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电力系统中的储能技术探讨
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2021-03-03 | 4995 次浏览 | 分享到:

  华北电力大学 张一工

  1 背景

  电是19世纪最伟大的发明之一。电的发明改变了我们的生活方式,对电的发明和应用无论怎样赞美都不会过分。但是,电能几乎不能直接储存,电力的生产、传输和消费必须同时完成,中间几乎不存在任何缓冲环节,这无疑给电力应用的经济性和安全性都带来不利的影响。将电能转换成其他能量形式进行大规模储存一直是人们不懈追求的目标,对各种储能方法的探索,从电力的开始应用的那一天就没有停止过。时至今日,多种储能方式在技术上已实用化或具有实用化前景,制约它们应用的主要原因是高昂的成本。随着风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源发电方式的商业化和智能电网的快速发展,对储能技术的需求更加迫切。

  2 电力系统中的储能装置

  从电路理论的角度考虑,电感器和电容器是与电的历史一样久远的在电力系统中广泛应用的储能元件。电感或电容能够将电能转换为磁场能或电场能储存起来,并能够无损耗地(理论上)重新转换为电能。但由于常规的电感器或电容器的储能密度太低,目前主要用在无功补偿和滤波设备中,或者作为针对较高吞吐频率的小时间尺度的储能元件来应用,基本上不能满足电力系统中多数场合的储能需求。在一般概念中,并不将普通电感器或电容器作为储能设备看待。

  目前电力系统中已实用化或具有实用化前景的储能方式主要包括:采用机械能方式储能的抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能;采用化学能方式储能的电池储能;采用物理方式储能的超级电容储能与超导储能。超级电容储能和超导储能与传统的电容器和电感器基于几乎相同的物理储能原理,但由于元件的技术进步(超级电容采用双电层原理和活性炭多孔化电极从而具有极大的大容量和储能能量密度,超导材料因没有电阻可以避免储能的损耗)产生了质的飞跃。

  (1)抽水蓄能

  抽水蓄能作为一种成熟的技术,已在电力系统中应用多年。抽水蓄能效率较高,运行成本低,无污染,存储能量巨大,是满足较长时间尺度储能需求的理想储能方式。特别是对目前蓬勃发展的可再生能源发电方式(主要是风力发电和太阳能光伏发电)而言,是解决其大时间尺度波动性的理想有效手段。抽水蓄能的主要问题是其建设严重受制于地理环境,理想的抽水蓄能电站站址可遇而不可求。

  (2)压缩空气储能

  压缩空气储能方式的储能能力目前仅次于抽水蓄能储能方式而列第二位。压缩空气储能技术成熟,是一种依附于燃气轮机的储能技术:储能时,用电能驱动压缩机将空气压缩储存于储气室内;释能时,高压空气从储气室释放,进入燃烧室膨胀做功,驱动燃气轮机-发电机组发电。由于储能能力依赖于储气室的大小,压缩空气储能往往利用天然的岩洞或废弃的矿洞充当体积巨大的储气室。如果天然条件不具备,而需要人工建造储气罐,就会大大增加建设投资。因此,与抽水蓄能储能技术类似,压缩空气储能的应用受到地理环境条件的严重制约。此外,由于压缩空气储能依附于燃气轮机技术,对燃气轮机技术的掌握程度也会对其应用有重要影响。目前,一些新的技术如液化空气储能技术、超临界压缩空气储能技术正在研发之中,如能实用化,将有效地减小对储气室体积的需求,从而改变以往对压缩空气储能技术的认识。

  若将压缩空气储能与风力发电配套,可用风力机直接驱动空气压缩机储能而不经过发电过程,而在能量释放时再经燃气轮机发电。由于能量转换过程减少,将有利于提高储能效率。

  (3)飞轮储能

  飞轮储能是一种“古老”的储能技术,惯性玩具汽车就是飞轮储能应用的雏形。但要制造满足电力系统需求的大功率、大容量的飞轮储能装置,需要解决众多的技术难题。美国等西方发达国家对飞轮储能技术的研究开发超过半个世纪,近年来,由于材料科学、磁悬浮技术、电力电子技术的发展,飞轮储能技术日臻成熟,逐渐进入实用化阶段。空载损耗大是飞轮储能的主要缺点,这决定了飞轮储能目前不适合作为长时间的储能手段,较适合的应用场合为补偿小时间尺度电能波动。采用各种方法减小飞轮储能的损耗一直是研究者不懈追求的目标,如果能够在降低空载损耗的问题上有所突破,必将对飞轮储能技术的实用化和应用范围的扩展起到重要推动作用。

