新能源发电系统中储能技术的集成应用

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储能技术具有“削峰填谷”作用。在满负荷生产下, 电力系统可将多余电力储存起来,等到发电量处于低谷时,又将相应电力释放出来,从而减少系统波动,保证电网正常运行。随着国家经济建设的不断推进,储能技术在城市供水、轨道交通等各个行业都得到广泛应用。

1 储能技术的内涵和特征

储能技术包含电容和超导等多个组件,运行时不仅将新能源转换成电力,还要将其储存在特定区域,以确保后续传输和电力转换等一系列工作顺利进行。超导部件的功能就是利用超导线圈来高效储存电力,然后按控制接口要求将这些能量转化为电力,这种方法的运用可在短时间内实现能量转换。另外,超级电容和飞轮也是一种很常用的能量储存方式,其可将新能源能量转化为更高功率电能,特别是超级电容相当于一种巨大的电力储存装置,容量可达30 MJ。其基本运行功率很大,可在峰值时段为用户提供可靠电源,不过其在应对突发状况下的电压突然变化时,仍无法达到预期要求,所以超级电容只能在比较平稳的环境中使用,以防发生漏电损失等危险状况。

2 储能技术的应用场景

根据使用场合,可将其划分为:容量型、能源型、 动力型和备用型。① 容量型储能场景。电力系统通常需要持续储能至少4 h,如削峰填谷、离网蓄能等。其中, 电容性储能的主要类型有:抽水蓄能、压缩空气、冷储热、氢储能碳、钠硫电池、液流电池、铅-碳电池等。 ② 功率型储能场景。通常需要15~30 min的持续蓄能时间,在电网频率调节及电网平稳运行等场合,此类蓄能装置可满足电网迅速变化的需求。③ 能量型储能场景。 通常需持续1~2 h的储能,其可满足独立储能电站、电网侧储能、0.5 C/1 C的磷酸铁锂电池等多种组合使用场景。 ④ 备用型储能场景。储能时间通常不少于15 min,以满足信息中心、通信基站等应急供电需求。

3 新能源发电系统中的储能技术

3.1 风力发电中的储能技术应用

当某一区域有大量风电机组时,为改善风电机组运行的稳定性和供电品质,降低其低压跨越成为当前风电行业面临的首要问题。应用储能技术,既可保证供电需求,又可将过剩电能吸纳并储存,从而既不损害风力发电设备,又可增强其电压跨越性,且可实现对风机的动态调整,并及时作出反应,保证电力系统安全、 稳定运行。

3.2 光伏电站的储能技术应用

(1)光伏脱网技术。在太阳能光伏发电领域,最常见的是分布式光伏发电技术,该技术由光伏组件、控制器和蓄电池组成。在电池充放电过程中,由太阳能电池模块将输出的直流电能储存到电池内,而当其释放时,通过逆变器及放电控制电路将直流电能转化为交流电源,从而实现对负荷的供电。早期离网系统所使用的电池多为铅酸盐型,其中以家用离网系统、光伏路灯为最多。

(2) 太阳能微电网。光伏微网作为一种新型的分布式电源,主要用于家庭、小企业等,它既具有独立的供电能力,又具有独立的接入能力,当大电网断网后,可将其从并网过渡到孤岛,以实现顺利切换。

(3) 配备储能的大规模光伏发电装置。针对大规模光伏发电项目,将蓄能装置设置在电厂交流端,以满足电网调峰需求。我国多个省份已明确规定,大规模的地表光伏电站应配备蓄能装置,其容量与蓄能装置的容量为10∶1,且蓄能装置的充电量不少于2 h。

3.3 物理储能技术

传统的储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮蓄能3种。抽水蓄能利用峰谷电价差来储存电能, 是目前应用最为广泛的大型储能技术。其工作原理是: 在水流的上游和下游分别建设一座蓄水池,在用电低谷时段,驱动电机将下游蓄水池的水泵送到上游蓄水池进行储存;在用电高峰时段,释放上游蓄水池的水能,驱动发电机组发电,从而满足高峰时段的用电需求。而压缩空气蓄能技术则可在电网负载低谷时,利用电能对空气进行压缩,将其以高压密闭形式储能于废弃矿井、储气罐、废弃油井或储气井中,在电网负载峰值时,又将被压缩的气体放出,进而带动涡轮发电。压缩空气蓄能技术响应速度快,利用效率高,可实现约75%的电能转化率,是一种发展潜力很大的储能技术。

