储能技术在电力系统中的应用

高春雷

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

近年来，新型能源如风电和光伏发电得到了迅猛发展，但由于其具有波动特性，大规模开发和利用将使供需矛盾进一步突出。因此，亟需突破储能关键技术，开发储能装备，以提高一次能源和输变电设备的利用效率，大容量电储能技术必然是电力行业亟待解决的难题。本文介绍了储能技术的发展现状，阐述了储能技术在电力系统中的应用，并展望了储能技术未来的方展方向。

1 储能技术的发展现状

储能技术的快速发展促使储能系统在整个电力系统中的多个方面方发挥着重要应用，其中较为重要的包括保证电力系统的稳定性运行、改善电能质量、调峰削谷等［1］。

储能装置在电网中所发挥的作用主要体现在以下几个方面［2－9］。

1)削峰填谷。

2)提供应急电源，提高可靠性，改善电能质量。

3)一次调频，改善电网特性。

4)满足可再生能源系统的需要。

储能技术按其具体方式可分为电化学储能(铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池等)、电磁储能(超级电容器、超导电磁储能等)和机械储能(飞轮储能、抽水蓄能等)［10－14］。

1.1 电化学储能

1.1.1 铅酸蓄电池

尽管铅酸蓄电池还有不少缺点，但是目前能够商业化运用的主要还是铅酸蓄电池，它具有成本低廉、原材料丰富、制造技术成熟、能够实现大规模生产等优点。但是铅酸蓄电池体积较大，特性受环境温度影响比较明显。

1.1.2 磷酸铁锂离子电池

具有较高功率比和能量比的磷酸铁锂电池与其他电池相比具有明显优势，在动力电池的体系中也是最有发展前景的。但是电池的安全性问题一直是大功率磷酸铁锂电池发展和实际应用的最大制约，即电池在过充、短路、冲压、穿刺、振动、高温热冲击等条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全行为。

1.1.3 钠硫电池

钠硫电池在300℃的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫(S)，负极活性物质是液态金属钠(Na)，中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池具有许多特色:比能量高，理论比能量为760 W·h/kg，实际已大于100 W·h/kg;可大电流、高功率放电;充放电效率高，充放电电流效率几乎为100%。

1.1.4 超级电容器

电化学的双电层理论是利用超级电容器进行储能的基本原理。在电力系统中超级电容器主要应用在改善电能质量和平抑大功率、短时间的负荷，例如启动和支撑功率较大的直流电机等。超级电容器储能系统可以在浮充的条件下工作超过10 a，所以能够在电压跌落和瞬态干扰时改善和加强供电水平。超级电容器安装简单、体积小，可在各种环境下运行(热、冷和潮湿)，现在已为低功率水平的应用提供商业服务［15－17］。

1.2 超导储能

超导电磁储能(SMES)的原理是利用超导体的特性制成线圈用来储存磁场能量，不必进行能源形式变换就可以进行功率输送。超导电磁储能系统具有快速响应能力(ms级)、能量转换效率高(≥96%)、比容量(1～10 W·h/kg)/比功率(104～105 kW/kg)大等优点，能够完成电力系统实时功率补偿以及大容量能量交换。

目前，在世界范围内有许多超导电磁储能系统工程正在进行或处于研制阶段，在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面开始发挥作用。

1.3 机械储能

1.3.1 飞轮储能

飞轮储能的原理是将电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储。飞轮储能系统具有建设周期短、有效寿命较长等优势。此外，飞轮储能系统充电的次数是无限制的，充电快速，对环境基本没有污染。但是，飞轮储能系统的日常维护费用要比其他储能系统高很多。

现开发出大功率的飞轮储能系统，并应用于航空及UPS领域，以Beacon Power为领先水平的研究机构目前正在竭力对飞轮储能系统的设计进行优化，目的是在降低制作和维护成本的同时将飞轮储能系统应用于长时间(几个小时)的能量存储过程。

1.3.2 抽水储能

抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量。抽水蓄能电站和太阳能、风能相结合，专门保证高峰用电的供应，从电力的调配上最为合理。水能发电的优势在于可以根据实际情况控制发电时机，启动和关闭闸门都比较容易。抽水储能电站储存能量的释放时间在几小时至几天，综合效率在70%～85%。

2 储能技术在电力系统中的应用

2.1 电池储能的应用

电池储能系统在智能电网发电、输电、变电、配电、用电各个环节得到广泛应用，作用主要为削峰填谷、备用电源、提高新能源并网能力和电网调频。

2.1.1 发电环节的应用

电池储能系统可提高大规模风/光发电的安全并网运行能力，其容量配置需结合运行方式和应用目标进行计算。根据目前的示范工程，平滑风电瞬间功率波动的储能系统容量一般为风电的20%～30%;按计划保持小时级稳定功率输出的储能系统容量一般为风电的60%～70%。因此，大规模风/光发电场储能系统的典型容量为几十MW以上，存储时间为几十分钟至几小时。通过升压变，接入35 kV及以上的输电线路，储能系统的接入方式如图1 a所示。

