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智能電網儲能技術亟待突破

[日期:2012-04-28]   來源:OFweek智能電網  作者:   [字體: ]

一直以來,削峰填谷被認為是儲能技術最適合的“戰場”。2000年以來,我國電網峰谷差逐年增大,多數電網的高峰負荷增長幅度在10%左右甚至更高,而低谷負荷的增長幅度則維持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于負荷的增長幅度,在電網中引入儲能系統是實現電網調峰的迫切需求。全面開發應用調峰儲能電池,將大幅提高電力系統的運行效率。

在電力行業的所有環節中,發電、輸送、配電以及使用都可以應用儲能技術。它既能提供緊急狀態下的備用電力;也可為偏遠地區或島嶼解決離網環境中的電力供應問題;分布式儲能可提高智能電網的調節能力;電動汽車充電站也需要儲能技術進行緩沖和調節。

儲能技術已成為可再生能源和智能電網大規模發展的主要瓶頸。

可再生能源發電需要儲能技術

未來智能電網中可再生能源將由補充能源逐步成為主導能源,由于我國可再生能源存在著資源與負荷分布不均衡的問題,全國性電網互聯仍然是發展方向。未來電網中將會出現許多大型的集中式并網的可再生能源發電場或發電區,可再生能源發電間歇性和難以短時預測的問題將會被放大,給電網的安全、穩定、高效運行帶來一系列的挑戰。有效的解決方法是為可再生能源發電場配置一定容量的旋轉備用,建設大型儲能電站便是有效的途徑。

儲能技術通過功率變換裝置,及時進行有功/無功功率吞吐,可以保持系統內部瞬時功率的平衡,避免負荷與發電之間大的功率不平衡,維持系統電壓、頻率和功角的穩定,提高供電可靠性;可以改善電能質量,滿足用戶的多種電力需求,減少因電網可靠性或電能質量帶來的損失;可以利用峰谷電價有效平衡負荷峰谷,減少旋轉備用,實現用能的經濟性,提高綜合效益;此外,儲能還可以協助系統在災變事故后重新啟動與快速恢復,提高系統的自愈能力。

促進以可再生能源為主的多種能源分布式發電,也將是我國發展智能電網的重要目標。由于分布式電源靠近負荷,可以減緩電網輸送容量的擴展需求,并提高供電可靠性和電能質量,從而帶來很大的綜合效益。未來智能電網在各級配電系統中將會出現多種可再生能源電源(如小水電、風電、太陽能、微小型燃氣輪機、生物質發電、海洋能發電等)。

這意味著,未來電網各級配電系統中的電力用戶也同時可能是電力供應方。因此,如何有效整合分布式發電與配電系統,使其高效穩定運行,是智能電網發展要面臨的一大挑戰。配置分布式儲能,通過協同控制,可以有效整合多種能源資源,平滑可再生能源電源的波動,使其從調度上可以充當一個虛擬發電廠,為其大規模利用提供了有效解決方案。

儲能技術是構建智能電網的重要環節

我國當前電網運營面臨著最高用電負荷持續增加、間歇式能源接入占比擴大、調峰手段有限等諸多挑戰,優質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標。儲能在節約能源提高能效、推動低碳能源發展、確保區域能源安全、再生能源規;、建設使用分布式能源、智能電網建設與使用等方面有著非常重要的作用,能夠在發電、輸電、配電、用電四大環節得到廣泛而充分的利用,因此可以說,儲能環節是構建智能電網及實現目標不可或缺的關鍵環節。要了解儲能,就要從新能源革命角度看儲能,要從戰略高度定儲能的發展,從產業發展未來部署儲能,從能源技術智能化抓儲能。

作為新能源革命中重要的一環,美國、日本、德國等國家都在財政、政策上對儲能作出了支持,但儲能技術在我國現在還沒有引起更大范圍的重視。國家"十二五"規劃提出,要依托信息、控制和儲能等先進技術,推進智能電網建設。重視儲能技術,通過與科研單位和院校聯合,搶占這一新興產業的科技高地,應該成為選項之一。

說到儲能,人們很容易想到電池,但是現有的電池技術很難滿足電網級儲能的要求,而抽水蓄能和壓縮空氣儲能等傳統的儲能方式也在經歷不斷改進和創新以適應能源發展的需求。儲能很難,實現規;瘍δ芨y。目前我國風電儲能示范項目達幾十個,但真正上規模、達兆瓦級的僅僅有南方電網的儲能示范項目與國網的張北項目。其中南方電網的儲能示范項目規模為10MW,而張北項目規模達20MW,是國內最大規模儲能示范項目,集風電、光伏發電、儲能及輸電工程四位一體。因此,張北項目肩負著為儲能產業發展指明方向的重任,被新能源業內人士寄予厚望。

發展多種儲能技術 積極推動儲能產業化發展

電力儲能長期以來是個世界性難題,盡管目前國際上一些新型儲能技術發展較快,但總體來說還沒有實現技術和產業上的壟斷,我們應該抓住機遇,下大力氣發展多種儲能技術,掌握一批關鍵技術,實現自主創新,積極推動儲能的產業化發展。

