联合分布式电源并网应用的储能技术发展现状

近年来可再生能源已成为发展最快的能源种类，据相关报告预估2050年可再生能源占全部电力的比重将超过50%，其中光伏、风电等分布式能源发电技术、以及将不同能源整合的综合解决方案，将在能源结构占据主要地位。本文从分布式电源并网应用的角度，讨论了储能技术的应用现状和未来发展趋势。

0 引 言

分布式电源分散多点布置,靠近需求中心,能够促进可再生能源高效利用,成为现代电力系统的重要发展趋势[1]。随着分布式发电技术的快速发展和国家相关政策的引导支持,分布式电源在配电网中的渗透率将逐步提高。然而,由于传统配电网的电压等级低,网架结构薄弱,调节能力不足,高渗透率光伏、风电等分布式电源的间歇性和波动性使配电网的电压、功率以及频率波动更为剧烈,严重降低了电力系统的电能质量和运行安全可靠性[2]。分布式电源并网使传统的无源配电网发展过渡为有源配电网,改变了系统的潮流流向,出现功率逆向传输,这颠覆了现有辐射状配电网的理论基础,对配电网的保护设施提出巨大挑战。伴随着我国经济发展和产业升级,现有的配变电设备容量将无法满足日益增加的高负荷需求,先进制造、金融系统等高新技术行业也对供电可靠性和电能质量提出了更高的要求[3]。

储能技术是可再生能源接入、分布式发电以及智能电网发展必不可少的支撑技术,不仅有效平滑功率波动、消除峰谷差、实现需求侧管理,还可提高电力设备运行效率、降低供电成本,成为提高电网运行稳定性和可靠性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。此外储能技术还可以协助电力系统故障重启与快速恢复,提高系统的自愈能力[4-6]。利用储能系统的双向功率特性和灵活调节能力,可以有效解决可再生能源并网带来的一系列问题,从而提高系统对分布式电源的接纳能力,优化电网资源配置,提高电网资产的利用率[2]。

本文归纳了不同类型储能技术的特点和发展现状,总结储能在可再生能源并网应用的研究现状和示范工程,并提出储能是促进分布式电源并网应用、提高就地消纳能力、实现分布式电源汇聚效应的关键环节。

1 储能技术的特点以及发展现状

储能按照能量存储形态,可分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能。其中,机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括冰蓄冷储能等[4]。

1.1 机械储能

(1) 抽水蓄能。抽水蓄能是目前发展最成熟的储能技术。抽水蓄能电站工作时必须配备上、下游两个水库,负荷低谷时设备工作于电动机状态,将电能转化为水的势能;负荷高峰时设备工作于发电机状态,利用上游水库势能发电。其特点是:站址水头高、发电库容大、靠近负荷中心。抽水蓄能电站建造容量灵活,储存能量的释放时间可持续数小时至数天,综合效率为70%～85%。抽水蓄能在电力系统中的应用主要包括削峰填谷、提供备用容量、调频调相、紧急事故备用以及黑起动。此外,还可以配合火电站和核电站运行,提高其运行效率[7-8]。目前,我国已建成的抽水蓄能电站有20余座,已投产的抽水蓄能电站总装机容量超过了17 GW。

(2) 飞轮储能。飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。负荷低谷时,飞轮储能系统通过电动机带动飞轮高速旋转,以动能形式储存能量,完成电能-机械能的转换过程;负荷高峰时,高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电,然后经过功率变换器输出电流和电压,完成机械能-电能的能量释放过程。飞轮储能的特点是:比容功率大、响应速度快、循环使用寿命长、积木式组合系统容量可达MW级,但工程造价较高[9-10]。其主要用途为不间断电源/应急电源、电网调峰和频率控制。

(3) 压缩空气储能。压缩空气储能电站是一种用于快速调峰的燃气轮机发电厂。其工作原理是负荷低谷时段利用电网剩余电能压缩空气,并将其贮藏在典型压力为7.5 MPa的高压密封设施内;负荷高峰时段释放高压空气以驱动燃气轮机发电。压缩空气储能辅助运行的燃气轮机在发电时,所耗燃气比常规机组减少40%,可有效减少电厂排放,降低投资运行费用。压缩空气储能电站的建设投资和运行成本均低于抽水蓄能电站,但其能量密度低、站址要求高,易受岩层等地形条件的限制。压缩空气储能电站的安全系数高、循环使用寿命长、响应速度快,可以实现冷起动、黑起动。压缩空气储能主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式发电系统备用等[11-12]。1978年,世界首座压缩空气储能电站在德国建成并投运,随后美国、日本、瑞士也相继进行了研发;而我国的压缩空气储能目前仅停留在理论研究和小型试验阶段。

