電力生產過程是連續進行的, 發電、輸電、變電、配電、用電必須時刻保持平衡; 電力系統的負荷存在峰谷差, 必須留有很大的備用容量, 造成系統設備運行效率低。應用儲能技術可以對負荷削峰填谷, 提高系統可靠性和穩定性, 減少系統備用需求及停電損失。另外, 隨著新能源發電規模的日益擴大和分布式發電技術的不斷發展, 電力儲能系統的重要性也日益凸顯。儲能技術的應用是在傳統電力系統生產模式基礎上增加一個存儲電能的環節, 使原來幾乎完全剛性的系統變得柔性起來, 電網運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。因此有人將儲能技術譽為電力生產過程中的第六環節 , 電力儲能技術的應用前景非常廣闊。
1．儲能技術在堅強智能電網中的作用
優質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標, 儲能技術尤其大規模儲能技術具備的諸多特性得以在發電、輸電、配電、用電4 大環節得到廣泛應用, 儲能技術是構建智能電網及實現目標不可或缺的關鍵技術之一。
1. 1儲能技術在電力系統穩定中的作用
儲能技術的應用可以改變傳統電力系統穩定控制的思維方式, 從一個新的角度認識電力系統的穩定性問題, 并尋求一種可能會徹底解決電力系統穩定性的方法。在傳統的電力系統中, 任何微小擾動引起的動態不平衡功率都會導致機組間的振蕩, 而只要儲能裝置容量足夠大而且響應速度足夠快, 就可以實現任何情況下系統功率的完全平衡, 這是一種主動致穩電力系統的思想。由于這種與儲能技術相關的穩定控制裝置不必和發電機的勵磁系統共同作用, 因此,可以方便地使用在系統中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時, 由于這種穩定控制裝置所產生的控制量可直接作用于導致系統振蕩的源頭, 對不平衡功率進行精確的補償, 可以較少甚至不考慮系統運行狀態變化對控制裝置控制效果的影響, 因此裝置的參數整定非常容易, 對于系統運行狀態變化的魯棒性也非常好。
1. 2儲能技術在新能源發電中的作用
化石能源供應不足已成為全球經濟發展的瓶頸。同時, 使用化石能源造成的環境污染問題已受到全球的高度重視, 積極開發新能源和儲能技術, 減少人類對化石能源的依賴, 已成為業界和科技界研究的熱門課題。在可再生能源中, 風能和太陽能因來源豐富、取之不盡、用之不竭, 并在利用過程中無環境污染或污染很小而特別引起關注, 但風能和太陽能存在間歇性、不穩定性和不可控性等缺陷, 為保證其供電的均衡性和連續性, 儲能裝置成為風力發電、光伏發電系統的關鍵配套部件。因此, 在利用太陽能和風能的同時, 必須重視儲能技術的開發。近年來, 特別是在!中華人民共和國可再生能源法∀出臺之后, 我國風力發電和光伏發電產業發展迅速, 但大規模發展新能源仍存在技術瓶頸, 主要是風力發電、光伏發電的并網技術、發電的間歇性問題需要成熟的儲能技術加以解決。因此, 在新能源裝機容量提升的同時, 必須同步提升儲能容量, 有效地改善其電能輸出質量。
1. 3儲能技術在分布式發電中的作用
當今社會對電力供應的質量與安全可靠性要求越來越高, 傳統的大電網供電方式由于自身的缺陷已經不能滿足這種要求。目前, 大電網與分布式發電相結合被世界上很多能源電力專家公認為是能夠節省投資、降低能耗、提高電網安全性和靈活性的主要方法, 是21 世紀電力工業的發展方向。
分布式發電是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的配置較小的發電機組, 以滿足特定用戶的需要或支持現存配電網的經濟運行。分布式發電包括微型燃氣輪機發電、燃料電池儲能、可再生能源如太陽能和風力發電等。基于電網穩定性和經濟性考慮, 分布式發電系統要存儲一定數量的電能, 用以應付突發事件。現代儲能技術已得到了一定程度的發展, 在分布式發電中已經起到了重要作用, 可以改善電能質量、維持電網穩定; 在分布式電源不能發電期間向用戶提供電能。
1. 4儲能技術在電動汽車中的作用