飛輪儲能技術是目前最有發展前途的儲能技術之一,在各種儲能技術中,飛輪儲能是能量密度、功率密度、使用壽命等技術性能結合得非常好的一種儲能技術,在很多應用中都具有優勢。但飛輪儲能,尤其高速飛輪儲能是一個復雜的技術群,包括電磁、機械、材料、電力電子等,涉及很多關鍵技術問題。國外一些公司經過幾十年的技術與經驗積累,目前已經出現了高速飛輪系列產品。國內在飛輪儲能的研究上大多停留在關鍵技術開發、小容量樣機試制階段,對于容量和功率均較大的高速飛輪,與國際先進水平相比還有很長的路要走,在高強度復合材料、磁浮軸承、高速電機、阻尼器以及系統的集成與可靠性等方面都有需要攻克的難題。

目前的大容量儲能技術主要是抽水儲能和壓縮空氣儲能。有條件的地方可以因地制宜建設抽水蓄能電站,用于電力系統調峰,或作為可再生能源發電場的調頻備用,減小其發電波動性對系統的影響?紤]到我國海上風電資源大規模開發利用的前景,可以依托于特定的地理資源,如選擇三面環山的海灣作為水庫的壩址,圍海建立大型抽水儲能電站;或選擇一些條件好的廢棄礦井、洞穴,修建壓縮空氣儲能電站,與當地的大型風電場或光伏電站相結合,為這些可再生能源電站的穩定運行提供支持,增加可再生能源發電的容量可信度,使其成為具有一定可預測性和可調度性的穩定電源,如美國內華達州正在籌建300MW風力發電與壓縮空氣儲能聯合電站。

關于儲能的分布式應用,可以有多種技術選擇。電化學儲能,除了鉛酸電池、鎳氫電池、鎘鎳電池,新型電池技術如鈉硫電池、液流電池,金屬-空氣電池等在技術上日趨成熟。飛輪儲能,包括機械軸承的低速飛輪和磁浮軸承的高速飛輪,目前國外已經出現了系列化產品,低速飛輪在系統穩定控制和電能質量改善上得到了很好的應用,而高速飛輪,由于大大減小了待機能耗,適宜于峰谷調節等長時間的儲能應用。超級電容器包括雙電層電容器和法拉第電容器,功率密度高、使用壽命長、儲能效率高,環境適應性好,在短時高功率的應用中具有很好的技術經濟性。超導儲能響應速度快,轉換效率高,其發展主流是小型分布式儲能系統,適用于電網的快速功率支撐、系統動態性能、可靠性和電能質量改善等場合,具有較好的發展潛力。此外,中小規模的抽水蓄能和壓縮空氣儲能與光伏發電或風力發電系統的集成也是很好的分布式儲能應用形式。

值得關注的是,隨著插電式混合動力汽車、電動汽車的規;瘧,形成了大量的移動電力負荷,需要配套廣泛分布的電動汽車充電電站或換電站,成為未來智能電網的重要負荷特性。同時,數量龐大的電動汽車儲能電池為電網提供了總量巨大的儲能能力,可以通過V2G技術,為電網的峰谷調節、旋轉備用、電能質量改善和穩定控制提供能量需求。

儲能發展需要技術、政策同步跟進

就目前的儲能技術發展水平看,單一的儲能技術很難同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環境特性以及成本等性能指標,如果將兩種或以上性能互補性強的儲能技術相結合,組成復合儲能,則可以取得良好的技術經濟性能。

中國電力科學研究院電工與新材料研究所總工惠東表示“沒有任何一種儲能技術能全面滿足智能電網接納分布式能源需要,因此,發展各種儲能技術,是適應智能電網建設的需要。”。

這一觀點得到了程時杰的贊同。“由于不同儲能技術具有不同優勢和適用性,電力系統的實際工作情況使得單一儲能技術難以滿足所有要求,因此,建設和發展智能電網,必須要對各種儲能技術進行復合利用。”

在電網應用中,要實現系統的穩定控制,電能質量改善和削峰填谷等多時間尺度上的功率平準控制,可以將超導儲能、飛輪儲能或超級電容器等功率密度高、儲能效率高以及循環壽命長的儲能技術與鉛酸電池、液流電池或鈉硫電池等能量密度高但受制于電化學反應過程的儲能技術相結合,以最大程度地發揮各種儲能技術的優勢,降低全壽命周期費用,提高系統經濟性。日本Wakkanai在建的5MW并網光伏示范項目將采用1.5MW鈉硫電池和1.5MW雙電層電容器的復合儲能技術。

應當指出,電力儲能技術雖然經過長期的發展,但要在電力系統中大規模應用還需克服技術和成本等諸多問題。如高效低成本長壽命的儲能材料、標準化系列化的儲能模塊、儲能的功率變換裝置、儲能與可再生能源發電的一體化技術、分布式儲能與電網的協調、復合儲能技術等。近年來,多種電力儲能技術獲得了較快的發展,如飛輪儲能、超級電容器、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池、鋅空氣電池等,出現了一些規;氖痉,為其商業應用積累了豐富的技術和市場經驗。

而且,儲能技術的發展,除了自身的技術進步外,還需要其他一些技術或政策上的配套。如實施分時電價,合理拉開不同供需時段的電價,使得儲能的削峰填谷有利可圖,則會吸引更多的市場力量參與進來,也能夠直接推動儲能技術和產業化發展。



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