儲能技術(shù)新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

引言全球范圍內(nèi)的煤炭石油等不可再生能源總有一天會枯竭，而人類的發(fā)展卻不能因為不可再生能源的枯竭而停止，開發(fā)和普及環(huán)節(jié)可再生能源具有重要的現(xiàn)實意義，可以避免出現(xiàn)能源危機[1]。像水電、風電、太陽能等新能源主要由自然生產(chǎn)，由于這類能源主要是來自自然環(huán)境，往往受到間歇性事件的影響，影響發(fā)電的穩(wěn)定性。將儲能技術(shù)引入電力系統(tǒng)，可以逐步消除峰谷，暢通電源，降低發(fā)電運輸所需要的成本，提高可再生資源的利用率，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，平衡消除谷峰波動。一、儲能技術(shù)（一）儲能技術(shù)的定義儲能技術(shù)主要指的就是電能的存儲，它既可以作為應(yīng)急能源，也可在電網(wǎng)峰值低的時候?qū)㈦娔軆Υ嫫饋?，在電網(wǎng)峰值高的時候輸出能源，平衡峰谷，降低電網(wǎng)出現(xiàn)波動的頻率[2]。能源存在多種形式，包括化學反應(yīng)，輻射，勢能，熱能，重力勢能，電力和動力。儲能技術(shù)是將難以存蓄的能源轉(zhuǎn)化為更加方便的形式的能源儲存起來。目前，大量能源儲存主要是抽水或常規(guī)發(fā)電大壩。抽水大壩的主要優(yōu)點是儲能容量大，但也存在不足之處：它不能提供長期的能源儲存，而且需要大量的人力物力[3]。一些技術(shù)可以提供短期的短期能源儲存，而其他技術(shù)則可以持續(xù)更長的時間。（二）儲能技術(shù)類型特點這里根據(jù)使用能量形式的差別，在這里把儲能技術(shù)的大致劃分為以下幾種類型：1.基本燃燒能的儲存，如天然氣、石油等。2.二次燃燒能的儲存，如氫氣、天然氣等。3.電能的儲存和后續(xù)消耗能的儲存，如相變儲存等。這里主要分析和討論電能儲存技術(shù)。根據(jù)能量的形式，電儲能可分為物理儲能和化學儲能，其中物理儲能又可分為機械儲能和電磁儲能。（1）物理儲能。把電能以物理方式存儲，在用電高峰時，將能量釋放出來。這種方法環(huán)保無污染，利用天然資源即可實現(xiàn)儲能。（2）壓縮空氣儲能。洞穴、水庫等地；處在用電高峰時，再把空氣加熱升溫膨脹通入燃氣輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。這種壓縮空氣儲能技術(shù)的特點是節(jié)省燃料，成本低，容量大，對場地要求較高。壓縮空氣儲能技術(shù)一般用在削峰填谷與調(diào)頻調(diào)相。（3）抽水儲能。抽水儲能在這種模式下，河流的兩頭修建水壩，負荷低谷與豐水季節(jié)時，儲存設(shè)備當成電動機使用，使下游水庫中的水運往上游水庫中存儲起來；在用電高峰與枯水季節(jié)時，儲能設(shè)備可作為發(fā)電機使用，此時上游水庫中的水便可以用來發(fā)電[4]。抽水儲能的特點是運行靈活，成本較低，儲存能量巨大，受水文和地質(zhì)的約束較大，地理位置要求較高?？捎糜谔罟认鞣?，電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)相，和當做備用電源。（4）飛輪儲能。這種儲能技術(shù)方法是將電能長期儲存在當飛輪儲能負荷處于低點時，電動機驅(qū)動飛輪高速運行，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。在用電高峰時，飛輪驅(qū)動發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng)。飛輪儲能的特點是壽命長，安全性能好，但能量密度低，成本較高。飛輪儲能方式多用在電能峰谷調(diào)節(jié)，電能平衡調(diào)節(jié)等。（5）化學儲能?；瘜W儲能具體說來利用相互反應(yīng)，多種方式轉(zhuǎn)化直流電能和化學喜歡聊天實現(xiàn)儲能。電池之一積極能量轉(zhuǎn)換的主要紐帶，代代相傳，數(shù)量減少豐富，但卻催化反應(yīng)和內(nèi)部成分不同，但電池的核心核心結(jié)構(gòu)是相類似的，包括負極、負極、電解質(zhì)和隔膜?；瘜W儲能是我國電網(wǎng)建設(shè)的一個新興領(lǐng)域，在電網(wǎng)建設(shè)中占有重要地位?；瘜W儲能可根據(jù)需要靈活配置，不分區(qū)域，具有電池成本、電池壽命短的缺點?；趦r格和材料稀缺等因素可以用鐵和錳來代替目前鋰電子電池中的鈷和鎳[5]。此外除了可以減少成本外還可以消除金屬匱乏導致的壟斷，和生產(chǎn)供應(yīng)鏈沒有保障的問題。大容量儲能的發(fā)展有兩種技術(shù)路線：一是與大容量相關(guān)的電池，以鋰離子電池技術(shù)為主；二是專門開發(fā)的大容量電池。