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 本文归纳了分歧类型储能手艺的道理、特点和合用前提,和国表里对储能结合可再生能源并网利用的理论研究和示范项目。引见了结合散布式电源并网的储能利用近况和将来成长趋向。提出储能是增进散布式可再生能源并网利用、提高当场消纳能力、实现散布式电源会聚效应的要害环节。

（本文来历：电器与能效 微旌旗灯号 ）

0 引 言

散布式电源分离多点安插,接近需求中间,可以或许增进可再生能源高效操纵,成为现代电力系统的主要成长趋向[1]。跟着散布式发电手艺的快速成长和国度相干政策的指导撑持,散布式电源在配电网中的渗入率将慢慢提高。但是,因为保守配电网的电压品级低,网架布局亏弱,调理能力不足,高渗入率光伏、风电等散布式电源的间歇性和波动性使配电网的电压、功率和频次波动更加猛烈,严峻下降了电力系统的电能质量和运转平安靠得住性[2]。散布式电源并网使保守的无源配电网成长过渡为有源配电网,改变了系统的潮水流向,呈现功率逆向传输,这倾覆了现有辐射状配电网的理论根本,对配电网的庇护举措措施提出庞大挑战。陪伴着我国经济成长和财产进级,现有的配变电装备容量将没法知足日趋增添的高负荷需求,进步前辈制造、金融系统等高新手艺行业也对供电靠得住性和电能质量提出了更高的要求[3]。

储能手艺是可再生能源接入、散布式发电和智能电网成长必不成少的支持手艺,不但有用光滑功率波动、消弭峰谷差、实现需求侧治理,还可提高电力装备运转效力、下降供电本钱,成为提高电网运转不变性和靠得住性、调剂频次、抵偿负荷波动的一种手段。另外储能手艺还能够协助电力系统毛病重启与快速恢复,提高系统的自愈能力[4-6]。操纵储能系统的双向功率特征和矫捷调理能力,能够有用处理可再生能源并网带来的一系列问题,从而提高系统对散布式电源的采取能力,优化电网资本设置装备摆设,提高电网资产的操纵率[2]。

本文归纳了分歧类型储能手艺的特点和成长近况,总结储能在可再生能源并网利用的研究近况和示范项目,并提出储能是增进散布式电源并网利用、提高当场消纳能力、实现散布式电源会聚效应的要害环节。

1 储能手艺的特点和成长近况

储能依照能量存储形态,可分为机器储能、电化学储能、电磁储能和相变储能。此中,机器储能包罗抽水蓄能、紧缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包罗超导、超等电容和高能密度电容储能;电化学储能包罗铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包罗冰蓄冷储能等[4]。

1.1 机器储能

(1) 抽水蓄能。抽水蓄能是今朝成长最成熟的储能手艺。抽水蓄能电站工作时必需配备上、下流两个水库,负荷低谷时装备工作在电念头状况,将电能转化为水的势能;负荷岑岭时装备工作在发机电状况,操纵上游水库势能发电。其特点是:站址水头高、发电库容年夜、接近负荷中间。抽水蓄能电站建筑容量矫捷,贮存能量的释放时候可延续数小时至数天,分析效力为70%～85%。抽水蓄能在电力系统中的利用首要包罗削峰填谷、供给备用容量、调频调相、告急变乱备用和黑起动。另外,还能够共同火电站和核电站运转,提高其运转效力[7-8]。今朝,我国已建成的抽水蓄能电站有20余座,已投产的抽水蓄能电站总装机容量跨越了17 GW。

(2) 飞轮储能。飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支持系统、电念头/发机电、功率变换器、电子节制系统和真空泵、告急备用轴承等附加装备构成。负荷低谷时,飞轮储能系统经由过程电念头带动飞轮高速扭转,以动能情势贮存能量,完成电能-机器能的转换进程;负荷岑岭时,高速扭转的飞轮作为原念头拖动机电发电,然后颠末功率变换器输出电流和电压,完成机器能-电能的能量释放进程。飞轮储能的特点是:比容功率年夜、响应速度快、轮回利用寿命长、积木式组合系统容量可达MW级,但项目造价较高[9-10]。其首要用处为不中断电源/应急电源、电网调峰和频次节制。

