電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)綜述

1、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)綜述摘要：近年來(lái)，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，華中地區(qū)夏季降暑、南方冬季取 暖用電負(fù)荷、晝夜的電力需求之間的峰谷差不斷加大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海、天津等城 市每天的晝夜平均電力需求峰谷差超過(guò)60%。在沒(méi)有很好的儲(chǔ)能介質(zhì)的情況下， 電網(wǎng)必須按照能滿足最大用電負(fù)荷來(lái)規(guī)劃，要求建設(shè)能夠支持負(fù)荷用電最大峰值 所需的發(fā)電廠和輸電系統(tǒng)。從而造成在谷值時(shí)，系統(tǒng)閑置容量過(guò)大所導(dǎo)致的發(fā)電 機(jī)組總體經(jīng)濟(jì)性下降、煤耗增加、線變損耗增加的狀況發(fā)生。另外，隨著智能電 網(wǎng)的建設(shè)，可再生能源的接入、以及電動(dòng)汽車充放等的影響，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一 定的沖擊。為減少或防止發(fā)生此類情況，本文將借鑒一些發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)在儲(chǔ)能 技術(shù)

2、方面的技術(shù)，淺議電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；儲(chǔ)能技術(shù)一、引言20世紀(jì)70年代末80年代初，由于電力需求增加而增加的電力投資日益昂貴，一些歐美 國(guó)家對(duì)此產(chǎn)生新的思考。即如何影響用戶端行為方式，以有利于電力供應(yīng)的最低成本計(jì)劃， 于是便產(chǎn)生了電力需求側(cè)管理（Demand Side Management， DSM）。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以 來(lái)，DSM在我國(guó)也逐步開展起來(lái)。削峰填谷作為DSM的一個(gè)重要內(nèi)容，實(shí)施削峰填谷對(duì)于 供電企業(yè)的意義：可以增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰壓力，提高設(shè)備利用率；提高供電可靠性，降低損耗， 延緩?fù)顿Y，減少可再生能源的接入、分布式發(fā)電、微網(wǎng)以及電動(dòng)汽車充放的影響對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生 的沖擊等。在削峰填

3、谷的各種方式上，儲(chǔ)能技術(shù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)可削峰填谷， 大大減少城市用電的峰谷差，既不用投資再建電廠，也避免了在谷值時(shí)系統(tǒng)閑置容量過(guò)大所 導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組總體經(jīng)濟(jì)性下降、煤耗增加的狀況發(fā)生，從而科學(xué)地達(dá)到城市節(jié)能減排的最 終目標(biāo)。日本、中東地區(qū)國(guó)家等正在大力推廣和應(yīng)用先進(jìn)的大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)，并將該技 術(shù)應(yīng)用于城市用電的儲(chǔ)能。目前，我國(guó)也正在積極研發(fā)各種先進(jìn)的電池儲(chǔ)能技術(shù)（如鈉硫電 池、鋰電池等）。2011年初，我國(guó)第一座兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能站，南方電網(wǎng)5兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能站 在深圳并網(wǎng)成功，成為世界上最大的鋰電子電池儲(chǔ)能站。目前，世界上的儲(chǔ)能技術(shù)歸納起來(lái)主要有物理儲(chǔ)能（如抽水蓄能等）、化

4、學(xué)儲(chǔ)能（如鈉 硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等） 這三大類。二、儲(chǔ)能電池技術(shù)比較迄今各國(guó)研究的兆瓦級(jí)電堆體系有鋅-漠電池、多硫化鈉-漠和全釩液流電池，主要應(yīng)用在 備用電源、電動(dòng)汽車和規(guī)模儲(chǔ)能如電網(wǎng)調(diào)峰等方面，技術(shù)主要由美、日、加拿大等國(guó)的公司 掌握。液流電池液流電池儲(chǔ)能作為新興發(fā)展的一種化學(xué)電池儲(chǔ)能，已用于光伏電池、風(fēng)力等不穩(wěn)定性發(fā) 電的蓄電。液流電池因其規(guī)模靈活、裝置安全、響應(yīng)迅速、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究 熱點(diǎn)。國(guó)外已有多個(gè)示范工程投入運(yùn)行，最大功率規(guī)模達(dá)到2MW。相比其他儲(chǔ)能電池，釩液流電池有著很大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)如下：（1）額定功率和