目前國內(nèi)主要采用這兩種方案，其中以鈉基電池技術(shù)最成熟。鋰離子電池由于能量密度高，循環(huán)壽命長，已成為未來動力電池的重要發(fā)展方向之一。目前世界上已經(jīng)出現(xiàn)了一批大型電池工廠。硫化鈉電池和液體流動電池是世界上最主要的技術(shù)。如果電池組中的一個電池組損壞，則可以認為電池組的電池壽命已經(jīng)超過，必須進行修理和更換。雖然鋰離子電池在電動汽車市場上被普遍看好，但在大容量儲能市場的示范應(yīng)用仍有待驗證。鈉硫電池、液流電池在我國正處于示范應(yīng)用階段.因此，大容量儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化還需要加快，集成成組技術(shù)還需要進一步發(fā)展，成本還需要進一步降低，一些關(guān)鍵部件還需要盡快國產(chǎn)化[6]。此外，還應(yīng)關(guān)注鈉離子電池、鋅氯液流電流等新型儲能電池的發(fā)展。下面寫了常見的一些工作方式和關(guān)鍵的應(yīng)用案例。①鉛蓄電池；又叫二次電池。容量大，成本低，同樣能量密度低，充電速度較慢，重金屬污染嚴重。鉛蓄電池儲能可以用于電力系統(tǒng)調(diào)峰，也可以應(yīng)用在電動汽車里面。②鈉硫電池；鈉硫電池的開發(fā)與應(yīng)用已成為目前電化學領(lǐng)域內(nèi)的一個熱點。鈉硫電池作為一種特殊的特殊化學電源，具有能量密度高、壽命長、充放電效率高等特點，可用于削峰填谷，以及大容量儲能電站中等。③液流電池；液流電池又被稱氧化還原液流電池，電解液由離子交換膜分離，形成正負極和負極。電解液是液流電池的基本結(jié)構(gòu)單元，其作用是為電池供給電能。電池的正極和負極均勻流動的電流可以傳遞到電解液。液流電池容量高，壽命長，安全性能好，但體積相對較大，多被用作大容量存儲。④鋰離子電池；鋰離子電池是以固體電解質(zhì)為正極板，以二氧化錳為負極的化學總電源，它是多種途徑電解質(zhì)（鋰離子電池）將鋰離子傳替到負極（碳素材料）上來實現(xiàn)其功能的。在充電過程中，鋰亞原子失去電子信息，形成充放電過程，然后與外部電子結(jié)合，還原為鋰原子。當他放電時候，他的反應(yīng)歷程和他充電的時候正好相反。鋰離子電池能量密度高，轉(zhuǎn)化效率高，但是成本高。目前，鋰離子電池儲能容量較小，它可以應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品中，也可以進入新能源汽車，電車等領(lǐng)域。（6）電磁儲能；電磁儲能技術(shù)在國外發(fā)展迅速，在國內(nèi)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。這種儲能技術(shù)容量高，效率高，無污染，通常用于改善電能質(zhì)量，維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（三）各儲能技術(shù)比較各類儲能技術(shù)的應(yīng)用場合和特點詳見圖1-1。圖1-1各種儲能技術(shù)的特點和應(yīng)用場合二、新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用（一）光伏并網(wǎng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能技術(shù)可以有效避免運行峰值相差過大無法平衡的問題。在實際應(yīng)用中，需要將功率強度高的超級電容器磷酸鐵鋰電池與控制結(jié)構(gòu)和控制方式相結(jié)合，以達到最大的效果。仿真結(jié)果表明，超級電容電池能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。（二）風電儲能技術(shù)的應(yīng)用在風電系統(tǒng)中，儲能技術(shù)的合理應(yīng)用對新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的發(fā)揮，儲能儲能技術(shù)的應(yīng)用過程也可滿足有功標稱功率和無功功率的真實需求，因而實現(xiàn)系統(tǒng)的再優(yōu)化，保證線路的穩(wěn)定基礎(chǔ)運行。例如，利用超導儲能市場解決風電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題的原因，可以處理系統(tǒng)中的風力預期變化以及網(wǎng)絡(luò)線路的短路，仿真研究結(jié)論，超導清潔能源技術(shù)運行后，網(wǎng)絡(luò)不通仍會穩(wěn)定，風運動電荷穩(wěn)定，風電場輸出穩(wěn)定[8]。該技術(shù)主要部分用于并網(wǎng)風力發(fā)電操作系統(tǒng)，方式建立系統(tǒng)SMES各種模型和計算最優(yōu)投資意見反饋矩陣模式，就可大大縮短輸出直流電壓的穩(wěn)定性。