(3) 紧缩空气储能。紧缩空气储能电站是一种用在快速调峰的燃气轮机发电厂。其工作道理是负荷低谷时段操纵电网残剩电能紧缩空气,并将其储藏在典型压力为7.5 MPa的高压密封举措措施内;负荷岑岭时段释放高压空气以驱动燃气轮机发电。紧缩空气储能辅助运转的燃气轮机在发电时,所耗燃气比常规机组削减40%,可有用削减电厂排放,下降投资运转费用。紧缩空气储能电站的扶植投资和运转本钱均低在抽水蓄能电站,但其能量密度低、站址要求高,易受岩层等地形前提的限制。紧缩空气储能电站的平安系数高、轮回利用寿命长、响应速度快,能够实现冷起动、黑起动。紧缩空气储能首要用在峰谷电能收受接管调理、均衡负荷、频次调制、散布式发电系统备用等[11-12]。1978年,世界首坐紧缩空气储能电站在德国建成并投运,随后美国、日本、瑞士也接踵进行了研发;而我国的紧缩空气储能今朝仅逗留在理论研究和小型实验阶段。

1.2 电化学储能

电化学储能是指经由过程产生可逆的化学反映实现电能-化学能转换的能量存储手艺。电池是能量转换的首要载体,由正极、负极、隔阂和电解质构成,操纵电池正、负极的氧化还原反映完成充放电进程。电池充电时,正极的活性物资在外电源的感化下被氧化,掉去电子;负极的活性物资取得电子,被还原。在此进程中,电池正、负极板上的有用物资逐步恢复,电解质浓度升高,并依此判定电池充电水平。电解液中的阴、阳离子在电场力的感化下别离向正极和负极挪动。电池放电进程与充电进程相反。电化学储能的特点是能量密度年夜、转换效力高、扶植周期短、站址顺应性强。按照化学物资的分歧能够分为铅酸电池、液流电池、锂离子电池、钠硫电池等储能情势[13]。

(1) 铅酸电池。铅酸电池别离以二氧化铅PbO2和海绵状金属铅为正、负极活性物资,以硫酸溶液为电解质,至今已有150多年的汗青。铅酸电池具有自放电小、电池寿命长、比容量高、年夜电流机能好、凹凸温机能不变、制造和保护本钱低等特点[14],并且无“回忆效应”。今朝,铅酸电池的收受接管操纵手艺成长比力成熟,在备用电源、电动汽车等范畴利用普遍。

(2) 液流电池。液流电池的正负极由包括分歧氧化还原电子对的电解液组成,经由过程离子互换膜将两者隔离,工作时经由过程电解液的轮回活动实现能量存储。液流电池具有功率和容量相对自力、轮回寿命长、可超深度放电等特点,首要包罗全钒液流电池(VRB)、锌溴液流电池和多硫化钠/溴液流电池等。VRB以电解液中分歧价态的钒离子为电池正、负电极的活性材料,以硫酸为电解质。在电池充放电进程中,电解液中钒离子的价态产生改变,从而影响电池正极电对的尺度电极电位,现实利用时电池的开路电压通常是1.5～1.6 V[15]。液流电池手艺成长敏捷,今朝已获得长足前进,世界列国接踵建成投产kW～MW级的液流电池储能电站。

(3) 锂离子电池。锂电池的电极首要由含锂化合物组成。充电时锂离子由正极经电解质流向负极,放电进程相反。锂电池具有能量密度高、能量转换效力高、轮回寿命长等长处,颠末多年成长已在储能电站中获得普遍利用[16]。今朝,锂离子储能电站已到达MW级,用在电力系统调峰、调频、平抑散布式发电功率波动等。

(4) 钠硫电池。钠硫电池是以硫和金属钠别离作为电池正、负极,以陶瓷管作为电解质隔阂的二次电池。钠离子透过电解质隔阂与硫产生可逆反映,完成能量的存储和释放进程。钠硫电池取材丰硕、比容量年夜、能量密度和转换效力高,既可作为功率型储能利用,又可作为能量型储能利用[17]。

1.3 电磁储能

(1) 超等电容。超等电容器的根基道理是操纵电极和电解质之间构成的界面双电层来存储电能。其特点是:功率密度高、轮回寿命长、响应速度快。超等电容器历经数十年的成长,已构成电容量0.5～1 000 F、工作电压12～400 V、最年夜放电电流400～2 000 A的系列产物,最年夜贮存能量可达30 MJ。可是因为本钱较高、能量密度较低,超等电容器在电力系统中多用在短时候、年夜功率的场所,如年夜功率直流机电的起动支持、动态电压恢复等,在电压跌落和瞬态干扰时代提高供电靠得住性[18]。

