新能源發電系統中儲能技術的集成應用

0 引 言

儲能技術具有“削峰填谷”作用。在滿負荷生產下, 電力系統可將多余電力儲存起來,等到發電量處于低谷時,又將相應電力釋放出來,從而減少系統波動,保證電網正常運行。隨著國家經濟建設的不斷推進,儲能技術在城市供水、軌道交通等各個行業都得到廣泛應用。

1 儲能技術的內涵和特征

儲能技術包含電容和超導等多個組件,運行時不僅將新能源轉換成電力,還要將其儲存在特定區域,以確保后續傳輸和電力轉換等一系列工作順利進行。超導部件的功能就是利用超導線圈來高效儲存電力,然后按控制接口要求將這些能量轉化為電力,這種方法的運用可在短時間內實現能量轉換。另外,超級電容和飛輪也是一種很常用的能量儲存方式,其可將新能源能量轉化為更高功率電能,特別是超級電容相當于一種巨大的電力儲存裝置,容量可達30 MJ。其基本運行功率很大,可在峰值時段為用戶提供可靠電源,不過其在應對突發狀況下的電壓突然變化時,仍無法達到預期要求,所以超級電容只能在比較平穩的環境中使用,以防發生漏電損失等危險狀況。

2 儲能技術的應用場景

根據使用場合,可將其劃分為:容量型、能源型、 動力型和備用型。① 容量型儲能場景。電力系統通常需要持續儲能至少4 h,如削峰填谷、離網蓄能等。其中, 電容性儲能的主要類型有:抽水蓄能、壓縮空氣、冷儲熱、氫儲能碳、鈉硫電池、液流電池、鉛-碳電池等。 ② 功率型儲能場景。通常需要15~30 min的持續蓄能時間,在電網頻率調節及電網平穩運行等場合,此類蓄能裝置可滿足電網迅速變化的需求。③ 能量型儲能場景。 通常需持續1~2 h的儲能,其可滿足獨立儲能電站、電網側儲能、0.5 C/1 C的磷酸鐵鋰電池等多種組合使用場景。 ④ 備用型儲能場景。儲能時間通常不少于15 min,以滿足信息中心、通信基站等應急供電需求。

3 新能源發電系統中的儲能技術

3.1 風力發電中的儲能技術應用

當某一區域有大量風電機組時,為改善風電機組運行的穩定性和供電品質,降低其低壓跨越成為當前風電行業面臨的首要問題。應用儲能技術,既可保證供電需求,又可將過剩電能吸納并儲存,從而既不損害風力發電設備,又可增強其電壓跨越性,且可實現對風機的動態調整,并及時作出反應,保證電力系統安全、 穩定運行。

3.2 光伏電站的儲能技術應用

(1)光伏脫網技術。在太陽能光伏發電領域,最常見的是分布式光伏發電技術,該技術由光伏組件、控制器和蓄電池組成。在電池充放電過程中,由太陽能電池模塊將輸出的直流電能儲存到電池內,而當其釋放時,通過逆變器及放電控制電路將直流電能轉化為交流電源,從而實現對負荷的供電。早期離網系統所使用的電池多為鉛酸鹽型,其中以家用離網系統、光伏路燈為最多。

(2) 太陽能微電網。光伏微網作為一種新型的分布式電源,主要用于家庭、小企業等,它既具有獨立的供電能力,又具有獨立的接入能力,當大電網斷網后,可將其從并網過渡到孤島,以實現順利切換。

(3) 配備儲能的大規模光伏發電裝置。針對大規模光伏發電項目,將蓄能裝置設置在電廠交流端,以滿足電網調峰需求。我國多個省份已明確規定,大規模的地表光伏電站應配備蓄能裝置,其容量與蓄能裝置的容量為10∶1,且蓄能裝置的充電量不少于2 h。

3.3 物理儲能技術

傳統的儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能3種。抽水蓄能利用峰谷電價差來儲存電能, 是目前應用最為廣泛的大型儲能技術。其工作原理是: 在水流的上游和下游分別建設一座蓄水池,在用電低谷時段,驅動電機將下游蓄水池的水泵送到上游蓄水池進行儲存;在用電高峰時段,釋放上游蓄水池的水能,驅動發電機組發電,從而滿足高峰時段的用電需求。而壓縮空氣蓄能技術則可在電網負載低谷時,利用電能對空氣進行壓縮,將其以高壓密閉形式儲能于廢棄礦井、儲氣罐、廢棄油井或儲氣井中,在電網負載峰值時,又將被壓縮的氣體放出,進而帶動渦輪發電。壓縮空氣蓄能技術響應速度快,利用效率高,可實現約75%的電能轉化率,是一種發展潛力很大的儲能技術。

