新能源电力系统中的储能技术研究

新能源电力系统中的储能技术研究

马鹏

国华（哈密）新能源有限公司新疆维吾尔自治区哈密市839000

摘要：随着经济的增长和对能源需求的增加，国家开始重视对不可再生能源的保护问题，因此各国相继开始了对风能、太阳能等可再生能源的开发利用。在我国的电力事业中，已经运用了诸如风电、光电等新能源，其比重也逐年增加。但是这些新能源受到季节性等因素的影响，在使用上存在一定条件的限制，因此对新能源的储存技术成了一个新问题，解决了新能源的储能技术，就能实现对新能源的调控，不仅保护了生态环境，还能够促使电力系统稳定运行。

关键词：新能源；电力系统；储能技术

1引言

智能电网是目前国内外电力行业研究的焦点问题，我国对智能电网的研究也越来越重视，并在我国电力事业发展中具有战略性地位，我国目前的智能电网还落后于西方发达国家，但是也已经构建了“一强三优”的电网发展模式，智能电网就是其中的“一强”，连接了我国的华北、西北、华中和华东几大电网，通过信息技术和自动化技术使电网更加智能。智能电网通过各种先进技术提供安全可靠的高质量电能，允许风电、光电、水电等各种新型能源并网，保证电量充足的同时，减少环境污染。不过，风电和光电等新能源受到季节、地势等因素的影响，具有较强的波动性和随机性，电网的安全性和稳定性受到了影响。不仅增加了电网的调度，也对供电的持续性和可靠性产生了不良影响。在对新能源的并网过程中，在出口侧安装储能装置可以平抑输出功率的波动，将部分新能源转化为可以调度的电源，不仅减少了电力系统的冲击，将电能储存起来以供不时之需，还提高了稳定性，同时还为电压提供支撑，改善了电能质量。由此看来，储能技术是目前解决电网中新能源穿透率持续增加等问题的较好方案。同样的，对新能源电力系统中的储能技术进行研究，具有积极的社会意义。

2储能技术在新能源电力系统中的重要作用

储能技术在新能源电力系统中的应用，主要是起到了电力调峰、提高电力系统运行的稳定性、抑制新能源电力系统传输功率的波动性、提高电能质量等作用。通过储能技术能够及时吸收或者释放功率，减少系统输电网络损耗、实现削峰填谷并取得经济效益。大规模风电场群在扩展了电力系统能源结构的同时，也增加了电网稳定方面的复杂性，因为风力资源的不可控制，就需要在电力系统中安装一定容量的，能够灵活调节性能的储能装置来保证高比例风电的区域电网的稳定运行。因为储能技术对风电并网很重要。第一，使用具有快速响应和动态调节能力的储能技术可以提高新能源电力系统的稳定性，保证电力系统运行安全可靠；第二，将具有快速响应能力的储能技术和合理的配置策略相结合，能够吸收多余的能量，起到保护风电机组的作用，增强风电机组的低电区穿越能力。第三，储能技术的运用能够起到优化新能源电力经济性的作用，如使用大容量抽水储能以及压缩空气的储能技术，实现风电在时间轴上的平移，能够将经济效益最大化。

3新能源电力系统中各种储能技术分析

储能技术按照其特性可以划分为：密度高、储量大的能量型储能技术，如压缩空气储能，抽水储能和电池储能等；还有功率密度高、响应效率高、充放电简易的功率型储能技术，如超导储能和超级电容储能。

3.1蓄电池储能技术

蓄电池的功能首先是储存电能，其工作原理是能够把多余的电能转变为化学能，在需要储存电能的时候又把化学能转变为电能返回到电力系统。蓄电池储能技术的特点是响应速度快、方便控制，所以这种技术在电力系统中的应用较为广泛。这种技术主要包括了锂电池储能和铅酸电池储能以及钠硫电池、液流电池和金属空气电池。若将各储能技术的能源转化效率、储能容量、风险分析和实施成本进行对比分析，电池储能在新能源电力系统中的优势是比较大的，且如果比较其性能，锂电池优于其他电池。

3.1.1锂电池

锂离子电池属于高能源效率且能量密集度高的电池。锂电池综合效率约为85%，由单体电池、充放电系统和电池管理系统组成。锂电池的优点体现在高能量密度和高安全性等，而且能够按照串联或者并联的方式来获得高电压或者高容量，不过实施成本也比较高。现在投入使用的锂电池储能电站的额定容量比较小，对于配合新能源应用或者需要应急电源、旋转备用等对储能的功率有严格要求的应用效果比较好。

3.1.2钠硫电池

钠硫电池的综合效率大约为70%，是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜，负极为熔融金属钠，正极为硫和多硫化钠的储能电池。和铅酸电池的能量密度相比，钠硫电池是其3倍，但是所用空间只有其1/3.钠硫电池的优点在于：高能量密集、充放电效率高、空间占用少、方便维护等优点；缺点是放电深度和循环寿命有待提高，运行时候需要一直将温度维持在300℃。