電動汽車以電能為動力, 能夠實現運行時零排放、低噪音, 是解決能源和環境問題的重要手段。堅強智能電網的建設將大大促進電動汽車的發展, 包括建成完善的電動汽車配套充放電基礎設施網絡, 形成科學合理的電動汽車充放電站布局, 充放電站基礎設施滿足電動汽車行業發展和消費者的需要, 電動汽車與電網的高效互動得到全面應用。與傳統燃油汽車相比, 電動汽車還存在充電時間長、續駛里程短、使用成本高等一系列問題。其中儲能技術是阻礙電動汽車產業發展的主要瓶頸, 儲能技術的發展必將帶動電動汽車產業的更大發展。
電力生產過程是連續進行的, 發電、輸電、變電、配電、用電必須時刻保持平衡; 電力系統的負荷存在峰谷差, 必須留有很大的備用容量, 造成系統設備運行效率低。應用儲能技術可以對負荷削峰填谷, 提高系統可靠性和穩定性, 減少系統備用需求及停電損失。另外, 隨著新能源發電規模的日益擴大和分布式發電技術的不斷發展, 電力儲能系統的重要性也日益凸顯。儲能技術的應用是在傳統電力系統生產模式基礎上增加一個存儲電能的環節, 使原來幾乎完全剛性的系統變得柔性起來, 電網運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。因此有人將儲能技術譽為電力生產過程中的第六環節 , 電力儲能技術的應用前景非常廣闊。
1．儲能技術在堅強智能電網中的作用
優質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標, 儲能技術尤其大規模儲能技術具備的諸多特性得以在發電、輸電、配電、用電4 大環節得到廣泛應用, 儲能技術是構建智能電網及實現目標不可或缺的關鍵技術之一。
1. 1儲能技術在電力系統穩定中的作用
儲能技術的應用可以改變傳統電力系統穩定控制的思維方式, 從一個新的角度認識電力系統的穩定性問題, 并尋求一種可能會徹底解決電力系統穩定性的方法。在傳統的電力系統中, 任何微小擾動引起的動態不平衡功率都會導致機組間的振蕩, 而只要儲能裝置容量足夠大而且響應速度足夠快, 就可以實現任何情況下系統功率的完全平衡, 這是一種主動致穩電力系統的思想。由于這種與儲能技術相關的穩定控制裝置不必和發電機的勵磁系統共同作用, 因此,可以方便地使用在系統中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時, 由于這種穩定控制裝置所產生的控制量可直接作用于導致系統振蕩的源頭, 對不平衡功率進行精確的補償, 可以較少甚至不考慮系統運行狀態變化對控制裝置控制效果的影響, 因此裝置的參數整定非常容易, 對于系統運行狀態變化的魯棒性也非常好。
1. 2儲能技術在新能源發電中的作用
化石能源供應不足已成為全球經濟發展的瓶頸。同時, 使用化石能源造成的環境污染問題已受到全球的高度重視, 積極開發新能源和儲能技術, 減少人類對化石能源的依賴, 已成為業界和科技界研究的熱門課題。在可再生能源中, 風能和太陽能因來源豐富、取之不盡、用之不竭, 并在利用過程中無環境污染或污染很小而特別引起關注, 但風能和太陽能存在間歇性、不穩定性和不可控性等缺陷, 為保證其供電的均衡性和連續性, 儲能裝置成為風力發電、光伏發電系統的關鍵配套部件。因此, 在利用太陽能和風能的同時, 必須重視儲能技術的開發。近年來, 特別是在!中華人民共和國可再生能源法∀出臺之后, 我國風力發電和光伏發電產業發展迅速, 但大規模發展新能源仍存在技術瓶頸, 主要是風力發電、光伏發電的并網技術、發電的間歇性問題需要成熟的儲能技術加以解決。因此, 在新能源裝機容量提升的同時, 必須同步提升儲能容量, 有效地改善其電能輸出質量。
1. 3儲能技術在分布式發電中的作用
當今社會對電力供應的質量與安全可靠性要求越來越高, 傳統的大電網供電方式由于自身的缺陷已經不能滿足這種要求。目前, 大電網與分布式發電相結合被世界上很多能源電力專家公認為是能夠節省投資、降低能耗、提高電網安全性和靈活性的主要方法, 是21 世紀電力工業的發展方向。
分布式發電是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的配置較小的發電機組, 以滿足特定用戶的需要或支持現存配電網的經濟運行。分布式發電包括微型燃氣輪機發電、燃料電池儲能、可再生能源如太陽能和風力發電等。基于電網穩定性和經濟性考慮, 分布式發電系統要存儲一定數量的電能, 用以應付突發事件。現代儲能技術已得到了一定程度的發展, 在分布式發電中已經起到了重要作用, 可以改善電能質量、維持電網穩定; 在分布式電源不能發電期間向用戶提供電能。
