电化学储能装置对电网的影响

孙　阔

（国网天津市电力公司城西供电分公司天津300113）

电化学储能装置对电网的影响

孙阔

（国网天津市电力公司城西供电分公司天津300113）

介绍了电力储能设备（EES）的基本分类，及其大规模应用对电网所形成的影响。以POWERWALL为例介绍了可以广泛用于家庭的分布式储能电源的配置，分析了其未来所具有的巨大应用发展前景。

EES；分布式发电；峰谷差、供电可靠率

实现绿色用能、提升电网建设和运行水平离不开电力储能技术(Electric EnergyStorage,EES)。储能技术的应用不仅在很大程度上解决了新能源发电的随机性和波动性问题，使间歇性的、低密度的可再生清洁能源得以广泛、有效地利用，同时还在配网中发挥了对电力负荷的削峰填谷的作用，减少系统备用需求和停电损失，提高系统供电的可靠性、经济性、灵活性和稳定性。近年来，世界各国投入了大量的精力对储能技术开展了大量的技术研究，并取得了一定的经验。

1　电力储能基本形式

应用于电力系统发电、输电、配电、用电等各环节的储能技术千差万别，储能规模和适用范围也具有较大的差异，总体上可以按照所存储能量的形式及储能技术的工作原理分为物理储能和化学储能。不同储能方式均有适合自己的独特运行场所，需要根据电力系统具体的需求来选择储能方式。如图1所示。

图1　电能存储技术的分类

化学储能是通过化学反应将化学能和电能进行相互转换以存储能量的技术，是电能存储方式的一个重要形式。化学储能具有响应速度快，不受地理等外部条件的限制，并且在功率和能量上可根据不同应用需求灵活配置等特点，在电力配网中具有较大的应用优势，电化学储能技术在近年来一直处于快速发展阶段。目前研究得较多的主要有锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池、钠/氯化镍电池、铅酸电池、镍氢电池、锂硫电池、锂空气电池等，其内部的核心结构基本相同，电化学储能技术目前需要重点突破的方向是电池的使用寿命较短、高成本。

2　提升电网供电能力

储能设备的应用可以有效降低用户停电时间，变相增加电网容量，从而缓解升级改造电网设备的压力。假设以下案例。

2.1储能设备的额定输出功率是电网容量的4%且该区域的负荷以每年2%的速率增长。电网容量在转年已无法满足该区域符合需求。

2.2为该区域供电为35kV某变电站。变电站当前为两台变压器运行，升级后三台变压器分列运行。

2.3该次电网改造费用（包括变压器新投、配线新出切改、输配电设备）约为2000万元。

2.4假设新投变压器容量为20MW。则增容产生的电价增量为2000万元/20MW=1000元/kW。

依照本案例的假设，储能设备占电网容量4%，在以2%负荷增速的电网中可缓解至少两年的增容改造压力。

3　平抑光伏对电网冲击

2013年底，中国发电总装机量达1250GW，其中包含91.4 GW风电（占7.3%的比例）。除了火力发电和水力发电，风电也是中国第三大电力来源。而中国的光伏发电装机量达18.1 GW，占全国的1.5%，超越美国成为全球最大的光伏市场。光伏发电有诸多优势，但其输出功率受天气等因素而波动剧烈，余电上网的分布式光伏发电对电网的冲击一直是电力部门难以解决的问题。

图2　光伏输出功率曲线

如图2所示，光伏的输出功率会因云对阳光的遮挡而时刻变化，单一的分布式光伏对电网冲击可忽略不计，但大规模配置的光伏电源会因云层、天气、时间、季节性光照时间等因素对电网产生较大波动。

而与分布式光伏配合的储能设备可以让光伏输出曲线更“平滑”。而在白天充电，夜间放电的储能装置可以让独立的供电体系更符合电网的负荷曲线。

4　缩小负荷峰谷差

多数地区的负荷峰值集中于夏季某一特殊时段，这是因为大规模且集中使用空调造成的。然而空调在全年用电量中不是基本负荷，负荷周期很短。为满足短期空调负荷而扩建电网，造成了电力系统10%～20%的容量（发、输、变、配电等设备）的利用率极低——仅提供了占全年1%～2%的用电量。但即使如此电力部门仍然在对现有设备进行增容改造，来匹配新增用电负荷。空调等周期性负荷通常叠加在原有的负荷峰值，也就造成了该段时期电价最高、效率最低、发电污染最高（如火电站）。同时输、配电系统因负荷剧增而造成损耗上升，变压器等设备产生油温高等不安全因素。大规模空调负荷同时启动也会造成电网电压骤降，对电网产生一定的威胁。