3.4 相变储能技术

在新能源电网中,相变储能是一种重要的储能方式, 与之相关的相变蓄热技术主要有电蓄热、冰蓄冷和熔盐储热等。其中,冰蓄冷是指利用一定的制冷媒体来调控电能,以降低高峰用电负荷。熔盐蓄热是通过将盐类溶液中的矿物质转化为液态,再通过热循环方式进行换热蓄热,该方式不仅换热效果好,且耐腐蚀性强。电储热技术是指利用金属或水作为媒体,便于散热与储存,可极大提高能量转换效率。

3.5 分布式混合能源系统

分布式混合能源系统通过充分利用各类新能源优势, 将其与储能设备进行融合,可克服单个能量供应不稳定问题,进而提高电网整体运行效率与品质。在此基础上, 通过对负载均衡进行高效调控,充分发挥功率器件作用, 从而提升分布式混合能源系统在自主与接入两种条件下的稳定与可靠度,保障供电品质。

4 新能源发电系统中储能技术的应用

4.1 电网侧

储能装置的引入能够有效增强电力网络的调峰容量, 减轻用电峰值时的供电压力,达到削峰填谷、平稳配电网络负载波动、确保电力供应安全性和可靠性的效果。利用灵活性高和响应速度快的无功补偿装置,在有功发生大幅变化时,利用蓄能装置进行调节,可保持电网频率的稳定性,增加网侧新能源消纳量。随着新能源大量进入电网,电网侧将覆盖更多微电网和有源配电网络, 微电网中风、光等新能源的波动对电网运行造成严重冲击,为此在微电网中引入储能装置,既能保持微电网能源均衡,又能缓解弃风弃光等问题。有源配电网络由风光等分布式电源、可控负荷、分布式储能等组成,其能主动参与系统运行、调控和管理,进而提升分布式新能源的接入容量。

4.2 光伏并网中储能技术的合理运用

储能是解决光伏电站瞬态电源平衡的一种有效方法。 实践中采用无源并联储能技术,以实现对储能系统的充电和放电,达到抑制光伏电源负载变化的目的。超级电容-蓄能复合储能在新能源电网中极具发展前景,是储能领域的重要发展方向。要想进一步提高我国电力供应的品质和稳定性,就必须对现有储能体系进行优化和改进,使得电力波动更为平稳。此外,出于经济和技术考虑,还需进一步强化现有储能体系的内部容量, 以适应国内新能源发电系统对能量存储的实际需求。

4.3 风能电力系统中储能技术的合理运用

电能实时平衡对新能源电网的平稳运行至关重要。

采用蓄能技术,能够在某种范围内对电网的有功与无功进行合理配置,从而实现最优的暂态平衡,维护电网平稳运行。为保证风电机组的电压稳定性,采用储能方法能有效克服风力发电过程中出现的各种故障,如风力发电、输电线路等的故障。当电网发生事故时,利用蓄能装置,使风电机组安全可靠地工作;在有风速扰动时, 风力发电系统亦可获得较好的稳定性。风力发电功率可控性差是限制风力发电系统稳定运行的关键问题,采用蓄能可使风力发电功率平稳增长,进而提升风力发电能力。在抑制风力发电的同时,采用串联并联的超级电容器蓄能技术对风力发电进行平稳调节,能有效改善风力发电系统的运行稳定性。此外,还可将飞轮蓄能单元并联入电机驱动的永磁同步电机中,以对风机进行模糊控制,保障风机平稳运行。

5 结语

新能源发电在我国迅速发展,但其自身缺陷制约着它的持续发展。新能源电力系统中的储能装置尚无法实现大容量、大功率输出,所以各国都在开展新能源电力系统中的储能技术研究,这一技术目前尚处起步阶段, 但它有着巨大的发展空间。比如,通过将风力和风能等新能源的电能以高压燃气形式储存起来,以达到循环再利用的目的;采用锂离子蓄电池进行电能储存是一种新型储能方式,在汽车等行业具有广阔的应用前景。