儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

摘要 儲(chǔ)能方式主要有物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能;電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能;電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能;相變儲(chǔ)能包括蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。本文著重分析了它們的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展前景及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)分布式發(fā)電不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了探討。 　　1 引言 　　可再生能源在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)大規(guī)模惡性事故，這就需要在直流母線或交流系統(tǒng)中具備一定的儲(chǔ)能以跟蹤負(fù)荷的變化。因此，研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。另外，分布式發(fā)電系統(tǒng)，特別是在基于可再生能源的分布式發(fā)電(distributed generation，DG)中加入蓄能裝置可以有效地提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 　　2 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 　　2.1 飛輪儲(chǔ)能 　　飛輪儲(chǔ)能以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)能量，經(jīng)過功率變換器，完成機(jī)械能—電能相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，工作溫區(qū)較寬，無噪聲，無污染，最大容量已達(dá)5kW&h。主要用于不間斷電源(uninterruptedpower supply，UPS)/應(yīng)急電源(emergency powersystem，EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰、頻率和電能質(zhì)量控制。2000年，美國(guó)宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位研制的飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)60kr/min(revolutionsper minute)，這標(biāo)志著飛輪電池在技術(shù)上可以取代化學(xué)電池。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能密度大、效率高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)將首先在電力調(diào)節(jié)、UPS等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。 　　2.2 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng) 　　超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，能量交換和功率補(bǔ)償無需能源形式的轉(zhuǎn)換。具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大、壽命長(zhǎng)、污染小等優(yōu)點(diǎn)，且沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題。主要用于輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力。已有研究表明，對(duì)于輸配電應(yīng)用而言，微型(<0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)。 　　2.3 超級(jí)電容器儲(chǔ)能 　　超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電速度快，放電電流僅受內(nèi)阻和發(fā)熱限制，能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，放電深度深，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，低溫特性好，沒有“記憶效應(yīng)”。歷經(jīng)紐扣型、卷繞型和大型三代，已形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電電流400~2000A系列產(chǎn)品。但超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場(chǎng)合。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級(jí)電容器正在開發(fā)中。 　　2.4 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 　　目前在分布式發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛，但存在初次投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。根據(jù)所使用的不同化學(xué)物質(zhì)，蓄電池可以分為許多不同類型。 　　鉛酸電池價(jià)格便宜，技術(shù)成熟，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時(shí)能發(fā)揮獨(dú)立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動(dòng)電機(jī)、通信等提供電力。然而，其循環(huán)壽命較短，具有較低的比功率，且在制造過程中存在環(huán)境污染。鋰離子(鈷酸鋰為正極)電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但性能易受工藝和環(huán)境溫度等因素的影響。目前，磷酸基為正極材料的磷酸鐵鋰電池以其超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，良好的安全性能，較好的高溫性能，有望在數(shù)年內(nèi)成為鉛酸電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。 　　鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲(chǔ)能電池。鈉硫電池儲(chǔ)能密度高，體積僅為普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達(dá)80%，單體壽命超過10年，且循環(huán)壽命超過6000次，便于模塊化制造，建設(shè)周期短。液流電池電化學(xué)極化小，能夠100%深度放電，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，額定功率和容量相互獨(dú)立，并可自由設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，其中，全釩液流電池可避免正負(fù)極活性物質(zhì)交叉污染，成本低、壽命長(zhǎng)，已成為液流電池體系中主要的商業(yè)化發(fā)展方向。 　　2.5 其他儲(chǔ)能方式 　　其他儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個(gè)水庫，對(duì)建站地點(diǎn)要求苛刻，但是運(yùn)行簡(jiǎn)單，可靠且使用期較長(zhǎng)。CASE電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。