例如，風電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性問題也如果從而儲能技術(shù)來解決，兩類集中在平滑風能電力網(wǎng)絡(luò)充放電的輸出功率，仿真結(jié)果表明飛輪儲能系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用模式能夠起到重要的作用。風能分布式光伏出把力缺乏可靠性和安全性是影響新能源電站全力支持系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的主要由于，儲能技術(shù)的應(yīng)用具有平滑裝機規(guī)模出力輸出頻率高的實用功能，以提高風電場分布的可調(diào)度性[9]。三、儲能技術(shù)的發(fā)展前景隨著經(jīng)濟新能源動力（風能、太陽能、燃料電池等）的隨著經(jīng)濟普及和電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)產(chǎn)品可靠性、改善電能質(zhì)量的提高的迫切需要，電力儲能系統(tǒng)的意義越來越高增加，電力儲能技術(shù)的應(yīng)用未來的發(fā)展前景至極廣闊，采用大型儲能裝置設(shè)計就能減少和延緩輸配電電力配網(wǎng)的投資領(lǐng)域，提高綜合利用率和可靠性，降低煤炭損耗較大，減少供電線損。一是儲能裝置的容量規(guī)模，二是儲能裝置的充放電控制策略，三是儲能系統(tǒng)的投資成本和運行維護衛(wèi)者，最終是電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟的效益[10]。電力儲能系統(tǒng)實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，將通過以下幾個地方產(chǎn)生經(jīng)濟的效益：1.切實有效提高當前配電設(shè)備利用度，轉(zhuǎn)變電力建設(shè)增長方式。儲能系統(tǒng)作為一種新興的能量管理系統(tǒng)，能夠在一定程度上提高發(fā)電和輸電配電環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率[11]。儲能儲能系統(tǒng)運行成本低，維護也相對簡單，通過儲能系統(tǒng)的投入可以大大降低電廠和電網(wǎng)的運行和維護成本，電廠和電網(wǎng)的運行和維護成本相當復雜。2.儲能系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)，不同的環(huán)境條件下，其運行成本和經(jīng)濟效益也各有差異。儲能裝置精進調(diào)整處理間隔，有效降低成本。3.降低斷電損失。分散儲能的布置在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以將電網(wǎng)的有功功率，無功功率和負荷功率進行合理調(diào)整，使電網(wǎng)運行更加穩(wěn)定，可以使達到減少電網(wǎng)故障原因帶來的損失的目的。 在分布式儲能儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)出現(xiàn)故障發(fā)生或檢修時，所有用戶并且能多種方式電力儲能系統(tǒng)提供可以增加供電的可靠性，停電使用次數(shù)和電力系統(tǒng)國產(chǎn)化損失大大降低了經(jīng)濟收益和社會效益[12]。屆時，峰谷電價將逐步提高，對電能質(zhì)量的需求將增加，對電力儲能系統(tǒng)被壓抑的電網(wǎng)需求將得到快速有力的釋放。在新型電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的消費用戶也將成為是電力的制造，提供者，市場參與者政策設(shè)計上要給用戶充足的使用空間，通信機站無處不在，逐漸被通信技術(shù)的發(fā)展在持續(xù)不斷升級改造，其會比較成熟的能源儲備物資，哪怕存量盤活還是規(guī)模增長，都可當然新型能量存儲重要一環(huán)組成，共享發(fā)電塔已成為電力電信新興行業(yè)相互融合發(fā)展地可提供了可鑒之資，新能源汽車前景可期，未來傳統(tǒng)汽車必將被新能源電車取代，我國汽車保有量超兩億輛。大體量年銷量超兩千萬輛的巨大規(guī)模體量來說，新能源電車作為儲能硬件設(shè)施具有穩(wěn)步發(fā)展空間?？稍偕茉窗l(fā)電、電動汽車的快速發(fā)展，為儲能產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展契機。儲能作為一種先進的綠色能源，其研究開發(fā)已成為世界各國競相關(guān)注的熱點。