将分布式储能设备与空调等周期性负荷相连，在电网负荷低谷时充电，峰值时供电便可减少周期性负荷对电网的压力进而降低对电网设备增容的需求，直接作用于电网企业的经济效益。同时避免夏季电网设备长时间高负荷运转，降低设备故障率，延长设备寿命，有利于电网的安全运行。

5　减少用户电费支出

由于电能是一种生产与消费同时进行的产品，为了提升电力设备的利用率，降低社会对发电及电网设备最大容量的要求，很多城市实行峰谷电价制度。以上海居民电价为例，高峰时段最高为每度0.977元，低谷时段为0.487元，每度电有0.49元的差价。

分布式发电离不开储能设备。以家庭的太阳能发电为例，政策鼓励方向，一般会有补贴。根据2013年7月的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，目前光伏发电每度电有0.42元国家补贴。此外，各地还有地方补贴，上海市是每度电0.40元，两者相加就是0.82元。假设投资4万元，在屋顶装了5kW的太阳能板，平均一天可以发电15kW·h，每日可领取补贴12.30元，一年则有4000余元。

6　家用储能电池技术

家用储能电池技术是一种用于家庭用户侧的微型电化学电能存储单元，近年来技术发展迅速。以Tesla生产的Powerwall家用储能电池为例，该设备储能容量为7kW·h，将白天储存的太阳能在夜间进行供电，且足以支持整夜的家用电能需求。对于用电负荷需求大的用户，可以配置组合型Powerwall，其储能容量为10kW·h，图3为家用储能设备示意图。

图3　家用储能设备示意图

（太阳能板：白天将太阳能转化为日常用电并对储能设备进行充电。

家用储能设备：储能电池从光伏板或电网汲取电能进行充电。

逆变器：逆变器将光伏、储能电池供应的直流电转化为交流电，为家用电器进行供电。

电控面板：从逆变器转化的交流电将被传输到电控面板。在没有光照的情况下，用户从电网汲取电能通过电控面板上送到逆变器，转化为直流电并对储能电池进行充电。

备用面板及开关：备用面板中所配备的自动开关，在电网故障停电时自动启用备用面板。在用户在遭遇电网故障停电时，备用面板可让光伏DG持续产能来提高供电可靠性。

正常居民夜间用电(在不使用大功率洗衣机、空调等设备情况下)约为3 kW·h～5kW·h。而Powerwall储备的7kW·h足以支持其在整晚的电力需求，如表1所示。

Powerwall目前共有储存10 kW·h和储存7 kW·h等两种规格的产品，储存10 kW·h的Powerwall Home Battery主要用于作应急电源使用，而可以储存7 kW·h的Powerwall Home Battery主要供家庭日常生活使用，如表2所示。

这套储能装置体积不大，可以像热水器一样挂在墙上，通过拼接能扩大容量，最大容量分别可达到63 kW·h电和90 kW·h电，持续供电输出能力为2kW，峰值电量3kW，充放电能效92%。如果这套储能设备运行于目前上海市区，并实现低谷充电高峰放电，那么每用10 kW·h电可节省4.9元电费，连续用上13年便可回收成本乃至甚至盈利。

特斯拉还提供了一套工业版电源系统Powerpack，可以储存100 kW·h，并可以进步扩大为500 kW·h电乃至1×104kW·h。这些电池系统利用和当地电网连接的双向逆变器，可实现2h或4h连续放电。

表1　电器平均耗电量

表2　POWERWALL参数表

相对居民用Powerwall，Powerpack更倾向于公用事业，是一套完整的能源管理解决方案。整个系统高度集成，设计使用寿命长，应用范围广泛，可调节峰谷用电量，控制输配电延时，提供持续稳定的电力供应，并可参与电网服务。目前美国加州的沃尔玛超市已经在试用。这套系统能够降低企业在高峰时段的用电支出、改善电力负荷曲线，并可兼容现有电网。

7　结语

储能技术领域有可能在未来十年内发生革命性技术突破，新能源的发展有赖于储能技术的支撑；提升电网供电能力和电网设备利用率的重要手段是运用储能技术，在电网建设规划中应超前考虑到储能装备的大量使用，在储能装备的应用中应注重不同储能技术的优化应用。

家用储能技术对于居民用电具有良好的经济效益前景，必将成为应用最广泛、发展最迅速、绿色、经济的家庭实用用电技术，在今后配网建设中应考虑到适应家用储能技术的应用。

[1]https://www.teslamotors.com/powerwall.

[2]中国电网储能技术发展前景巨大.电缆网,2014,11,8.