熱能存儲(chǔ)常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來，這種儲(chǔ)能方式比較可靠，成本相對(duì)低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉(zhuǎn)換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點(diǎn)是不改變制冷機(jī)的空調(diào)工況，但水的蓄冷密度低(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統(tǒng)運(yùn)行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點(diǎn)是需要較大的制冷量。 　　3 分布式系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的要求 　　分布式發(fā)電是發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的組合，光伏、風(fēng)電和燃料電池都是非常典型的分布式電源。具有以下特點(diǎn)：①非常接近終端用戶;②容量很小，一般為幾十千瓦到幾十兆瓦;③能孤立運(yùn)行或者并網(wǎng)，一般接在380V或10kV線路上。此外，光伏發(fā)電中的儲(chǔ)能裝置，常處于放電狀態(tài)，放電深度不規(guī)則，而且一次充電時(shí)間短。而風(fēng)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，放電時(shí)間分布比較均勻，充放電率比光伏大得多，也很少會(huì)處于欠充電狀態(tài)。 　　3.1 并網(wǎng)運(yùn)行的一般要求 　　分布式電源所產(chǎn)生的電能具有顯著的隨機(jī)性和不確定性特征，并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響主要取決于其穿透功率極限，根據(jù)歐洲國(guó)家的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，穿透功率達(dá)到10%是可行的。所以，除非很大的負(fù)荷就在并網(wǎng)逆變器附近或者電網(wǎng)很弱，可以認(rèn)為DG發(fā)出的功率完全被電網(wǎng)吸收，但能量存儲(chǔ)可起到平抑系統(tǒng)擾動(dòng)、維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達(dá)到維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡的目的，儲(chǔ)能必須具有大容量能量/功率吞吐能力。而為了保持系統(tǒng)電壓/頻率穩(wěn)定，儲(chǔ)能就得具有ms級(jí)響應(yīng)速度和一定容量的功率補(bǔ)償能力。 　　3.2 獨(dú)立運(yùn)行的一般要求 　　由于單個(gè)分布式電源獨(dú)立運(yùn)行，很難維持整個(gè)系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。所以在大電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)或孤立地區(qū)，一般采用分布式電源聯(lián)合運(yùn)行來為這些地區(qū)提供可靠的電力。它們包括：風(fēng)/光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光/柴聯(lián)合型發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)/燃料電池混合系統(tǒng)等。聯(lián)合運(yùn)行的共同特點(diǎn)就是利用互補(bǔ)特性，獲得比較穩(wěn)定的總輸出，在保證同樣供電穩(wěn)定性和可靠性的情況下，大大減少儲(chǔ)能的容量，一般從數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦。以光伏/柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為例，雖然柴油發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電相結(jié)合能夠確保連續(xù)24h不間斷供電，且資金花費(fèi)低于蓄電池作后備。然而，當(dāng)光伏輸出發(fā)生變化時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)不能快速做出響應(yīng)，而通過儲(chǔ)能的過渡作用，可滿足負(fù)載對(duì)快速響應(yīng)的要求。燃料電池響應(yīng)負(fù)載的速度也較慢(電流斜率約4A/s)，配置儲(chǔ)能可提高其可靠性和壽命。這樣在光伏、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置就得具有響應(yīng)速度快，功率密度高的特性。 　　3.3 特殊要求 　　(1)抑制DG輸出功率波動(dòng)。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑功率波動(dòng)，提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量。從實(shí)際風(fēng)力發(fā)電的角度出發(fā)，考慮到發(fā)電功率一般以秒級(jí)周期隨機(jī)波動(dòng)，要求儲(chǔ)能具有秒級(jí)響應(yīng)速度和一定的功率補(bǔ)償能力。考慮到隨機(jī)性是分布式電源并網(wǎng)所造成的不利影響的本質(zhì)原因，研究分布式電源發(fā)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)，分析發(fā)電功率預(yù)測(cè)誤差，以此為依據(jù)優(yōu)化儲(chǔ)能容量對(duì)儲(chǔ)能在分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。 　　2)使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。鑒于在根本上改變分布式電源間歇性投資巨大且并無必要，可將目標(biāo)定位在使包含分布式電源的局部網(wǎng)絡(luò)潮流曲線按照計(jì)劃推進(jìn)，儲(chǔ)能只是填補(bǔ)分布式電源輸出與預(yù)期曲線之間的差額部分，而不是對(duì)分布式電源的功率波動(dòng)完全補(bǔ)償。這對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度控制和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用，而所需的儲(chǔ)能容量也大大降低。 　　4 儲(chǔ)能技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中起的作用可概括為4方面： 　　(1)增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)可靠性。分布式電源發(fā)出的電能具有隨機(jī)性和不確定性，能量存儲(chǔ)使得DG即使在波動(dòng)較快和較大的情況下也能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平。 　　(2)孤立運(yùn)行的DG單元切換或退出時(shí)起過渡作用。太陽能和風(fēng)力發(fā)電輸出具有間歇性，適量的儲(chǔ)能可起過渡的作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求。 　　(3)抑制DG輸出功率波動(dòng)，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑脈沖功率波動(dòng)。 　　(4)使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電，提高并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和調(diào)度靈活性。 　　4.1 并網(wǎng)運(yùn)行 　　抽水蓄能機(jī)組容量已達(dá)2000MW，單元效率雖然不高，但運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)，不足之處就是用于分布式發(fā)電系統(tǒng)，固定成本太高。