5、額定能量是相互獨(dú)立的，功率大小取決于電池堆，能量的大小取決于電 解液。理論上可以通過(guò)隨意增加電解液的量來(lái)達(dá)到增加電池容量的目的，能夠做成兆瓦級(jí)的 儲(chǔ)能系統(tǒng)；（2）電池電解液是循環(huán)流動(dòng)的，電池不存在熱失控的問(wèn)題，同時(shí)也減少電化學(xué)極化，使 得電池能夠大電流充放電；（3）在充放電期間，釩氧化還原蓄電池只是液相反應(yīng)，不像普通電池那樣有復(fù)雜的可引 起電池電流中斷或短路的固相變化；（4）理論上電池的保存期無(wú)限，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，超過(guò)6年。因?yàn)殡娊庖菏茄h(huán)使用的，不存在變質(zhì)問(wèn)題，只是長(zhǎng)期使用后，電池隔膜電阻有所增大；（5）能深放電但不會(huì)損壞電池，理論上可100%放電；（6）可快速進(jìn)行充放電轉(zhuǎn)換，對(duì)功率波動(dòng)迅速響應(yīng)

6、；（7）溫度對(duì)釩液流電池的影響程度比對(duì)鉛蓄電池要小得多，隨著溫度的恢復(fù)，電池性能 也完全恢復(fù)；（8）電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料價(jià)格便宜，更換和維修費(fèi)用低；（9）不會(huì)造成環(huán)境污染。全釩氧化還原液流電池全釩氧化還原液流電池通過(guò)不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存與釋放。充電時(shí)， 通過(guò)對(duì)全釩氧化還原液流電池的充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在不同價(jià)態(tài)的釩離子中；當(dāng) 發(fā)電裝置不能滿足額定輸出功率時(shí)，液流電池開始放電，把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。據(jù)研究，全釩氧化還原液流電池的充、放電性能好，能夠進(jìn)行大功率的充電和放電。這 種電池，選址自由度大、占地少，可以很好地把太陽(yáng)能和風(fēng)能融入到住宅或者工業(yè)場(chǎng)所中， 未來(lái)在大規(guī)模

7、儲(chǔ)能方面的應(yīng)用有鋰電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)。釩電池（Vanadium Redox Battery，簡(jiǎn)稱VRB）是一種新型清潔能源存儲(chǔ)裝置，經(jīng)過(guò)美國(guó)、 日本、澳大利亞等國(guó)家的應(yīng)用驗(yàn)證，與目前市場(chǎng)中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功 率、長(zhǎng)壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無(wú)污染等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于再生能源并 網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。鈉硫儲(chǔ)能電池鈉硫儲(chǔ)能電池通常被建在一個(gè)管狀設(shè)計(jì)中，并結(jié)合鈉硫等元素，鈉與硫會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng) 將電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)電網(wǎng)需要更多電能時(shí)，它又會(huì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出去。這種電池的優(yōu)點(diǎn)之一是單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量高?？梢栽诙虝r(shí)

8、間內(nèi)釋 放大量能量，是為車輛和其他應(yīng)用工具供能的良好選項(xiàng)。這種電池的缺點(diǎn)就是材料的成本高， 另一個(gè)擔(dān)心是，這種電池運(yùn)行時(shí)的溫度很高，運(yùn)行的可靠性曾受到質(zhì)疑。鋰離子電池鋰離子電池是我們最常見(jiàn)的電化學(xué)儲(chǔ)能電池，我們手機(jī)、筆記本電腦的電池多為鋰離子 電池。這種充電電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。高能效和電力容量上的 優(yōu)越性也讓鋰離子電池的市場(chǎng)擴(kuò)大到交通領(lǐng)域，現(xiàn)在許多電動(dòng)車也選用這種電池作為動(dòng)力。小型鋰電池的研發(fā)和推廣已經(jīng)非常成功，但是，鋰電池的大型化卻是困難重重，面臨造 價(jià)高、運(yùn)行溫度高和易短路等問(wèn)題。雖然在鋰離子電池的研發(fā)方面已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但是還需要很多工作來(lái)延長(zhǎng)電池 的使用