(2) 超导磁储能。超导磁储能系统首要由超导储能磁体、低温系统、电力电子变流系统和监控庇护系统组成。超导磁储能系统操纵超导线圈间接存储电磁能,功率输送时无需能源情势的转换。超导线圈在超导状况下无焦耳热消耗,其电流密度比常规线圈高1～2个数目级,具有毫秒级响应速度、转换效力高(≥96%)、比容量(1～10 Wh/kg)/比功率(104～105 kW/kg)年夜等长处,能够与电力系统进行及时能量互换和功率抵偿。超导磁储能系统可用在消弭电网的低频功率振荡,改良电网的电压和频次特征,还可用在系统毛病恢复和告急支持,提高系统的靠得住性和自愈能力[19-21]。

1.4 相变储能

相变储能是操纵相变储能材料物相转变进程,从情况中接收或向情况放出热量,以到达能量存储和释放的目标,典型的相变储能有熔融盐蓄热储能。熔融盐蓄热储能的特点有:利用温区年夜、比热容高、换热机能好,首要利用在太阳能热发电系统中。

今朝,各类储能手艺的成长程度不尽不异,在集成功率品级、延续放电时候、轮回利用寿命、能量转换效力、功率/能量密度等方面均有差别,各类类型储能的首要手艺参数如表1所示[22-28]。

2 结合散布式电源并网的储能利用近况

高渗入率散布式可再生电源并网可能引发配电网中潮水流向和电压散布的改变,同时,可再生能源的随机性和间歇性将对配电网的电压不变、电能质量和供电靠得住性发生不成轻忽的影响[29-30]。在现有的配电网布局和节制程度下,因为遭到电压散布、毛病程度和装备容量的限制,配电网对散布式电源的采取能力无限[31-32]。另外,散布式可再生能源并网使保守配电网顶用户侧单一负荷耗损的属性产生改变,用户侧需与电网侧深切互动,以增进当地能源消纳。利用储能系统可实现多能互补操纵,提高可再生能源当场消纳,知足用户对电能的个性化和互动化需求。

表1 各类类型储能的首要手艺参数

针对储能在散布式电源并网范畴阐扬的感化,国表里从理论和实践两方面睁开积极摸索。这些成功案例为储能增进可再生能源发电供给了新思绪和靠得住的手艺支持,可归纳为以下几方面:

(1) 储能用在平抑功率波动。风电、光伏等散布式可再生电源出力的波动性将引发配电网功率的波动,操纵储能系统快速充放电特征,减小可再生能源并网对配电网的冲击,加强配电网的可控性。文献[33]操纵小波包将光伏功率旌旗灯号分化为高频份量和低频份量,从而取得功率型储能和能量型储能单位的充放电功率,并采取恍惚节制对其进行优化,使得功率在分歧储能装配之间最优分派。

在现实利用中,意年夜利Puglia变电站储能项目将1 MW×30 min的锂离子电池用在削减可再生能源发电引发的潮水倒送,使变电站与上级电网进行可控的能量互换;山东长岛操纵储能光滑风电场或光伏出力波动按捺可再生发电爬坡率,晋升高渗入散布式发电的配电网端运转不变性;浙江东福山岛操纵储能平抑风光波动,提高新能源操纵率,辅助柴油发机电保持微电网不变,晋升微电网中功率节制和能量治理能力[34-35]。

(2) 储能用在负荷削峰填谷。操纵储能系统实现用电负荷的时空转移,延迟配电装备容量进级。文献[36]研究了基在动态计划的电池储能系统削峰填谷及时优化,提出了一种基在动态计划的及时批改优化节制策略,可在优化模子中引入充放电次数限制和放电深度限制等非持续束缚前提,并经由过程将电池电量离散化等方式处理含有非持续束缚的优化问题。文献[37]采取恒功率充放电策略对储能进行节制,并就储能削峰填谷优化模子进行了研究,针对模子束缚中的非线性和变量不持续问题,提出一种合用在该模子的简化计较方式。

储能在负荷削峰填谷范畴利用普遍,深圳宝清4 MW/16 MWh锂电池储能电站今朝已建成投运,介入用电侧的峰谷调理,测验考试峰谷套利,可实现配电网侧削峰填谷、调频、调压和孤岛运转等多种利用功能[38]。

