詳解智能電網(wǎng)中的6種儲能技術

儲能技術在包括電力系統(tǒng)在內的多個領域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內的電力工業(yè)重組給各種各樣的儲能技術帶來了新的發(fā)展機遇，采用這些技術可以更好地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡中，這些新技術同樣可以得到應用。以下簡要介紹各種儲能技術的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。

1 抽水儲能

抽水蓄能電站在應用時必須配備上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段，抽水儲能設備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時，抽水儲能設備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進行電力調度。利用礦井或者其他洞穴實現(xiàn)地下抽水儲能在技術上也是可行的，海洋有時也可以當作下游水庫用，1999年日本建成了第一座利用海水的抽水蓄能電站。

抽水儲能最早于19世紀90年代在意大利和瑞士得到應用，1933年出現(xiàn)了可逆機組(包括泵水輪機和電動與發(fā)電機)，現(xiàn)在出現(xiàn)了轉速可調機組以提高能量的效率。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%至85%之間。

抽水儲能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應用的一種儲能技術，其主要應用領域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。目前，全世界共有超過90GW的抽水儲能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應用的一個重要制約因素是建設工期長，工程投資較大。

2 先進蓄電池儲能

據(jù)估計，全球每年對蓄電池的市場需求大約為150億美元，在工業(yè)用蓄電池方面，如：用于UPS、電能質量調節(jié)、備用電池等，其市場總量可達50億美元。在美國、歐洲以及亞洲，正在組建生產電力系統(tǒng)儲能用的高性能蓄電池企業(yè)。在過去的12至18個月里，已有生產能力達每年300MW的蓄電池生產線投入運行。

鉛酸電池是最古老、也是最成熟的蓄電池技術。它是一種低成本的通用儲能技術，可用于電能質量調節(jié)和UPS等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領域中的應用。ZnBr電池在20世紀70年代早期由Exxon開發(fā)成功，經過多年的研究和發(fā)展，已經建成了很多容量為數(shù)千瓦時的ZnBr電池儲能系統(tǒng)并經過試驗，其凈效率為75%。20世紀80年代初期澳大利亞新南威爾士大學率先研制，j出VRB(Vanadium Redox Flow Battery)電池，目前，在日本已安裝了一套500kW/5MW?h的VRB儲能系統(tǒng)，其凈效率高達85%。

近年來，各種新型的蓄電池被相繼開發(fā)成功，并在電力系統(tǒng)中得到應用。英國的Regenesys Technologies正在采用PSB(Polysulfide Broe Flow Battery)電池建設一座15MW/120MW?h的儲能電站，其凈效率約為75%。NaS電池具有較高的儲能效率(約89%)，同時還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖功率可在30s內達到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使NaS電池可以同時用于電能質量調節(jié)和負荷的削峰填谷調節(jié)兩種目的，從而提高整體設備的經濟性。在日本，目前采用NaS電池技術的儲能示范工程有30多處，總儲能容量超過20MW，可用于8h的日負荷峰谷調節(jié)。

與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高

(300～400kW?h/m3,130kW?h/t)，儲能效率高(接近100%)和使用壽命長(每次放電不超過儲能的80%時可充3000次)。由于具有上述優(yōu)點，鋰離子電池得到快速發(fā)展。但是，盡管在幾年之內鋰電池已經占有小型移動設備電源市場份額的50%，生產大容量鋰離子電池仍然有一些挑戰(zhàn)性的工作要做，主要的障礙在于其居高不下的成本，這主要是由于它需要特殊的包裝和配備必要的內部過充電保護電路。

在所有的蓄電池中，me-tal-air電池結構最為緊湊，并且可望成為成本最低的蓄電池，這是一種對于環(huán)境無害的蓄電池。其主要的缺點是這種電池的充電非常困難而且效率很低。

3 飛輪儲能

大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐機構組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統(tǒng)應該運行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風阻損耗。飛輪與電動機或者發(fā)電機相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進行飛輪轉速的調節(jié)，實現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。

飛輪儲能的一個突出優(yōu)點就是幾乎不需要運行維護、設備壽命長(20年或者數(shù)萬次深度充放能量過程)且對環(huán)境沒有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能，它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應用和長時間儲能應用之間的應用場合。

在實現(xiàn)飛輪儲能裝置時，可采用固體鋼結構飛輪，也可采用復合材料飛輪，具體采用何種飛輪需要進行經濟技術比較，在系統(tǒng)成本、重量、尺寸以及材料性能等指標之間進行折衷。采用高密度鋼材料，其邊緣線速度可達200～375m/s，而采用重量更輕、強度更高的復合材料，其邊緣線速度可達600～1000m/s。飛輪實際可輸出的能量取決于其速度變化范圍，它不可能在很低的轉速下輸出額定功率。

目前，已經開發(fā)出大功率飛輪儲能系統(tǒng)，并應用于航空以及UPS領域。以Beacon Power為領先水平的研究機構正在致力于飛輪儲能的優(yōu)化設計，以便將其用于長過程儲能服務(多達幾個小時)，同時降低其商用成本。目前已有2kW/6kW?h的飛輪儲能系統(tǒng)用于通信設備供電，采用飛輪組(Flywheel Farm Approach)可以實現(xiàn)輸出功率為兆瓦級、持續(xù)時間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時的儲能裝置。

4 超導磁儲能

盡管早在1911年人們就發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，但直到20世紀70年代，才有人首次提出將超導磁儲能作為一種儲能技術應用于電力系統(tǒng)。超導磁儲能由于具有快速電磁響應特性和很高的儲能效率(充/放電效率超過95%)，很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應用包括：負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調整、輸電能力提高以及電能質量改善等方面。

SMES單元由一個置于低溫環(huán)境的超導線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設備提供的。功率變換/調節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)相連接，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲能線圈與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器;另一種是電壓源型變流器。

和其他的儲能技術相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當可觀。然而，如果將SMES線圈與現(xiàn)有的柔性交流輸電裝置(FACTS)相結合可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個SMES成本中占最大份額。已有的研究結果表明，對輸配電應用而言，微型(<0.1MW?h)和中型(0.1～100MW?h)SMES系統(tǒng)可能更為經濟。使用高溫超導體可以降儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件要求，從而使SMES的成本進一步降低。目前，在世界范圍內有許多SMES工程正在進行或者處于研制階段。

5 超級電容器儲能

電容是電力系統(tǒng)中廣泛應用的一種設備。與常規(guī)電容器相比，超級電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或者更高的耐壓能力。例如，陶瓷超級電容器具有相當高的耐壓水平(大約1kV)和絕緣強度，這使它們成為未來儲能應用的很好候選方案。

目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場合。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作十年以上，因此超級電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級電容器安裝簡單，體積小，并可在各種環(huán)境下運行(熱、冷和潮濕)，現(xiàn)在已經可為低功率水平的應用提供商業(yè)服務。

6 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能不是象電池儲能那樣的簡單儲能系統(tǒng)，它是一種調峰用燃氣輪機發(fā)電廠，對于同樣的電力輸出，它所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%。這是因為，常規(guī)燃氣輪機在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進行空氣的壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。通過溶巖建造這樣的洞穴大約需要1年半到兩年的時間。

第一個投入商用運行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機組。美國1991年在Alabama的McIntosh建成了第二臺商用CAES，機組功率為110MW，整個建設耗時30個月，耗資6500萬美元，這臺機組能夠在14min之內并網(wǎng)。第三臺商業(yè)運行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，計劃建在Ohio州的Norton，整個電站裝機容量為2700MW，共有9臺機組，壓縮空氣儲存在一個現(xiàn)有的位于地下2200ft深的石灰石礦井里。