储能技术在新能源电力系统中的应用

中广核风电有限公司 徐华利 张 星 吴 刚

1 储能技术的分类与特点

1.1 储能技术的分类

储能技术是指在能量供应过剩时将能量转化为其他形式并存储起来，以供能量需求高峰时使用的技术。储能技术的分类主要包括机械式储能技术、化学式储能技术、电化学储能技术和热储能技术四大类。

一是机械式储能技术：机械式储能技术是指将能量转化为机械能，并通过某些装置将其存储起来。机械式储能技术主要包括重物式、弹簧式、飞轮式、压缩空气式等。其中，压缩空气式储能技术是当前应用最广泛的机械式储能技术之一。

二是化学式储能技术：化学式储能技术是指将能量转化为化学能，并通过某些装置将其存储起来。化学式储能技术主要包括氢气储存技术、氧化还原反应储能技术等[1]。其中，氢气储存技术是当前应用最广泛的化学式储能技术之一。

三是电化学储能技术：电化学储能技术是指将能量转化为电能，并通过某些装置将其存储起来。电化学储能技术主要包括电容器式、电池式、超级电容器式等。其中，电池式储能技术是当前应用最广泛的电化学储能技术之一。

四是热储能技术：热储能技术是指将能量转化为热能，并通过某些装置将其存储起来。热储能技术主要包括水蒸气储热技术、蓄热材料储热技术等。

1.2 储能技术的特点

不同类型的储能技术各自具有独特的特点，但都有以下几个共同的特点。

一是高效性：储能技术可以将能量转化为其他形式并储存，以备不时之需。这种储存过程通常比较高效，能够实现较低的能量损失。

二是灵活性：储能技术可以储存不同类型的能量，可以根据需要灵活选择储存方式，提高能源利用效率。

三是可持续性：储能技术可以使得新能源的波动性得到克服，从而实现能源持续性。在新能源电力系统中，储能技术的应用可以实现电力的平衡和稳定，有效提高电网的可靠性和可持续性。

四是可控性：储能技术可以根据需求随时释放能量，提供电力调峰和峰谷电价的支持，从而实现电力系统的负荷平衡。

五是环保性：储能技术可以实现能量的高效利用和能源的可持续性，有助于降低化石能源的消耗和减少环境污染。储能技术比较见表1。

表1 储能技术比较

2 储能技术在新能源电力系统中的应用

新能源电力系统具有不可控、间歇性和波动性等特点，这些特点对电力系统的安全、稳定性和可靠性带来了一定的挑战。为了解决这些问题，储能技术在新能源电力系统中得到了广泛应用。

2.1 储能技术在风电系统中的应用

风力发电具有不可控和波动等特点，需要通过储能技术来平衡供需之间的差异。目前，风电系统中应用较广的储能技术主要包括。一是压缩空气储能技术：压缩空气储能技术是将风能转化为机械能，然后将机械能转化为压缩空气，储存于容器中，待需要电能时释放压缩空气驱动发电机发电的一种技术。压缩空气储能技术具有高效、长寿命、低成本等优点，适用于大容量、长时间储能。二是电池储能技术：电池储能技术是将风能转化为电能，通过电池进行储存，待需要电能时通过逆变器将电能转化为交流电的一种技术。电池储能技术具有高效、快速响应、低噪声等优点，适用于小容量、短时间储能。

2.2 储能技术在太阳能系统中的应用

太阳能发电也具有不可控和波动等特点，需要通过储能技术来平衡供需之间的差异。目前，太阳能系统中应用较广的储能技术主要包括。

一是锂离子电池储能技术：锂离子电池储能技术是将太阳能转化为电能，通过电池进行储存，待需要电能时通过逆变器将电能转化为交流电的一种技术。锂离子电池储能技术具有高效、快速响应、长寿命等优点，适用于小容量、短时间储能。

二是熔盐储热技术：熔盐储热技术是将太阳能转化为热能，通过熔盐进行储存，待需要热能时释放热能驱动发电机发电的一种技术。熔盐储热技术具有高效、长寿命、适用于大规模储能等优点，适用于大容量、长时间储能。

2.3 储能技术在微电网系统中的应用

微电网是指小范围的电力系统，可以与主电网进行互联互通，也可以独立运行。储能技术在微电网系统中的应用可以提高系统的安全性、可靠性和经济性。目前，微电网系统中应用较广的储能技术主要包括：

一是超级电容储能技术：超级电容储能技术是将微电网系统中的电能转化为电荷存储在电容器中，待需要电能时通过逆变器将电荷释放为电能的一种技术。超级电容储能技术具有高效、快速响应、长寿命等优点，适用于小容量、短时间储能。