(3) 储能用在改良电能质量。文献[39]切磋了蓄电池/超等电容器夹杂储能系统的建模与节制问题。将储能系统接入配电网中,经由过程节制策略双向调理其有功功率和无功功率,到达不变配电网公共毗连点处的电压,并按捺其负载波动的目标,从而改良配电网电能质量。文献[40]以超等电容作为电能质量调理器,阐发了其电路拓扑布局,采取非隔离型Buck-Boost双向DC/DC变换实现直流电压的转换,利用电压源型变换器实现DC/AC变换。该电能质量调理器能够消弭电源电压的暂降、不合错误称和闪变对负载的影响,在不合错误称负载时按捺负载的负序电流对电源的影响。

(4) 储能用在晋升散布式电源会聚能力。美、日、意等国操纵储能节制变电站与上级电网的能量互换,削减可再生能源并网发生的功率倒送问题。东京电力公司基在车网互联(V2G)理念提出“BESS SCADA”,经由过程对年夜量储能单位的同一治理和节制,构成年夜范围的储能能力,但未充实表现双向互动能力。我国的薛家岛电动汽车示范项目对V2G理念做了近似测验考试。该项目配套扶植的集中充电站可同时为360辆电动汽车电池充电,可以或许实现负荷低谷存储电能,负荷岑岭或告急环境下向电网反馈电能,调理峰谷负荷最年夜可达10 520 kW[34]。

电力系统需求多样,利用情况复杂,为知足分歧工况需求,储能选型应连系本体的手艺特点。依照放电时候长短,储能可分为功率型和能量型,针对分歧工况储能选型的分类如表2所示。

表2 分歧工况下储能选型的分类

3 储能在散布式电源并网中的成长趋向

今朝,储能手艺正朝着转换高效化、能量高、密度高和利用低本钱化标的目的成长。跟着储能手艺的研究和利用日渐成熟,储能在电力调峰、电压抵偿、电能质量治理等方面阐扬愈来愈主要的感化,提高系统运转的平安性和不变性。对电力系统利用而言,储能手艺的根基特点表现在功率品级和其感化时候上。储能的感化时候是能量存储手艺价值的主要表现,是区分在保守电力系统即发即用装备的显著标记。储能手艺的利用将使现有电力系统供需瞬时均衡的保守模式产生改变,在能源革射中阐扬主要感化。跟着散布式电源的成长和智能电网的扶植,储能手艺表现出以下几方面的利用趋向:

(1) 将储能特征与可再生电源本身调理特征相连系。操纵储能系统的双向功率特征和矫捷调理能力,晋升风电、光伏等可再生能源发电的可控性,提高可再生能源当场消纳与靠得住运转能力。

(2) 储能系统利用功能由单一成长为多元。储能利用场景丰硕,感化时候笼盖秒级到小时级,由单一时候标准向多时候标准过渡,紧凑型、模块化和响应快是储能装备的成长标的目的,以充实阐扬储能功能,提高储能利用的经济性。

(3) 充实阐扬散布式储能系统会聚效应,储能系统会聚效应在电动汽车V2G运转模式已获得初步闪现。跟着电动汽车的普和和散布式储能系统的普遍利用,其会聚效应在增进可再生能源接入、用户互动等方面的劣势将慢慢凸显。

(4) 在多能互补和分析操纵中,储能成为各类类型能源矫捷转换的前言。此后将在提高用户侧分析能效和削减污染物排放中起到要害感化。

4 结 语

跟着散布式可再生能源发电的普遍利用和终端用户的双向互动,储能手艺的产物开辟、集成制造和市场利用已成为计谋性选择。以散布式可再生能源发电为根本,储能手艺为承载焦点的多能互补、双向互动将揭示第三次工业革命的成长愿景。

(1)抽水蓄能和紧缩空气储能手艺已成长成熟,因为其本钱经济、能量密度年夜、平安靠得住,现被普遍用在电网调峰;超等电容器输出功率年夜,响应速度快,但本钱较高,利用市场需进一步拓展,合用在电网调频和电能质量改良;电化学储能品种繁多、转换效力高、利用本钱低,年夜范围电化学储能手艺具有庞大的市场潜力,在新能源并网和智能电网的扶植中将饰演主要脚色。

(2)储能手艺可加强配电网潮水、电压节制能力,增进配电网对散布式电源的采取。同时,储能系统的引入将加强配电网的功率和能量调理能力,提高配电举措措施操纵效力,优化资本设置装备摆设,加速配电网进级革新。

【参 考 文 献】

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