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智能电网中可再生能源需要储能技术

  未来智能电网中可再生能源将由补充能源逐步成为主导能源,由于我国可再生能源与化石能源类似,同样存在着资源与负荷分布不均衡的问题,全国性电网互联仍然是发展方向。未来电网中将会出现许多大型的集中式并网的可再生能源发电场或发电区,可再生能源发电间歇性和难以短时预测的问题将会被放大,给电网的安全、稳定、高效运行带来一系列的挑战。有效的解决方法是为可再生能源发电场配置一定容量的旋转备用,建设大型储能电站便是有效的途径。如果没有大型储能电站作为支撑,而是靠建立火电厂作为旋转备用,智能电网的建设是难以想象的。

  储能技术通过功率变换装置,及时进行有功/无功功率吞吐,可以保持系统内部瞬时功率的平衡,避免负荷与发电之间大的功率不平衡,维持系统电压、频率和功角的稳定,提高供电可靠性;可以改善电能质量,满足用户的多种电力需求,减少因电网可靠性或电能质量带来的损失;可以利用峰谷电价有效平衡负荷峰谷,减少旋转备用,实现用能的经济性,提高综合效益;此外,储能还可以协助系统在灾变事故后重新启动与快速恢复,提高系统的自愈能力。

  促进以可再生能源为主的多种能源分布式发电,也将是我国发展智能电网的重要目标。由于分布式电源靠近负荷,可以减缓电网输送容量的扩展需求,并提高供电可靠性和电能质量,从而带来很大的综合效益。未来智能电网在各级配电系统中将会出现多种可再生能源电源(如小水电、风电、太阳能、微小型燃气轮机、生物质发电、海洋能发电等)。这意味着,未来电网各级配电系统中的电力用户也同时可能是电力供应方。因此,如何有效整合分布式发电与配电系统,使其高效稳定运行,是智能电网发展要面临的一大挑战。配置分布式储能,通过协同控制,可以有效整合多种能源资源,平滑可再生能源电源的波动,使其从调度上可以充当一个虚拟发电厂,为其大规模利用提供了有效解决方案。

  储能分布式应用,有多种技术选择

  电力储能长期以来是个世界性难题,尽管目前国际上一些新型储能技术发展较快,但总体来说还没有实现技术和产业上的垄断,我们应该抓住机遇,下大力气发展多种储能技术,掌握一批关键技术,实现自主创新,积极推动储能的产业化发展。飞轮储能技术是目前最有发展前途的储能技术之一,在各种储能技术中,飞轮储能是能量密度、功率密度、使用寿命等技术性能结合得非常好的一种储能技术,在很多应用中都具有优势。但飞轮储能,尤其高速飞轮储能是一个复杂的技术群,包括电磁、机械、材料、电力电子等,涉及很多关键技术问题。国外一些公司经过几十年的技术与经验积累,目前已经出现了高速飞轮系列产品。国内在飞轮储能的研究上大多停留在关键技术开发、小容量样机试制阶段,对于容量和功率均较大的高速飞轮,与国际先进水平相比还有很长的路要走,在高强度复合材料、磁浮轴承、高速电机、阻尼器以及系统的集成与可靠性等方面都有需要攻克的难题。

  目前的大容量储能技术主要是抽水储能和压缩空气储能。有条件的地方可以因地制宜建设抽水蓄能电站,用于电力系统调峰,或作为可再生能源发电场的调频备用,减小其发电波动性对系统的影响。考虑到我国海上风电资源大规模开发利用的前景,可以依托于特定的地理资源,如选择三面环山的海湾作为水库的坝址,围海建立大型抽水储能电站;或选择一些条件好的废弃矿井、洞穴,修建压缩空气储能电站,与当地的大型风电场或光伏电站相结合,为这些可再生能源电站的稳定运行提供支持,增加可再生能源发电的容量可信度,使其成为具有一定可预测性和可调度性的稳定电源,如美国内华达州正在筹建300MW风力发电与压缩空气储能联合电站。

  关于储能的分布式应用,可以有多种技术选择。电化学储能,除了铅酸电池、镍氢电池、镉镍电池,新型电池技术如钠硫电池、液流电池,金属—空气电池等在技术上日趋成熟。飞轮储能,包括机械轴承的低速飞轮和磁浮轴承的高速飞轮,目前国外已经出现了系列化产品,低速飞轮在系统稳定控制和电能质量改善上得到了很好的应用,而高速飞轮,由于大大减小了待机能耗,适宜于峰谷调节等长时间的储能应用。超级电容器包括双电层电容器和法拉第电容器,功率密度高、使用寿命长、储能效率高,环境适应性好,在短时高功率的应用中具有很好的技术经济性。超导储能响应速度快,转换效率高,其发展主流是小型分布式储能系统,适用于电网的快速功率支撑、系统动态性能、可靠性和电能质量改善等场合,具有较好的发展潜力。此外,中小规模的抽水蓄能和压缩空气储能与光伏发电或风力发电系统的集成也是很好的分布式储能应用形式。

  值得关注的是,随着插电式混合动力汽车、电动汽车的规模化应用,形成了大量的移动电力负荷,需要配套广泛分布的电动汽车充电电站或换电站,成为未来智能电网的重要负荷特性。同时,数量庞大的电动汽车储能电池为电网提供了总量巨大的储能能力,可以通过V2G技术,为电网的峰谷调节、旋转备用、电能质量改善和稳定控制提供能量需求。

  储能发展,需要技术、政策同步跟进

  就目前的储能技术发展水平看,单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标,如果将两种或以上性能互补性强的储能技术相结合,组成复合储能,则可以取得良好的技术经济性能。在电网应用中,要实现系统的稳定控制,电能质量改善和削峰填谷等多时间尺度上的功率平准控制,可以将超导储能、飞轮储能或超级电容器等功率密度高、储能效率高以及循环寿命长的储能技术与铅酸电池、液流电池或钠硫电池等能量密度高但受制于电化学反应过程的储能技术相结合,以最大程度地发挥各种储能技术的优势,降低全寿命周期费用,提高系统经济性。日本Wakkanai在建的5MW并网光伏示范项目将采用1.5MW钠硫电池和1.5MW双电层电容器的复合储能技术。

  应当指出,电力储能技术虽然经过长期的发展,但要在电力系统中大规模应用还需克服技术和成本等诸多问题。如高效低成本长寿命的储能材料、标准化系列化的储能模块、储能的功率变换装置、储能与可再生能源发电的一体化技术、分布式储能与电网的协调、复合储能技术等。近年来,多种电力储能技术获得了较快的发展,如飞轮储能、超级电容器、锂离子电池、钠硫电池、液流电池、锌空气电池等,出现了一些规模化的示范,为其商业应用积累了丰富的技术和市场经验。

  而且,储能技术的发展,除了自身的技术进步外,还需要其他一些技术或政策上的配套。如实施分时电价,合理拉开不同供需时段的电价,使得储能的削峰填谷有利可图,则会吸引更多的市场力量参与进来,也能够直接推动储能技术和产业化发展。

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