1.2 电化学储能

电化学储能是指通过发生可逆的化学反应实现电能-化学能转换的能量存储技术。电池是能量转换的主要载体,由正极、负极、隔膜和电解质组成,利用电池正、负极的氧化还原反应完成充放电过程。电池充电时,正极的活性物质在外电源的作用下被氧化,失去电子;负极的活性物质获得电子,被还原。在此过程中,电池正、负极板上的有效物质逐渐恢复,电解质浓度升高,并依此判断电池充电程度。电解液中的阴、阳离子在电场力的作用下分别向正极和负极移动。电池放电过程与充电过程相反。电化学储能的特点是能量密度大、转换效率高、建设周期短、站址适应性强。根据化学物质的不同可以分为铅酸电池、液流电池、锂离子电池、钠硫电池等储能形式[13]。

(1) 铅酸电池。铅酸电池分别以二氧化铅PbO2和海绵状金属铅为正、负极活性物质,以硫酸溶液为电解质,至今已经有150多年的历史。铅酸电池具有自放电小、电池寿命长、比容量高、大电流性能好、高低温性能稳定、制造及维护成本低等特点[14],而且无“记忆效应”。目前,铅酸电池的回收利用技术发展比较成熟,在备用电源、电动汽车等领域应用广泛。

(2) 液流电池。液流电池的正负极由包含不同氧化还原电子对的电解液构成,通过离子交换膜将二者隔离,工作时通过电解液的循环流动实现能量存储。液流电池具有功率和容量相对独立、循环寿命长、可超深度放电等特点,主要包括全钒液流电池(VRB)、锌溴液流电池和多硫化钠/溴液流电池等。VRB以电解液中不同价态的钒离子为电池正、负电极的活性材料,以硫酸为电解质。在电池充放电过程中,电解液中钒离子的价态发生改变,从而影响电池正极电对的标准电极电位,实际使用时电池的开路电压一般为1.5～1.6 V[15]。液流电池技术发展迅速,目前已取得长足进步,世界各国相继建成投产kW～MW级的液流电池储能电站。

(3) 锂离子电池。锂电池的电极主要由含锂化合物构成。充电时锂离子由正极经电解质流向负极,放电过程相反。锂电池具有能量密度高、能量转换效率高、循环寿命长等优点,经过多年发展已在储能电站中得到广泛应用[16]。目前,锂离子储能电站已达到MW级,用于电力系统调峰、调频、平抑分布式发电功率波动等。

(4) 钠硫电池。钠硫电池是以硫和金属钠分别作为电池正、负极,以陶瓷管作为电解质隔膜的二次电池。钠离子透过电解质隔膜与硫发生可逆反应,完成能量的存储和释放过程。钠硫电池取材丰富、比容量大、能量密度和转换效率高,既可作为功率型储能应用,又可作为能量型储能应用[17]。

1.3 电磁储能

(1) 超级电容。超级电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储电能。其特点是:功率密度高、循环寿命长、响应速度快。超级电容器历经数十年的发展,已形成电容量0.5～1 000 F、工作电压12～400 V、最大放电电流400～2 000 A的系列产品,最大储存能量可达30 MJ。但是由于成本较高、能量密度较低,超级电容器在电力系统中多用于短时间、大功率的场合,如大功率直流电机的起动支撑、动态电压恢复等,在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电可靠性[18]。

(2) 超导磁储能。超导磁储能系统主要由超导储能磁体、低温系统、电力电子变流系统和监控保护系统构成。超导磁储能系统利用超导线圈直接存储电磁能,功率输送时无需能源形式的转换。超导线圈在超导状态下无焦耳热损耗,其电流密度比常规线圈高1～2个数量级,具有毫秒级响应速度、转换效率高(≥96%)、比容量(1～10 Wh/kg)/比功率(104～105 kW/kg)大等优点,可以与电力系统进行实时能量交换和功率补偿。超导磁储能系统可用于消除电网的低频功率振荡,改善电网的电压和频率特性,还可用于系统故障恢复和紧急支撑,提高系统的可靠性和自愈能力[19-21]。