  (4)化学电池储能

  化学电池的历史久远,是人类应用电力的起点。目前已实用化和具备实用化前景的电池类型主要有铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池、钠硫电池、矾液流电池等。

  铅酸电池应用历史悠久,技术成熟,价格低廉,但功率和能量密度低,循环寿命短,且存在环境污染问题,由于其明显的价格优势,目前仍有一定的应用市场。

  镍镉电池性能优于铅酸电池,但也存在功率和能量密度低、环境污染等问题,目前已逐渐淡出市场。

  锂离子电池性能优越,功率和能量密度高,自放电低,环境友好,其主要问题是多只电池串并联组成系统应用时,其性能与单体应用差距较大,对电池的寿命有较大影响,寿命可能只能达到单体应用的几分之一甚至十几分之一,这使得锂离子电池的大容量集成应用存在着较大的技术难度,并会显著增加运行维护的成本。

  钠硫电池的能量密度高,是铅酸电池的3~4倍;可大电流、高功率放电;充放电效率高。有望在新一代电网中承担多种作用,如削峰填谷、解决可再生能源的功率输出波动问题,等等。钠硫电池的正常运行温度为300-350℃,维持运行过程中的温度以及相应的安全问题成为限制其应用的制约因素;在钠硫电池内部故障时还可能产生2000℃的高温,这进一步加重了人们对钠硫电池安全性的担忧。

  矾液流电池也是近年来被认为具有商业化前景的大规模化学电池。矾液流电池具有很多明显优点:适合于作为大容量储能装置;作为能量转换反应的电堆和电解液可分开存放,可通过补充充电状态的电解液实现“瞬间”充电;可快速充放电而不致明显影响电池寿命;充放电次数多;能量效率高达80%以上;无污染,环境友好。矾液流电池的主要问题是能量密度低,体积大(这在与风电等可再生能源发电方式配套时可能并不构成主要问题),目前的造价还较高,以及作为其核心技术的离子膜技术掌握在少数国外大公司手里。

  (5)超级电容储能

  电容器是电力系统中最常用的元件之一,能够以电场能的形式存储能量,并以很高的效率在电能和电场能之间相互转换。由于普通电容器的能量密度低,在电力系统中主要用来作无功补偿或滤波应用,这可看作是时间尺度非常小的储能应用。超级电容器的出现使得应用电容器储能产生了质的飞跃。尽管超级电容器是电化学器件,但其储能过程中并不发生化学反应,它的特性更接近于电容器,而不同于电池。超级电容器的功率密度高,可快速充放电,因此特别适用于短时高功率输出的场合。超级电容器充放电循环次数远高于电池,可达10万次以上。目前限制超级电容器应用的主要障碍是其成本较高。

  (6)超导储能

  电感器也是电力系统中最常用的元件,多用在限流、滤波和无功补偿场合。由于普通电感器线圈不可避免地存在的不可忽略的电阻,其带来的损耗使得普通电感器几乎不能用来作时间尺度稍长的储能元件。超导技术的发展使得应用电感进行储能成为可能。超导材料需要在低温环境下才能维持其超导特性,低温超导材料需要在液氦温区工作,高昂的运行成本限制了其应用。近年来,高温超导材料不断取得令人鼓舞的进展,液氮温区高温超导材料的实用化,必将有力地推动了超导储能技术的发展。

  3 储能技术在电力系统中的应用

  从电的发明和应用开始之日起,对储能的需求就相伴而生。随着对电能质量的要求不断提高,新能源接入电力系统的比重不断加大,电力系统运行格局的变化,对储能技术发展的需求日益迫切。

  (1)改善电能质量

  电能质量涉及电力系统的诸多方面,较早被人们认识的电能质量问题包括谐波问题以及与无功关系密切的电压偏差、电压闪变等问题。近年来,随着人们对电能质量的要求不断提高,电压暂降与暂升、三相不平衡等也成为人们关注电能质量问题。

