近年來可再生能源已成為發展最快的能源種類，據相關報告預估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電技術、以及將不同能源整合的綜合解決方案，將在能源結構占據主要地位。本文從分布式電源并網應用的角度，討論了儲能技術的應用現狀和未來發展趨勢。

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,成為現代電力系統的重要發展趨勢[1]。隨著分布式發電技術的快速發展和國家相關政策的引導支持,分布式電源在配電網中的滲透率將逐步提高。然而,由于傳統配電網的電壓等級低,網架結構薄弱,調節能力不足,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的電壓、功率以及頻率波動更為劇烈,嚴重降低了電力系統的電能質量和運行安全可靠性[2]。分布式電源并網使傳統的無源配電網發展過渡為有源配電網,改變了系統的潮流流向,出現功率逆向傳輸,這顛覆了現有輻射狀配電網的理論基礎,對配電網的保護設施提出巨大挑戰。伴隨著我國經濟發展和產業升級,現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、金融系統等高新技術行業也對供電可靠性和電能質量提出了更高的要求[3]。

儲能技術是可再生能源接入、分布式發電以及智能電網發展必不可少的支撐技術,不僅有效平滑功率波動、消除峰谷差、實現需求側管理,還可提高電力設備運行效率、降低供電成本,成為提高電網運行穩定性和可靠性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。此外儲能技術還可以協助電力系統故障重啟與快速恢復,提高系統的自愈能力[4-6]。利用儲能系統的雙向功率特性和靈活調節能力,可以有效解決可再生能源并網帶來的一系列問題,從而提高系統對分布式電源的接納能力,優化電網資源配置,提高電網資產的利用率[2]。

本文歸納了不同類型儲能技術的特點和發展現狀,總結儲能在可再生能源并網應用的研究現狀和示范工程,并提出儲能是促進分布式電源并網應用、提高就地消納能力、實現分布式電源匯聚效應的關鍵環節。

1 儲能技術的特點以及發展現狀

儲能按照能量存儲形態,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。抽水蓄能是目前發展最成熟的儲能技術。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,將電能轉化為水的勢能;負荷高峰時設備工作于發電機狀態,利用上游水庫勢能發電。其特點是:站址水頭高、發電庫容大、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數小時至數天,綜合效率為70%～85%。抽水蓄能在電力系統中的應用主要包括削峰填谷、提供備用容量、調頻調相、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。飛輪儲能系統由高速飛輪、軸承支撐系統、電動機/發電機、功率變換器、電子控制系統和真空泵、緊急備用軸承等附加設備組成。負荷低谷時,飛輪儲能系統通過電動機帶動飛輪高速旋轉,以動能形式儲存能量,完成電能-機械能的轉換過程;負荷高峰時,高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發電,然后經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、循環使用壽命長、積木式組合系統容量可達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、電網調峰和頻率控制。

(3) 壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能電站是一種用于快速調峰的燃氣輪機發電廠。其工作原理是負荷低谷時段利用電網剩余電能壓縮空氣,并將其貯藏在典型壓力為7.5 MPa的高壓密封設施內;負荷高峰時段釋放高壓空氣以驅動燃氣輪機發電。壓縮空氣儲能輔助運行的燃氣輪機在發電時,所耗燃氣比常規機組減少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高、循環使用壽命長、響應速度快,可以實現冷起動、黑起動。壓縮空氣儲能主要用于峰谷電能回收調節、平衡負荷、頻率調制、分布式發電系統備用等[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;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生可逆的化學反應實現電能-化學能轉換的能量存儲技術。電池是能量轉換的主要載體,由正極、負極、隔膜和電解質組成,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,正極的活性物質在外電源的作用下被氧化,失去電子;負極的活性物質獲得電子,被還原。在此過程中,電池正、負極板上的有效物質逐漸恢復,電解質濃度升高,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、轉換效率高、建設周期短、站址適應性強。根據化學物質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,以硫酸溶液為電解質,至今已經有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發展比較成熟,在備用電源、電動汽車等領域應用廣泛。