1.4 相变储能

相变储能是利用相变储能材料物相变化过程,从环境中吸收或向环境放出热量,以达到能量存储和释放的目的,典型的相变储能有熔融盐蓄热储能。熔融盐蓄热储能的特点有:使用温区大、比热容高、换热性能好,主要应用在太阳能热发电系统中。

目前,各种储能技术的发展水平不尽相同,在集成功率等级、持续放电时间、循环使用寿命、能量转换效率、功率/能量密度等方面均有差异,各种类型储能的主要技术参数如表1所示[22-28]。

2 联合分布式电源并网的储能应用现状

高渗透率分布式可再生电源并网可能引起配电网中潮流流向和电压分布的改变,同时,可再生能源的随机性和间歇性将对配电网的电压稳定、电能质量以及供电可靠性产生不可忽视的影响[29-30]。在现有的配电网结构和控制水平下,由于受到电压分布、故障水平以及设备容量的限制,配电网对分布式电源的接纳能力有限[31-32]。此外,分布式可再生能源并网使传统配电网中用户侧单一负荷消耗的属性发生改变,用户侧需与电网侧深入互动,以促进本地能源消纳。应用储能系统可实现多能互补利用,提高可再生能源就地消纳,满足用户对电能的个性化和互动化需求。

表1 各种类型储能的主要技术参数

针对储能在分布式电源并网领域发挥的作用,国内外从理论和实践两方面展开积极探索。这些成功案例为储能促进可再生能源发电提供了新思路和可靠的技术支撑,可归纳为以下几方面:

(1) 储能用于平抑功率波动。风电、光伏等分布式可再生电源出力的波动性将引起配电网功率的波动,利用储能系统快速充放电特性,减小可再生能源并网对配电网的冲击,增强配电网的可控性。文献[33]利用小波包将光伏功率信号分解为高频分量和低频分量,从而获得功率型储能和能量型储能单元的充放电功率,并采用模糊控制对其进行优化,使得功率在不同储能装置之间最优分配。

在实际应用中,意大利Puglia变电站储能项目将1 MW×30 min的锂离子电池用于减少可再生能源发电引起的潮流倒送,使变电站与上级电网进行可控的能量交换;山东长岛利用储能平滑风电场或光伏出力波动抑制可再生发电爬坡率,提升高渗透分布式发电的配电网端运行稳定性;浙江东福山岛利用储能平抑风光波动,提高新能源利用率,辅助柴油发电机维持微电网稳定,提升微电网中功率控制和能量管理能力[34-35]。

(2) 储能用于负荷削峰填谷。利用储能系统实现用电负荷的时空转移,延迟配电设备容量升级。文献[36]研究了基于动态规划的电池储能系统削峰填谷实时优化,提出了一种基于动态规划的实时修正优化控制策略,可在优化模型中引入充放电次数限制和放电深度限制等非连续约束条件,并通过将电池电量离散化等方法解决含有非连续约束的优化问题。文献[37]采用恒功率充放电策略对储能进行控制,并就储能削峰填谷优化模型进行了研究,针对模型约束中的非线性和变量不连续问题,提出一种适用于该模型的简化计算方法。

储能在负荷削峰填谷领域应用广泛,深圳宝清4 MW/16 MWh锂电池储能电站目前已建成投运,参与用电侧的峰谷调节,尝试峰谷套利,可实现配电网侧削峰填谷、调频、调压和孤岛运行等多种应用功能[38]。

(3) 储能用于改善电能质量。文献[39]探讨了蓄电池/超级电容器混合储能系统的建模与控制问题。将储能系统接入配电网中,通过控制策略双向调节其有功功率和无功功率,达到稳定配电网公共连接点处的电压,并抑制其负载波动的目的,从而改善配电网电能质量。文献[40]以超级电容作为电能质量调节器,分析了其电路拓扑结构,采用非隔离型Buck-Boost双向DC/DC变换实现直流电压的转换,应用电压源型变换器实现DC/AC变换。该电能质量调节器可以消除电源电压的暂降、不对称和闪变对负载的影响,在不对称负载时抑制负载的负序电流对电源的影响。