  事实上,除了采用传统的无源元件(普通电感器和电容器)构成的无功补偿装置或谐波滤波装置,或虽然采用了电力电子技术,但其补偿原理的实质仍依赖与普通电感器或电容器的SVC装置或晶闸管投切的滤波装置外,所有以电力电子换流器(目前主要为电压源型逆变器)为基础构成的无功补偿、有源滤波、解决电压暂降问题的动态电压恢复器等装置中,根据其补偿原理都需要配备储能环节。但目前已进入实用化的动态无功补偿装置STATCOM及有源滤波器APF,其直流侧的电容器在很小的时间尺度上(毫秒级或10毫秒级)进行能量的存储与释放,其过程与传统意义的无功补偿类似。如果STATCOM进行不对称的无功补偿(可用来解决系统的三相不平衡问题),其直流侧电容器能量存储与释放的时间尺度就会增大,为了保证直流电压的波动不致太大而影响装置的正常工作,就需要加大直流电容器的容量以提高其储能能力。

  近年来,电压暂降成为越来越引起人们关注的电能质量问题。解决电压暂降问题的动态电压恢复器方案或其他方案,因为需要向负载提供较长时间的有功功率支援而需要较大时间尺度的能量存储与释放,既需要储能元件能够提供较大功率,又要求其具备足够的容量。显然,普通电容器或电抗器难以满足要求。采用超级电容器、超导、飞轮作为动态电压恢复器的储能环节都具有技术上的可行性,但它们高昂的成本是限制其普及的主要障碍。

  (2)可再生能源并网发电

  随着煤炭、石油、天然气等化石将在看得到的未来逐渐枯竭,开发新能源并使其实用化已是刻不容缓的任务。目前风力发电的装机容量已在电力系统中占有一定比重,大规模的太阳能光伏发电也开始进入实用化阶段。由于风力发电和光伏发电的随机性和波动性,并网后会给电力系统带来不利影响。近期,我国风电接入较多的地区,为了确保电力系统的安全运行,已经出现了限制风力发电的弃风现象。一方面将大自然给予的风能弃之不用,一方面要消耗宝贵的化石资源,这显然是极不经济的。目前的储能技术如超导储能和超级电容储能,可作为针对风力发电接入系统时抑制1Hz以下的功率波动的手段,随着抑制的功率波动频率降低(即时间尺度增大),所需的储能环节的容量大幅增加。在目前各种储能技术成本太高的情况下,用它们作为长时间尺度的储能手段(如削风填谷)还不现实。如果压缩空气储能能够在技术上有所突破,解决其对自然地理环境的依赖,有可能成为长时间尺度的储能解决方案。

  (3)微网

  随着各种可再生能源发电技术逐步成熟,使得分布式发电(DG)成为未来发展的趋势,这将使得电力系统的运营模式和格局发生显著变化。微网是适应于分布发电的电网结构,可以最大限度地接纳可再生能源发电方式发出的电能,作为智能电网的重要组成部分,将在很大程度上决定未来智能电网技术走向。另一方面,在微网并网运行时,由于可再生能源的不确定性的特点,它们的大量接入必然会给电网运行带来困难。显然,储能技术是解决这些困难的有效方法。微网除了并网运行方式以外,还可能以脱网的方式独立运行,在这种运行方式下,储能技术更是微网中保证用户电能质量的不可或缺的重要组成部分。由于微网运行的特点,其中储能装置的配置需要多元化,既需要响应速度快的大功率储能设备如飞轮储能、超级电容储能、超导储能用来解决一些动态问题,又需要电池这类储能容量大、但响应速度较慢的储能设备。

  发达国家已经对智能电网进行了多年的研究和建设,我国也提出了建设“坚强智能电网”的目标。显然,这一目标的实现离不开微网技术的研究和应用,而在微网技术中,储能环节是必不可少的重要部分。

  4 结论

  经历了百年以上探索和研究,多种储能技术已经实用化或正在进入实用化阶段。但是,目前储能技术的发展还远远不能满足电力系统对储能的需求。研发大容量、大功率、低造价的储能装置在电力系统发展的今天比以往更加迫切,储能技术的发展任重而道远。

  参考文献

  [1] 刘昌金,胡长生,李霄,等.基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计.电力系统自动化,2008,32(16),83-88.

  [2] 李霄,胡长生,刘昌金,等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制.电力系统自动化,2009,33(9),86-90.

  [3] 李强,袁越,谈定中.储能技术在风电并网中的应用研究进展.河海大学学报,2010,38(1),115-122.

  [4] 陈伟,石晶,任丽,等.微网中的多元复合储能技术.电力系统自动化,2010,34(1),112-115.

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