(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成,通過離子交換膜將二者隔離,工作時通過電解液的循環流動實現能量存儲。液流電池具有功率和容量相對獨立、循環壽命長、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的釩離子為電池正、負電極的活性材料,以硫酸為電解質。在電池充放電過程中,電解液中釩離子的價態發生改變,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]。液流電池技術發展迅速,目前已取得長足進步,世界各國相繼建成投產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成。充電時鋰離子由正極經電解質流向負極,放電過程相反。鋰電池具有能量密度高、能量轉換效率高、循環壽命長等優點,經過多年發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,用于電力系統調峰、調頻、平抑分布式發電功率波動等。

(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隔膜的二次電池。鈉離子透過電解質隔膜與硫發生可逆反應,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、循環壽命長、響應速度快。超級電容器歷經數十年的發展,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、動態電壓恢復等,在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電可靠性[18]。

(2) 超導磁儲能。超導磁儲能系統主要由超導儲能磁體、低溫系統、電力電子變流系統和監控保護系統構成。超導磁儲能系統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換。超導線圈在超導狀態下無焦耳熱損耗,其電流密度比常規線圈高1～2個數量級,具有毫秒級響應速度、轉換效率高(≥96%)、比容量(1～10 Wh/kg)/比功率(104～105 kW/kg)大等優點,可以與電力系統進行實時能量交換和功率補償。超導磁儲能系統可用于消除電網的低頻功率振蕩,改善電網的電壓和頻率特性,還可用于系統故障恢復和緊急支撐,提高系統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,從環境中吸收或向環境放出熱量,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:使用溫區大、比熱容高、換熱性能好,主要應用在太陽能熱發電系統中。

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

2 聯合分布式電源并網的儲能應用現狀

高滲透率分布式可再生電源并網可能引起配電網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的電壓穩定、電能質量以及供電可靠性產生不可忽視的影響[29-30]。在現有的配電網結構和控制水平下,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使傳統配電網中用戶側單一負荷消耗的屬性發生改變,用戶側需與電網側深入互動,以促進本地能源消納。應用儲能系統可實現多能互補利用,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參數

針對儲能在分布式電源并網領域發揮的作用,國內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電提供了新思路和可靠的技術支撐,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功率的波動,利用儲能系統快速充放電特性,減小可再生能源并網對配電網的沖擊,增強配電網的可控性。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化,使得功率在不同儲能裝置之間最優分配。

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電引起的潮流倒送,使變電站與上級電網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電爬坡率,提升高滲透分布式發電的配電網端運行穩定性;浙江東福山島利用儲能平抑風光波動,提高新能源利用率,輔助柴油發電機維持微電網穩定,提升微電網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。利用儲能系統實現用電負荷的時空轉移,延遲配電設備容量升級。文獻[36]研究了基于動態規劃的電池儲能系統削峰填谷實時優化,提出了一種基于動態規劃的實時修正優化控制策略,可在優化模型中引入充放電次數限制和放電深度限制等非連續約束條件,并通過將電池電量離散化等方法解決含有非連續約束的優化問題。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,參與用電側的峰谷調節,嘗試峰谷套利,可實現配電網側削峰填谷、調頻、調壓和孤島運行等多種應用功能[38]。

(3) 儲能用于改善電能質量。文獻[39]探討了蓄電池/超級電容器混合儲能系統的建模與控制問題。將儲能系統接入配電網中,通過控制策略雙向調節其有功功率和無功功率,達到穩定配電網公共連接點處的電壓,并抑制其負載波動的目的,從而改善配電網電能質量。文獻[40]以超級電容作為電能質量調節器,分析了其電路拓撲結構,采用非隔離型Buck-Boost雙向DC/DC變換實現直流電壓的轉換,應用電壓源型變換器實現DC/AC變換。該電能質量調節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。