3.1.3液流电池

液流电池是将正负电解液分开，让其各自循环的一种高性能电池，又被称之为氧化还原液流电池。其输出功率是由电池组的面积和单电池的节数所决定的，若想增加储能容量，通过增大电解液容积和浓度就可以做到。其优点在于电池配置灵活，能进行规模化放电和大电流放电且不需要保护，适合新能源发电的储能应用和不间断电源系统，液流电池还具有高功率输出、响应速度快、安全稳定等优点，适用于大规模发电储能与调节，缺点是实施材料受到限制且施工成本高。

3.1.4铅酸电池

铅酸电池是一种酸性蓄电池，其电解液用稀硫酸做材料，电池正负极分别为二氧化铅和绒状铅，优点在于储能空间大、技术成熟且成本低，缺点是自放电率高、循环寿命短、重金属污染和深度放电给电池造成损伤。

3.1.5金属空气电池

金属空气电池是一种绿色电池，正极为氧气，负极为铝、铁、锌、镁等活泼金属，电解液为KOH、NaCl、NaOH和海水，原理是氧气扩散到化学反应界面和金属反应而产生电能。金属空气电池比能比较高，和铅酸电池相比，铝空气电池的比能是其8~10倍。金属空气电池的优点在于制造成本比较低、环保性能比较高，更重要的是其不需要充电设备，充电过程时间短，几分钟内就能完成金属燃料的更换。就目前应用来讲，锌空气电池最接近产业化，而铝空气电池能够获得较高电压。

3.2电磁储能

电磁储能主要有超导磁储能和超级电容器储能两种技术，其原理是把一种电能转换为电磁能储存在电磁场中，下面介绍这两种技术。

3.2.1超导磁储能技术

将风力发电机组和高压电网相连是风力发电系统发展的大趋势，也称为并网型风力发电系统。不过风速变化会引起风力涡轮机机械功率相应发生变化，使得发电机输出的有功和无功产生波动，导致电网的电能质量下降。而超导储能SMES能使风力发电机组输出的电压和频率趋于稳定。因为超导储能系统在工作状态下能够把能量储存在流过超导圈的直流电流产生的磁场内，综合效率达到80%~95%。SMES的优点在于效率高、响应快、没有污染，因为超导状态下的线圈不计电阻损耗，能够长期无损耗储能。且其能够实现新能源电力系统对电压和频率的控制，有利于风力发电机的稳定性，也可实时的交换大容量电能并实现功率补偿，瞬态电能质量得到提高且提高了其暂时的稳定性。

3.2.2超级电容器储能技术

超级电容器储存电能的工作原理是双电层原理，是介于常规电容器和电池之间的储能装置，在充放电过程中可以反复储能十万余次，超级电容储能的效率高达80%。超级电容器除了上述电容器的优点外，还有适应温度范围宽的优点，且运行过程安全稳定，适合在短时间内的充放电。另外，超级电容器还能向新能源电力系统提供能量以供备用和提供电动汽车启动时候的瞬时高功率等。

3.3物理储能技术

3.3.1抽水储能技术

抽水储能技术的运行成本比较低，利用低谷电价来储存能量，但是因为水很容易蒸发，水泵的耗费功率高等原因，其转化率只能维持在70%左右。抽水储能技术根据水源分为江河大坝储能和海水抽水储能，传统的大坝储能要建设上下游两个蓄水池，而新型海水储能系统的蓄水池是大海，节约了建设费用，但是需要考虑海洋生物的依附问题。抽水储能技术的优点在于容量大、出力变率快、运行成本低，不过容易受到地形限制。

3.3.2压缩空气储能技术

压缩空气储能技术（CAES）的能源转化效率比较高，在75%左右。其工作分为储能和方能两个过程：储能的时候将多余的风电注入到空气储能电站，在电动机的驱动下，压缩机对空气压缩并降温，然后存储到储气室，如海底储气罐和山洞等；放能的时候，风电机组输出功率达不到负荷标准，高压空气受热升温进入燃烧室，燃气膨胀驱动燃气轮机带动发电机工作，从而产生电力。CAES具有储量大，燃料消耗少的优点，不过其能量密度比较低，储存空间受地形条件的限制严重，常用于解决大规模集中风力发电的平滑输出问题。

3.3.3飞轮储能技术

飞轮储能系统（FESS）是由飞机、电机、轴承支撑系统和电子控制系统构成，可以当作一个能量电池，综合效率在80%左右。FESS在储能过程中，其电动机通过带动飞轮高速运转，将在旋转过程中形成的体动能存储在飞轮体中，在能量释放的时候，飞轮通过高速运转作为原动机带动发电机发电，机械能在此过程中转化为电能，输出到外部负载使用。飞轮根据速度可分为机械轴承的低速飞轮和磁悬浮轴承高速飞轮两种，低速飞轮用于系统稳定控制，高速飞轮用于调节峰谷等储能应用。FESS的优点在于能量密度大、瞬时功率大、充放电循环次数无限制、环保高效等优点，但是购置成本比较高。另外，高温超导飞轮储能系统通过高温超导磁体轴承无机械接触的优点，能够有效降低飞轮轴承消耗，实现高速无机械摩擦旋转。