9、壽命，還要提高電池使用時(shí)的安全性并降低材料成本。與此相關(guān)的是，一位業(yè)內(nèi)人士透露，國(guó)家電網(wǎng)投資的國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸一期示范工程中，總 量18兆瓦的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)招標(biāo)暫停了，“日本人研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池規(guī)模過(guò)大時(shí)，在 能量控制上非常復(fù)雜，風(fēng)光儲(chǔ)輸項(xiàng)目的意義使得國(guó)網(wǎng)不得不再做考慮。”鉛碳電池鉛碳電池是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來(lái)的技術(shù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，增加一點(diǎn)碳，能夠顯著 提高鉛酸電池的壽命。研究人員稱，作為太陽(yáng)能和風(fēng)能儲(chǔ)能的后備選項(xiàng)，鉛酸電池能量密集 度高，是個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是，這種電池的推廣也面臨著成本問(wèn)題。這類電池的成本費(fèi)用依然維持在每千瓦小時(shí) 500美元，而研究人員認(rèn)為，需要降低成本至每千瓦小時(shí)150

10、-200美元才可行。研究人員的結(jié)論是，對(duì)這幾種電池技術(shù)的進(jìn)一步研究都至關(guān)重要，在材料、設(shè)計(jì)和工程 系統(tǒng)上的改進(jìn)和成本上的降低都是很必要的。三、物理儲(chǔ)能技術(shù)比較抽水蓄能電站抽水蓄能電站是目前最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，容量可達(dá)上萬(wàn)兆瓦時(shí)，以其運(yùn)行方式靈活和反 應(yīng)快速的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能。 一是抽水蓄能電站啟停靈活、反應(yīng)快速，具有在電力系統(tǒng)中擔(dān)任緊急事故備用和黑啟動(dòng)等任 務(wù)的良好動(dòng)態(tài)性能，可有效提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平；二是抽水蓄能電站跟蹤負(fù)荷迅 速，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，是電力系統(tǒng)中靈活可靠的調(diào)節(jié)頻率和穩(wěn)定電壓的電源，可有效 地保證和提高電網(wǎng)運(yùn)行頻率

11、、電壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，更好地滿足廣大電力用戶對(duì)供電質(zhì)量和可 靠性的更高要求；三是抽水蓄能電站利用其儲(chǔ)能性能可以降低系統(tǒng)峰谷差，提高電網(wǎng)運(yùn)行的 平穩(wěn)性，有效地減少電網(wǎng)拉閘限電次數(shù)，減少對(duì)企業(yè)和居民等廣大電力用戶生產(chǎn)和生活的影 響。然而，建造抽水蓄能電站受到建設(shè)周期較長(zhǎng)，涉及面積廣、環(huán)境影響敏感。因此，建造 需兼顧電站區(qū)域生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展模式，涉及以建筑學(xué)科為主導(dǎo)的園林景區(qū)設(shè)計(jì)、恢復(fù)生態(tài) 學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、旅游經(jīng)濟(jì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科，并要求逐步與電站工程設(shè)計(jì)無(wú)縫連接。壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮空氣儲(chǔ)能的兩大優(yōu)勢(shì)使其能夠成為一種重要的儲(chǔ)能手段。首先，壓縮空氣儲(chǔ)能在裝 機(jī)容量上可達(dá)上百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，便

12、于開展大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用；其次，壓縮 空氣儲(chǔ)能在技術(shù)上較為成熟。壓縮空氣儲(chǔ)能是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)的儲(chǔ)能技術(shù)，其原理是將燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和透平分 開。在儲(chǔ)能時(shí)，用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣容器內(nèi)；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ) 氣室釋放，進(jìn)入燃燒室助燃，燃?xì)馀蛎涷?qū)動(dòng)渦輪做功發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能的能源轉(zhuǎn)化效率較 高，一般在75%左右，其中德國(guó)一座裝機(jī)容量為29萬(wàn)千瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，其能源轉(zhuǎn) 化效率高達(dá)77%，如果再采用一些先進(jìn)的技術(shù)（如超導(dǎo)熱管技術(shù)等），其效率能進(jìn)一步提升 到80%以上。飛輪儲(chǔ)能飛輪是安裝在機(jī)器回轉(zhuǎn)軸上的具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輪狀蓄能器。當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增高時(shí)， 飛輪的動(dòng)能增加，把能量貯蓄