1. 4儲能技術在電動汽車中的作用
電動汽車以電能為動力, 能夠實現運行時零排放、低噪音, 是解決能源和環境問題的重要手段。堅強智能電網的建設將大大促進電動汽車的發展, 包括建成完善的電動汽車配套充放電基礎設施網絡, 形成科學合理的電動汽車充放電站布局, 充放電站基礎設施滿足電動汽車行業發展和消費者的需要, 電動汽車與電網的高效互動得到全面應用。與傳統燃油汽車相比, 電動汽車還存在充電時間長、續駛里程短、使用成本高等一系列問題。其中儲能技術是阻礙電動汽車產業發展的主要瓶頸, 儲能技術的發展必將帶動電動汽車產業的更大發展。
2．儲能技術原理與常用的儲能方式
2. 1儲能技術的原理與特點
由儲能元件組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的電網接入裝置成為儲能系統的兩大部分。儲能裝置主要實現能量的儲存、釋放或快速功率交換。電網接入裝置實現儲能裝置與電網之間的能量雙向傳遞與轉換, 實現電力調峰、能源優化、提高供電可靠性和電力系統穩定性等功能。儲能系統的容量范圍比較寬, 從幾十千瓦到幾百兆瓦; 放電時間跨度大, 從毫秒級到小時級; 應用范圍廣, 貫穿整個發電、輸電、配電、用電系統; 大規模電力儲能技術的研究和應用才剛起步, 是一個全新的課題, 也是國內外研究的一個熱點領域。
2. 2常用的儲能方式
目前, 儲能技術主要有物理儲能( 如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等) 、化學儲能( 如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級電容器等) 和電磁儲能( 如超導電磁儲能等) 等。
1) 物理儲能中最成熟、應用最普遍的是抽水蓄能, 主要用于電力系統的調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等。抽水蓄能的釋放時間可以從幾個小時到幾天, 其能量轉換效率在70%~ 85% 。抽水蓄能電站的建設周期長且受地形限制, 當電站距離用電區域較遠時輸電損耗較大。壓縮空氣儲能早在1978 年就實現了應用, 但由于受地形、地質條件制約, 沒有大規模推廣。飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉, 將電能轉化為機械能存儲起來, 在需要時飛輪帶動發電機發電。飛輪儲能的特點是壽命長、無污染、維護量小, 但能量密度較低, 可作為蓄電池系統的補充。
2) 化學儲能種類比較多, 技術發展水平和應用前景也各不相同:
蓄電池儲能是目前最成熟、最可靠的儲能技術, 根據所使用化學物質的不同, 可以分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。鉛酸電池具有技術成熟, 可制成大容量存儲系統, 單位能量成本和系統成本低, 安全可靠和再利用性好等特點, 也是目前最實用的儲能系統,已在小型風力發電、光伏發電系統以及中小型分布式發電系統中獲得廣泛應用, 但因鉛是重金屬污染源, 鉛酸電池不是未來的發展趨勢。鋰離子、鈉硫、鎳氫電池等先進蓄電池成本較高, 大容量儲能技術還不成熟, 產品的性能目前尚無法滿足儲能的要求, 其經濟性也無法實現商業化運營。
大規模可再生燃料電池投資大、價格高,循環轉換效率較低, 目前尚不宜作為商業化的儲能系統。
液流儲能電池具有能量轉換效率較高,運行、維護費用低等優點, 是高效、大規模并網發電儲能、調節的首選技術之一。液流儲能技術在美國、德國、日本和英國等發達國家已有示范性應用, 我國目前尚處于研究開發階段。
超級電容器是20 世紀80 年代興起的一種新型儲能器件, 由于使用特殊材料制作電極和電解質, 這種電容器的存儲容量是普通電容器的20~ 1 000倍, 同時又保持了傳統電容器釋放能量速度快的優點, 目前已經不斷應用于高山氣象站、邊防哨所等電源供應場合。