到目前為止，國(guó)內(nèi)已建成抽水蓄能電站裝機(jī)容量約為5.7GW，占全國(guó)裝機(jī)容量的1.8%。文獻(xiàn)就西藏阿里地區(qū)獨(dú)特的水能、光能和風(fēng)能分布的自然條件，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，容量可達(dá)數(shù)百M(fèi)W，效率已接近60%，且壽命長(zhǎng)，可冷起動(dòng)和黑起動(dòng)，其投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)(micro-CAES)已成為并網(wǎng)研究熱點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。 　　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度較大，占據(jù)空間相對(duì)較小，充電快捷，充放電次數(shù)無限。5kW·h/100kW等級(jí)的飛輪正在進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)。國(guó)外已將飛輪儲(chǔ)能引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出性能及經(jīng)濟(jì)性能較未采用飛輪儲(chǔ)能有很大改善。 　　水蓄冷和冰蓄冷儲(chǔ)能雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在解決電力峰谷差的成熟技術(shù)中經(jīng)濟(jì)效益和轉(zhuǎn)換效率較高，已有效蓄冷容積2100m3，蓄冷量5600rth的水蓄冷空調(diào)。SMES具有大容量能量/功率補(bǔ)償特性，然而容量高于100MW·h的線圈在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上存在困難。在風(fēng)力/蓄電池并網(wǎng)運(yùn)行方式中，鉛酸電池體積龐大，充電/放電頻繁，故障率顯著提高，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，但其技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，已獲得實(shí)際應(yīng)用。 SMES的ms級(jí)響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞特性決定了它在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在提高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面具有無可替代的作用。目前，D-SMES(Distributed SMES，D-SMES)的容量水平達(dá)18Mvar/3MW，最大有功功率輸出可以持續(xù)0.5s，最大無功功率輸出可持續(xù)時(shí)間1s，足夠處理電壓崩潰事件。我國(guó)已先后研制成功25kJ~1MJBi系SMES系統(tǒng)，但Bi系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機(jī)冷卻，穩(wěn)定裕度低。中國(guó)電力科學(xué)研究院正在開展以液氮溫區(qū)運(yùn)行的YBCO—釔鋇銅氧涂層高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能單元的研究，并將與柔性技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本。 　　4.2 獨(dú)立運(yùn)行 　　鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，構(gòu)造成本低，可靠性好，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行分布式發(fā)電系統(tǒng)中所采用的鉛酸蓄電池系統(tǒng)一般充電時(shí)間有限，充電功率有限，充電模式一般只限于恒流充電階段。 　　鈉硫電池儲(chǔ)能密度高達(dá)140kW·h/m3，單體壽命長(zhǎng)，充放電效率高(>90%)，無記憶效應(yīng)，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，安裝容量的近2/3已用于平滑負(fù)荷，將其用于平滑DG輸出功率波動(dòng)，技術(shù)已成熟。2009年10月，中科院上海硅酸鹽研究所與上海電力公司成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的容量為650Ah的鈉硫儲(chǔ)能單體電池，并建成了一條2MW的中試生產(chǎn)示范線和一套10kW的儲(chǔ)能系統(tǒng)示范裝置。 　　超級(jí)電容器功率密度高，相當(dāng)于電池的5~10倍，響應(yīng)時(shí)間小于1s，放電深度深且沒有“記憶效應(yīng)”，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，溫度范圍寬達(dá)-40℃~+70℃，儲(chǔ)能量已達(dá)到1MW/5.7Wh。在小型獨(dú)立光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中是理想的儲(chǔ)能裝置，且超級(jí)電容器與蓄電池在技術(shù)性能上具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，用于平滑功率波動(dòng)時(shí)可利用超級(jí)電容器高功率密度特性，只需其存儲(chǔ)與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰?，而蓄電池存?chǔ)基荷時(shí)的能量。這將具有很好的負(fù)載適應(yīng)能力，能夠縮小裝置體積，提高供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 全釩液流電池可以100%深度放電，儲(chǔ)能壽命長(zhǎng)，通過增加溶液量就可方便提高電池容量，隨著技術(shù)的日益成熟，有望在提高可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。自1995年起，我國(guó)就開始了全釩液流電池的研究，國(guó)產(chǎn)化全氟磺酸離子膜有望取代進(jìn)口離子膜材料，現(xiàn)已成功開發(fā)出10kW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大于80%，最大輸出功率超過25kW。 　　飛輪儲(chǔ)能密度高達(dá)108J/m3，充電快捷，循環(huán)使用壽命可達(dá)20年，工作溫區(qū)為-40℃~+50℃，維護(hù)簡(jiǎn)單。在分析風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行影響的基礎(chǔ)上，提出了一種用飛輪輔助風(fēng)力發(fā)電的方案，研究了風(fēng)力發(fā)電–飛輪系統(tǒng)功率和頻率綜合控制方法。抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間一般都在分鐘級(jí)且用于分布式發(fā)電系統(tǒng)投資成本較高。SMES雖然具有ms級(jí)響應(yīng)速度，大容量能量/功率傳遞特性，用于解決功率波動(dòng)問題技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但運(yùn)行和投資成本過高。 　　5 結(jié)論 　　本文綜述了各種儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀，以及它們?cè)诜植际桨l(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。隨著儲(chǔ)能技術(shù)朝儲(chǔ)能方式混合化、轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化、應(yīng)用低成本化、環(huán)境友好方向發(fā)展，分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合將大大提高系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟(jì)性。