3.4 相變儲能技術

在新能源電網中,相變儲能是一種重要的儲能方式, 與之相關的相變蓄熱技術主要有電蓄熱、冰蓄冷和熔鹽儲熱等。其中,冰蓄冷是指利用一定的制冷媒體來調控電能,以降低高峰用電負荷。熔鹽蓄熱是通過將鹽類溶液中的礦物質轉化為液態,再通過熱循環方式進行換熱蓄熱,該方式不僅換熱效果好,且耐腐蝕性強。電儲熱技術是指利用金屬或水作為媒體,便于散熱與儲存,可極大提高能量轉換效率。

3.5 分布式混合能源系統

分布式混合能源系統通過充分利用各類新能源優勢, 將其與儲能設備進行融合,可克服單個能量供應不穩定問題,進而提高電網整體運行效率與品質。在此基礎上, 通過對負載均衡進行高效調控,充分發揮功率器件作用, 從而提升分布式混合能源系統在自主與接入兩種條件下的穩定與可靠度,保障供電品質。

4 新能源發電系統中儲能技術的應用

4.1 電網側

儲能裝置的引入能夠有效增強電力網絡的調峰容量, 減輕用電峰值時的供電壓力,達到削峰填谷、平穩配電網絡負載波動、確保電力供應安全性和可靠性的效果。利用靈活性高和響應速度快的無功補償裝置,在有功發生大幅變化時,利用蓄能裝置進行調節,可保持電網頻率的穩定性,增加網側新能源消納量。隨著新能源大量進入電網,電網側將覆蓋更多微電網和有源配電網絡, 微電網中風、光等新能源的波動對電網運行造成嚴重沖擊,為此在微電網中引入儲能裝置,既能保持微電網能源均衡,又能緩解棄風棄光等問題。有源配電網絡由風光等分布式電源、可控負荷、分布式儲能等組成,其能主動參與系統運行、調控和管理,進而提升分布式新能源的接入容量。

4.2 光伏并網中儲能技術的合理運用

儲能是解決光伏電站瞬態電源平衡的一種有效方法。 實踐中采用無源并聯儲能技術,以實現對儲能系統的充電和放電,達到抑制光伏電源負載變化的目的。超級電容-蓄能復合儲能在新能源電網中極具發展前景,是儲能領域的重要發展方向。要想進一步提高我國電力供應的品質和穩定性,就必須對現有儲能體系進行優化和改進,使得電力波動更為平穩。此外,出于經濟和技術考慮,還需進一步強化現有儲能體系的內部容量, 以適應國內新能源發電系統對能量存儲的實際需求。

4.3 風能電力系統中儲能技術的合理運用

電能實時平衡對新能源電網的平穩運行至關重要。

采用蓄能技術,能夠在某種范圍內對電網的有功與無功進行合理配置,從而實現最優的暫態平衡,維護電網平穩運行。為保證風電機組的電壓穩定性,采用儲能方法能有效克服風力發電過程中出現的各種故障,如風力發電、輸電線路等的故障。當電網發生事故時,利用蓄能裝置,使風電機組安全可靠地工作;在有風速擾動時, 風力發電系統亦可獲得較好的穩定性。風力發電功率可控性差是限制風力發電系統穩定運行的關鍵問題,采用蓄能可使風力發電功率平穩增長,進而提升風力發電能力。在抑制風力發電的同時,采用串聯并聯的超級電容器蓄能技術對風力發電進行平穩調節,能有效改善風力發電系統的運行穩定性。此外,還可將飛輪蓄能單元并聯入電機驅動的永磁同步電機中,以對風機進行模糊控制,保障風機平穩運行。

5 結語

新能源發電在我國迅速發展,但其自身缺陷制約著它的持續發展。新能源電力系統中的儲能裝置尚無法實現大容量、大功率輸出,所以各國都在開展新能源電力系統中的儲能技術研究,這一技術目前尚處起步階段, 但它有著巨大的發展空間。比如,通過將風力和風能等新能源的電能以高壓燃氣形式儲存起來,以達到循環再利用的目的;采用鋰離子蓄電池進行電能儲存是一種新型儲能方式,在汽車等行業具有廣闊的應用前景。