电气工程可以通过智能化的处理器将实际发生的数据进行处理，同时快速的对每个环节进行分析判断，对不同的处理器产生不同的影响。采用智能化的电气工程处理方式帮助解决了电气工程系统信息不一致的问题，克服了信息缺陷的问题，保证了信息资源的正确性和精准性，对整个电气工程的信息化有着至关重要的影响。

2.1.2 输电环节的应用

电池储能系统可充分利用现有的电网资源，提高输电线路输送能力和效率，降低输电成本，还可以通过频率、有功/无功控制提高输电网运行的安全稳定性。输电侧的储能系统用作调频调峰电站，容量为几十MW，存储时间为0.25～4 h。储能系统通过35 kV或110 kV电压等级线路接入电网，并网运行，如图1 b所示。

2.1.3 变电环节的应用

电池储能系统可以显著提高电网稳定性和可靠性，减小电网供电峰谷差。变电侧的储能系统一般以削峰填谷模式运行，容量较大(功率至少为MW级)，存储时间4～8 h。变电侧的储能装置一般在35 kV或110 kV变电站的10 kV母线上接入，并网运行，如图1 c所示。

图1 电池储能在电力系统中的应用

2.2 蓄电池和超级电容器混合储能系统的应用

根据目前超级电容器与蓄电池的物理特性进行分析，这两种储能系统在技术特性方面具有一定的互补性。蓄电池储能系统能量密度较大，循环寿命较短，功率密度小，放电和充电效率低，对放电和充电过程敏感，频繁充放电和大功率充放电方面较差。然而，与之特性相反的超级电容器能量密度较低，现在还不适合在电力系统中进行大规模的应用。但是，如若把蓄电池储能系统和超级电容器同时应用，将超级电容器功率密度大、循环寿命长与蓄电池能量密度大等特性相结合，会有效地增强储能系统的性能［18－20］。

2.3 飞轮储能技术的应用

2.3.1 提高电网对可再生能源接纳能力

风力发电、光伏发电具有间歇性特点，可再生能源的大规模接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。飞轮储能与风力发电相配合供电，可以避免柴发启动时的短时停电，减少柴发启停次数，提高风能利用效率，降低发电成本和电价。澳大利亚的 Coral Bay、Sand Bay、Nine Miles Beach、Denham、日本的Dogo Island、美国的Alaska等一系列岛屿电网，采用了飞轮储能来提高电网的稳定性，可减少风电出功波动对系统电压和频率的影响，并最大可能地降低柴油发电机的出力。

电力系统的绝大多数稳定问题是暂态稳定问题，对储能装置需求的特点是瞬间功率大、持续时间短。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，主动参与系统的动态行为，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。采用飞轮储能技术的电站可以满足需求，利用其快速调节特性，可以在同样容量下获得双倍的调节效果。美国Beacon Power公司于2008年12月在马萨诸塞州建成了1 MW/250 kW·h调频电厂，2009年8月，美国能源部支持其建设两个20 MW飞轮储电站。随着技术进一步成熟，飞轮储能技术还可以用于负荷中心的削峰填谷，提高电网运行的经济性。

3 未来储能系统的前景展望

3.1 低成本与高效快速储能系统的开发

目前，大规模应用与推广储能系统的主要难题在于其成本太高，因此，成本的降低与能量转换效率的提高是储能技术发展的重要方面之一。储能技术在改善电能质量和增强微电网稳定性的应用过程中，电能的释放和存储速度是控制的关键。

3.2 不同储能系统的混合应用

不同的微电网储能方法都有其各自的局限性和缺点，而如果要对其自身的固有技术特性进行改良会在成本上付出巨大代价。所以，结合各种不同储能方式的特性进行混合应用就能够取长补短，更加充分地发挥不同储能方式所具有的优点，达到功率和能量等各个方面的要求，与此同时还能够把储能系统的循环寿命有效延长，这也是电力系统储能领域研究与发展的新热点。

3.3 大力发展液流电池储能

液流储能系统目前已经拥有钒溴、全钒、多硫化钠/溴等诸多体系。液流储能系统的电化学极化非常小，其中全钒液流储能系统具有较大的储能容量和较高的能量效率、能够完成快速放电和充电、可100%深度放电、有效寿命长等诸多优势。全钒液流储能系统现在已实现市场商业化运作，可以有效平滑波动的风电功率。作为与其配套的储能系统，氧化还原液流电池由于具有成本低、效率高、寿命长等优势，市场前景较为广阔。

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