我國要實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變，就必須大力推進節(jié)能減排工作，大力發(fā)展清潔低碳經(jīng)濟。發(fā)展高效、可靠的新型儲能裝置、配套設(shè)備和關(guān)鍵材料，特別是在大容量儲能技術(shù)和動力電池產(chǎn)業(yè)化方面，降低成本[13]。四、總結(jié)語及展望對于平衡新能源核心技術(shù)的突破，儲能的技術(shù)的重要性是無可置疑，國家有關(guān)部委，國家能源局等部門，2017年所印發(fā)的《關(guān)于促進儲能技術(shù)的形成產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的指導發(fā)表意見》明確梯次利用是智能電力輸送，不可再生高占比能源控制系統(tǒng)，能源提供高質(zhì)量發(fā)展起來，對于實現(xiàn)創(chuàng)新實現(xiàn)碳達峰碳中和具有重要意義[14]。不僅如此新型能量存儲存在管理職能交叉的供應(yīng)能力中。引水蓄能絕大部分都能相等視之，而核能發(fā)電在調(diào)峰等方面也具有強替性，泵水蓄能在經(jīng)歷長時間很長沉寂后，在電價機制向好的刺激下，終于進入嶄新的發(fā)展第一階段，常規(guī)對水電新能源的調(diào)節(jié)技術(shù)能力，雖已有水光的成功范例，但但已得到應(yīng)有的必須重視和最大程度認知，火力發(fā)電目前體量巨大且仍處于增量發(fā)展第二階段，其靈活性改造擴展空間依然可觀可，代工運營重要能力等技術(shù)層面成熟，經(jīng)濟適用性，安全可靠性，作為優(yōu)先安排開發(fā)利用的擁有資源，避免進退失據(jù)，不但以及技術(shù)攻關(guān)需要更多發(fā)力，加速提升新型大規(guī)模儲能設(shè)備技術(shù)的成熟度。對于新型儲能我國政策安排的核心觀點最重要的是價格比較系統(tǒng)形成制度，多種手段合理回報吸引投資主體選擇進入，而且防止一哄而上，《儲能意見稿》對已健全新型儲能價格監(jiān)督機制作出初步建立休息安排，但集中是工作方面的綜合考慮具體工作機制還必須一方面研究探索確定，抽水動能考慮到電價機制不完善，運行制度不清晰，發(fā)展反應(yīng)速度曾有過一段時間的低迷，2021年4月中國國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于加大抽完善抽水蓄能出售價格形成兩個機制的征詢》，顯然成為不溫不火的抽水聚集能量注入活力翻身仗，大唐集團十四五擬其他投資超一千多億元新增項目開兩千萬千瓦以上抽水蓄能電站，也印證了這一判斷作為開路先鋒的抽水能量源，也可以說為新型儲能市場提供了多方面的借鑒經(jīng)驗[15]。新型技術(shù)儲能不絕不是獨立地存在，而是新型電力系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)支撐，涉及到電源，電網(wǎng)用戶等不同不同主體，也涉及到了不同層次不同區(qū)域的雙方關(guān)系，存在千絲萬縷的復雜相互之間的關(guān)系能夠發(fā)揮當?shù)卣蛐袠I(yè)協(xié)會的各密切協(xié)同各方職責，共同擔當推進近期規(guī)劃，同建設(shè)，同投產(chǎn)，避免90年代以來來每當會出現(xiàn)了電力通信網(wǎng)脫鉤的關(guān)鍵性問題。目前中國，電力機頂層設(shè)計依然在探索時間階段，無論是技術(shù)上還是政策上都還需要更進一步的改進。綜上所述，儲能技術(shù)勢必能成為在未來改變能源結(jié)構(gòu)方面、生產(chǎn)力和消費方式的配套技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計。可再生新興能源在發(fā)電過程中不隨機獲取擾動和間歇性問題也將得到不完美實際問題。儲能在電力系統(tǒng)中的場景應(yīng)用，多方面還能最大限度地提高傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行高效率和利用率，二是既能更輕松地解決電網(wǎng)設(shè)施當中此類機械故障，最有效地提高電能質(zhì)量可，實現(xiàn)高效率，直流系統(tǒng)穩(wěn)定安全問題運行，滿足社會滿足，在發(fā)展新型智能微電網(wǎng)支持提供供應(yīng)推進能力及其技術(shù)的適合性，經(jīng)濟適配性，安全可靠性，作為優(yōu)先性開發(fā)利用的開發(fā)資源，避免捉襟見肘除此以外技術(shù)層面攻關(guān)我們都需要發(fā)力，加速大幅度新型儲能的成熟度，為其將來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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