現(xiàn)雙向互動能力。我國的薛家島電動汽車示范工程對V2G理念做了類似嘗試。該工程配套建設的集中充電站可同時為360輛電動汽車電池充電,能夠?qū)崿F(xiàn)負荷低谷存儲電能,負荷高峰或緊急情況下向電網(wǎng)反饋電能,調(diào)節(jié)峰谷負荷最大可達10 520 kW[34]。

電力系統(tǒng)需求多樣,應用環(huán)境復雜,為滿足不同工況需求,儲能選型應結(jié)合本體的技術(shù)特點。按照放電時間長短,儲能可分為功率型和能量型,針對不同工況儲能選型的分類如表2所示。

表2 不同工況下儲能選型的分類

3 儲能在分布式電源并網(wǎng)中的發(fā)展趨勢

目前,儲能技術(shù)正朝著轉(zhuǎn)換高效化、能量高、密度高和應用低成本化方向發(fā)展。隨著儲能技術(shù)的研究和應用日漸成熟,儲能在電力調(diào)峰、電壓補償、電能質(zhì)量管理等方面發(fā)揮越來越重要的作用,提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。對于電力系統(tǒng)應用而言,儲能技術(shù)的基本特征體現(xiàn)在功率等級及其作用時間上。儲能的作用時間是能量存儲技術(shù)價值的重要體現(xiàn),是區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)即發(fā)即用設備的顯著標志。儲能技術(shù)的應用將使現(xiàn)有電力系統(tǒng)供需瞬時平衡的傳統(tǒng)模式發(fā)生改變,在能源革命中發(fā)揮重要作用。隨著分布式電源的發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設,儲能技術(shù)體現(xiàn)出以下幾方面的應用趨勢:

(1) 將儲能特性與可再生電源自身調(diào)節(jié)特性相結(jié)合。利用儲能系統(tǒng)的雙向功率特性和靈活調(diào)節(jié)能力,提升風電、光伏等可再生能源發(fā)電的可控性,提高可再生能源就地消納與可靠運行能力。

(2) 儲能系統(tǒng)應用功能由單一發(fā)展為多元。儲能應用場景豐富,作用時間覆蓋秒級到小時級,由單一時間尺度向多時間尺度過渡,緊湊型、模塊化和響應快是儲能設備的發(fā)展方向,以充分發(fā)揮儲能功效,提高儲能應用的經(jīng)濟性。

(3) 充分發(fā)揮分布式儲能系統(tǒng)匯聚效應,儲能系統(tǒng)匯聚效應在電動汽車V2G運行模式已得到初步顯現(xiàn)。隨著電動汽車的普及和分布式儲能系統(tǒng)的廣泛應用,其匯聚效應在促進可再生能源接入、用戶互動等方面的優(yōu)勢將逐步凸顯。

(4) 在多能互補和綜合利用中,儲能成為各種類型能源靈活轉(zhuǎn)換的媒介。今后將在提高用戶側(cè)綜合能效和減少污染物排放中起到關(guān)鍵作用。

4 結(jié) 語

隨著分布式可再生能源發(fā)電的廣泛應用和終端用戶的雙向互動,儲能技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、集成制造和市場應用已成為戰(zhàn)略性選擇。以分布式可再生能源發(fā)電為基礎(chǔ),儲能技術(shù)為承載核心的多能互補、雙向互動將展現(xiàn)第三次工業(yè)革命的發(fā)展愿景。

(1)抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術(shù)已發(fā)展成熟,由于其成本經(jīng)濟、能量密度大、安全可靠,現(xiàn)被廣泛用于電網(wǎng)調(diào)峰;超級電容器輸出功率大,響應速度快,但成本較高,應用市場需進一步拓展,適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量改善;電化學儲能種類繁多、轉(zhuǎn)換效率高、應用成本低,大規(guī)模電化學儲能技術(shù)具有巨大的市場潛力,在新能源并網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設中將扮演重要角色。

(2)儲能技術(shù)可增強配電網(wǎng)潮流、電壓控制能力,促進配電網(wǎng)對分布式電源的接納。同時,儲能系統(tǒng)的引入將增強配電網(wǎng)的功率和能量調(diào)節(jié)能力,提高配電設施利用效率,優(yōu)化資源配置,加快配電網(wǎng)升級改造。

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