二是纳米钛酸盐储能技术：纳米钛酸盐储能技术是将微电网系统中的电能转化为化学能，通过储存于纳米钛酸盐材料中，待需要电能时将化学能转化为电能的一种技术。纳米钛酸盐储能技术具有高效、长寿命、适用于大容量、长时间储能等优点[2]。

3 储能系统的设计与效益评价

3.1 储能系统的设计原则

一是储能容量应根据电网规模和负荷变化确定。二是储能系统应选用可靠的储能技术，且具有高效率、长寿命、低成本等特点。三是储能系统应设置在电力系统中心或大型负荷点附近，以降低输电损耗和提高系统可靠性。四是储能系统的建设应考虑环境保护和社会效益。五是储能系统应与电网协调运行，确保电力系统稳定可靠。

3.2 储能容量的计算方法

储能容量的计算需要考虑负荷预测和储能技术特性。储能容量的计算：

式中，Estor为储能容量，单位为kWh；ΔHi为第i个时间段内储能系统需要储存的能量，单位为kW ；Δti为第i个时间段的长度，单位为h ；n为时间段的总数。负荷预测可以采用统计学方法和人工智能方法，结合历史负荷数据和天气预报数据进行预测。储能技术特性包括储能效率、充放电速率、储能成本等，应根据实际情况进行评估。

3.3 储能系统的效益评价指标

3.3.1 经济效益指标

储能系统成本：储能系统成本包括建设成本和运维成本两部分。建设成本包括设备采购、安装、调试等费用，运维成本包括人员工资、设备维护等费用。储能系统成本的计算：

式中，Ic为建设成本，Im为运维成本。

储能系统收益：储能系统收益包括节省能源费用和电力市场收益两部分。节省能源费用是指由于储能系统的使用，电网能够更加灵活地管理负荷，降低峰谷差，节约能源消耗。电力市场收益是指由于储能系统的参与，可以更好地应对电力市场的需求和价格波动，获取更高的收益。储能系统收益的计算：

式中，Rev为储能系统收益；Se为储能系统的收入，包括节省的能源费用和电力市场收益；Sc是储能系统的成本，包括建设成本和运维成本。储能系统收益比较见表2。

表2 储能系统收益比较

3.3.2 环境效益指标

减少温室气体排放：储能系统可以将风电、光伏等不稳定能源的电力转化为储能电力，减少对传统化石能源的依赖，从而减少温室气体排放。减少的温室气体排放量的计算：

式中，ΔE是减少的温室气体排放量，单位为t；Cf是温室气体排放因子，单位为t；CO2排放量/kWh；Es是储能系统的储能容量，单位为kWh；η是储能系统的储能效率。

减少空气污染：储能系统可以协调电力系统运行，提高电力系统的稳定性和可靠性，减少电力系统发生故障的概率，从而减少火力发电机组的运行时间和空气污染物排放量。减少的空气污染物排放量的计算：

式中，ΔP是减少的空气污染物排放量，单位为t；Cp是空气污染物排放因子，单位为t/kWh；Tu是火力发电机组的总运行时间，单位为h；η是储能系统的储能效率。

3.3.3 电力系统运行效益指标

一是储能系统的响应速度：储能系统应具有快速响应的能力，可以在电力系统发生负荷波动时，快速地向电网提供或吸收电力，以维持电力系统的平衡和稳定。储能系统的响应速度可以用其放电或充电功率来衡量[3]。

二是储能系统的功率容量和能量容量：储能系统的功率容量是指其在单位时间内可以向电网提供或吸收的最大功率，通常以兆瓦为单位。能量容量是指储能系统可以储存的最大电能量，通常以MWh 为单位。

三是储能系统的可靠性和稳定性：储能系统需要具有良好的可靠性和稳定性，以确保其在运行过程中不会发生故障，影响电力系统的稳定和安全。可以通过储能系统的故障率和维修时间等指标来评估其可靠性和稳定性。温室气体排放因子见表3。

表3 温室气体排放因子

4 结语

在当今能源转型的大背景下，储能技术的发展越来越受到关注。通过本文的介绍，了解储能系统的定义、分类、工作原理以及收益和效益指标等方面的内容。储能系统的应用可以有效地提高电力系统的可靠性、灵活性和经济性，同时也有助于减少温室气体排放和空气污染物排放。随着储能技术的不断发展和成本的不断降低，储能系统将会越来越广泛地应用于电力系统、工业制造、交通运输等领域，为人类创造更加清洁、安全、可持续的未来。