3) 超導電磁儲能利用超導體制成線圈儲存磁場能量, 功率輸送時無需能源形式的轉換, 具有響應速度快、轉換效率高、比容量/ 比功率大等優點, 可以充分滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節, 提高電網穩定性和功率輸送能力的要求。和其他儲能技術相比, 超導電磁儲能仍很昂貴, 除了超導體本身的費用外, 維持系統低溫導致維修頻率提高以及產生的費用也相當可觀。目前, 在世界范圍內有許多超導電磁儲能工程正在運行或者處于研制階段。
3．儲能產業的發展前景
由于我國的能源中心和電力負荷中心距離跨度大, 電力系統一直遵循著大電網、大電機的發展方向, 按照集中輸配電模式運行, 隨著可再生能源發電的飛速發展和社會對電能質量要求的不斷提高, 儲能技術應用前景廣闊。國家電網公司近期確定的智能電網重點投資領域中包括了大量儲能應用領域, 如發電領域的風力發電和光伏發電中應用儲能技術項目, 配電領域儲能技術, 電動汽車充放電技術等。儲能技術主要的應用方向有: 1)風力發電與光伏發電互補系統組成的局域網, 用于偏遠地區供電、工廠及辦公樓供電; 2)通信系統中作為不間斷電源和應急電能系統; 3)風力發電和光伏發電系統的并網電能質量調整; 4)作為大規模電力存儲和負荷調峰手段;5)電動汽車儲能裝置;6)作為國家重要部門的大型后備電源等。隨著儲能技術的不斷進步, 安全性好、效率高、清潔環保、壽命長、成本低、能量密度大的儲能技術將不斷涌現, 必將帶動整個電力行業產業鏈的快速發展, 創造巨大的經濟效益和社會效益。
4．促進大容量儲能產業發展的政策建議
1) 將儲能與新能源發展同步規劃。按照實現整個電力系統安全運行和效率最優的原則, 在規劃新能源發電和電網輸送線路的同時, 應提出相應的儲能解決方案, 明確儲能發展的規模和建設區域等。
2) 實施峰谷電價和儲能電價政策。峰谷電價在不同地區可有所差別, 但應盡量為電網削峰填谷和吸引儲能投資創造更大空間。
3) 規范新能源發電技術要求與并網管理。國家應出臺有關新能源并網的強制性技術標準,建立強制并網認證和檢測制度。實施新能源發電出力短期預測報告制度, 提高短期預測能力和水平。電網公司對符合入網要求的電能應及時全額接收, 對電能質量差、發電預測誤差大的新能源發電可選擇性接收, 并建立相應的懲罰機制。
4) 鼓勵投資主體多元化。在理順投資回報機制、規范入網技術要求的前提下, 應鼓勵發電商、電網公司、用戶端、第三方獨立儲能企業等任何有條件的投資方投資建設儲能裝置。
5) 加緊安排多個儲能示范項目。通過實施若干個儲能示范項目為儲能企業提供重要的工程實踐機會, 為未來大規模應用儲能技術積累技術數據和運行經驗。在示范項目中, 要結合考慮各類儲能技術的性能, 在全面評價基礎上, 根據具體用途選用合適的儲能技術。早期的示范項目可先與風力發電、光伏發電相結合, 探索應用于風力發電和光伏發電的儲能技術。
6) 加大對大容量儲能技術的研發投入, 鼓勵儲能技術多元化發展。儲能技術的研究應超前于需求發展, 不能等到出現瓶頸的時候再考慮加大投入, 另外需進一步加大對儲能技術基礎研究的投入, 鼓勵原始創新, 掌握自主知識產權。應將大規模儲能技術研究及其產業化應用列入國家科技重大專項。由于目前還沒有任何一項儲能技術完全勝任各種應用領域的要求, 因此在重點扶持液流電池、鋰離子電池等關鍵技術的同時, 也應鼓勵和支持其他儲能技術發展。
5．結語
儲能技術的應用是堅強智能電網建設的重要組成部分, 可以有效地實現需求側管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷, 可以提高電力設備運行效率、降低供電成本, 還可以作為促進可再生能源應用,提高電網運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。智能電網的構建將促進儲能技術升級、推動儲能需求尤其是大規模儲能需求的快速增長, 從而帶來相應的投資機會。隨著儲能技術的大量應用必將在傳統的電力系統設計、規劃、調度、控制方面帶來變革。儲能技術關系到國計民生, 具有越來越重要的經濟價值和社會價值, 國家應該盡快研究儲能技術的相關產業標準, 加強儲能技術基礎研究的投入, 切實鼓勵技術創新, 掌握自主知識產權; 從規模儲能技術發展起始階段就重視環境因素, 防治環境污染; 充分發揮儲能在節能減排方面的作用, 把對新能源的鼓勵政策延伸到儲能環節。