4储能技术在新能源电力系统中的应用

4.1储能技术在风电并网中的应用

4.1.1提高风电电力系统的稳定性

稳定电力系统的关键在于改进系统的瞬时功率平衡水平，储能系统能够对有功率和无功率的需求进行反应，改善系统的瞬时功率平衡水平，增强工作过程中的稳定性。如文献[1]把SMES应用于并网型风力发电系统，在建立SMES模型并且加入了SMES的系统线性仿真模型，用基因算法求出最佳反馈矩阵，结果证明SMES单元对并网型风力发电系统中风力发电机的输出电压有很大的改良作用。文献[2]还提出在风电机组运行控制当中应用飞轮储能系统，在对飞轮系统的充放电控制以后实现平滑风机输出功率、参与电网频率控制任务，仿真已经证明该方案是可行的。所以，加强风电并网系统稳定性离不开各种具有高效响应能力的储能系统，如超导储能、飞轮储能等，因为它们能够对系统稳定运行的要求快速响应，补偿功率差。不过，风电出力自身具有不确定性，因此根据历史出力数据的对储能系统的配置和控制方法成了研究不能避免的问题。

4.1.2改善电能质量

储能系统应用在改善电能质量上的形式主要体现于抑制电压波动和电压暂降。而对于改善电压波动、电压暂降等电能质量问题的关键是短时功率的补偿问题，要求储能系统必须具有毫秒级功率动态调节能力，所以，此处选择超级电容储能和超导储能比较合适。

4.1.3平抑功率波动

风电并网问题的根本原因在于风电出力缺乏可控性，而储能系统能够着实改善这一问题，平滑风电出力，使其成为可以调度的电源。目前对其的研究主要包括风电场和风电机组两个层面，但是考虑到大型风电场的输出功率在一定程度上具有互补性，并且将能量集中有利于控制，所以风电场层面的储能方式受到的关注比较多。

4.2储能技术在光伏并网中的应用

光伏电站并网对电网带来的问题是值得被重视的，目前解决这类问题的措施主要有两种：一是从电网的角度来提高电网的灵活性，建设智能电网；二是从光伏电站的角度看为并网光伏电站配置储能设施。电力储能技术属于灵活输电技术，可通过恰当的充放电控制来解决光伏电站输出不稳定问题，来避免光伏电站不稳定的输出对电网的影响。另外，从电网的角度来说，将储能应用于光伏并网发电中的技术有以下几种：

（1）电力调峰：目的是减少大功率负荷峰电时段对电能的集中需求，减少电网负荷压力，储能系统在电能需求处于低谷的时候把富余电能储存起来，在电力需求高峰的时候将储存的电能释放出来提高电网的功率峰值并保证供电稳定性。

（2）电能质量控制：将储能系统投入到并网光伏系统中以后，光电电源的供电特性能够得到完善从而促进供电稳定，所以合适的逆变控制策略能够实现对电能质量的控制，如稳定电压、调整相角等。

（3）微电网：微电网有利于提高供电可靠性，是未来输配电系统的一个重要发展方向。当微电网处于孤岛模式时候，即与系统处于分离状态时，微电网的电源可以独立承担负荷的供电任务，这时候的微电网中，储能系统将会是为负载提供安全稳定电能的保证。

从用户的角度来看，储能在光伏并网发电中的应用有以下几种:

（1）符合转移：技术上看，负荷转移和调峰差不多，不过其应用基础是光伏并网用户使用分时计费市电，很多负荷高峰都不是发生在光伏系统电力充足的白天，而是发电高峰期后，储能系统能够把这一时段的电力留置，待到负荷高峰时使用，这种储能系统和光伏系统的配合能够满足用户需求，使用户利益最大化。

（2）负荷响应：电网选定高功率负荷进行控制，让其在负荷高峰期交替使用，以保证电网安全运行。在用户配置光伏储能系统后，就有效避免了负荷响应策略对上述高功率设备正常运行的影响，其只需要在光伏储能电站和电网之间设置一条通讯线路即可。

（3）断电保护：光伏储能最大的好处在于为用户提供断电保护，在用户对于市电需求得不到满足的时候，可以由光伏储能系统提供电能，这种孤岛方式的设置对于电网和用户都有好处，一方面允许电网在用电高峰切掉部分电力减轻负荷，另一方面能够让电力用户在没有市电的时候正常工作。

5结语

将储能技术应用于新能源电力系统中，有力于电力系统的稳定、提高电能质量、改善功率波动等问题，本文在重点介绍了各种储能技术的优缺点即工作原理同时还详细介绍了在风电和光电并网中储能技术的应用，应用储能技术突破了传统电能即发即用的特点，并可应用于诸多领域解决类似富余能量存储问题。很多国家已经把储能技术作为支撑新能源和智能电网发展的重要方法，并开展了储能技术研究与示范工程建设，推动了储能技术在电力系统中的应用和普及。

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