13、起來(lái)；當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛輪動(dòng)能減少，把能量釋放出來(lái)。 飛輪可以用來(lái)減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的速度波動(dòng)。20世紀(jì)6070年代，由美國(guó)宇航局（NASA） Glenn研究中心開始應(yīng)用。目前，美國(guó)已將飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全程調(diào)峰，飛輪機(jī) 組的發(fā)電功率為300KW，大容量?jī)?chǔ)能飛輪的儲(chǔ)能為277kW每小時(shí)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能裝置，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí) 現(xiàn)儲(chǔ)能。通過(guò)電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)，電能與高速運(yùn)轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換 與儲(chǔ)存，并通過(guò)調(diào)頻、整流、恒壓與不同類型的負(fù)載接口。在儲(chǔ)能時(shí)，電能通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器 變換后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪以動(dòng)能的形式把能

14、量?jī)?chǔ)存起來(lái)，完成電 能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)存能量過(guò)程，能量?jī)?chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機(jī)維持一個(gè)恒 定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個(gè)能量釋放的控制信號(hào)；釋能時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電， 經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓，完成機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過(guò)程。整個(gè) 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的輸入、儲(chǔ)存和輸出過(guò)程。飛輪儲(chǔ)能循環(huán)使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，工作溫區(qū)為一4050C，無(wú)噪聲，無(wú)污染，維護(hù)簡(jiǎn)單， 可連續(xù)工作，具有良好的發(fā)展前景，但是目前存在技術(shù)難點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)、低功 耗磁軸承、安全防護(hù)等方面，急需突破。四、電磁儲(chǔ)能技術(shù)比較超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)

15、，需要時(shí)再將電磁能返回 電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。它具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。不僅可用于降低 甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，還可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率和有功功率，對(duì)于改善供電品質(zhì)和提高 電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有巨大的作用。目前，小型SMES已經(jīng)商品化。由于超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）存儲(chǔ)的是電磁能，在應(yīng)用時(shí)無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換。因此系統(tǒng) 的響應(yīng)速度極快，這是其他儲(chǔ)能形式所無(wú)法比擬的，同時(shí)，它的功率密度極高，這就保證超 導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠非常迅速以大功率形式與電力系統(tǒng)的能量交換1。另外，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功 率規(guī)模和儲(chǔ)能規(guī)?？梢宰龅暮艽?，并具有系統(tǒng)效率高、技術(shù)較簡(jiǎn)單、沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分、沒(méi) 有動(dòng)密封問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)；根據(jù)

16、目前的技術(shù)狀況，MJ-MW級(jí)小規(guī)模的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)約40-60 萬(wàn)美元。超級(jí)電容儲(chǔ)能超級(jí)電容器，也叫電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能元件。1957年，美國(guó)的Becker首先提出。超級(jí)電容器按儲(chǔ)能原理可分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn) 電容器。雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種 新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固 液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲(chǔ)能是通過(guò)使電 解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并沒(méi)有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。繼雙 電層電容器后，又

17、發(fā)展了法拉第準(zhǔn)電容簡(jiǎn)稱準(zhǔn)電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或 準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生 與電極充電電位有關(guān)的電容。對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存 儲(chǔ)，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲(chǔ)存于電極中2。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種較佳的儲(chǔ)能元件，其巨大的優(yōu)越性 表現(xiàn)為：功率密度高。超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi) 均能實(shí)現(xiàn)電荷的快速儲(chǔ)存和釋放。充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中沒(méi)有發(fā) 生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬(wàn)次以上。充電時(shí)間短。完全充電只需數(shù)分鐘。實(shí)現(xiàn) 高比功率和高比能量輸出。儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。可靠性高。超級(jí)電容器工作中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件， 維護(hù)工作極少。環(huán)境溫度對(duì)正常使用影響不大。超級(jí)電容器正常工作溫度范圍在-35 75C?？梢匀我獠⒙?lián)使用，增加電容量；若采取均壓后，還可串聯(lián)使用，提高電壓等級(jí)。五、結(jié)語(yǔ)綜上所述，各種儲(chǔ)能技術(shù)均存在不同的有點(diǎn)和不足，可在不同的領(lǐng)域采用合適的儲(chǔ)能技 術(shù)。例如，在輸電側(cè)，由于電壓支持、功率因數(shù)改善及增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性，在地域條件允許的 情況下，可采用抽水蓄能等大容量的儲(chǔ)能技術(shù)；在配電側(cè)、用戶側(cè)，考慮微電網(wǎng)、可再生能 源接入以及用戶負(fù)荷波動(dòng)的影響，可采用高功率超級(jí)電容、高能量飛輪或儲(chǔ)能電池