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智能电网储能技术亟待突破

[日期:2012-04-28]   来源:OFweek智能电网  作者:   [字体: ]

一直以来,削峰填谷被认为是储能技术最适合的“战场”。2000年以来,我国电网峰谷差逐年增大,多数电网的高峰负荷增长幅度在10%左右甚至更高,而低谷负荷的增长幅度则维持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于负荷的增长幅度,在电网中引入储能系统是实现电网调峰的迫切需求。全面开发应用调峰储能电池,将大幅提高电力系统的运行效率。

在电力行业的所有环节中,发电、输送、配电以及使用都可以应用储能技术。它既能提供紧急状态下的备用电力;也可为偏远地区或岛屿解决离网环境中的电力供应问题;分布式储能可提高智能电网的调节能力;电动汽车充电站也需要储能技术进行缓冲和调节。

储能技术已成为可再生能源和智能电网大规模发展的主要瓶颈。

可再生能源发电需要储能技术

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。

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。

储能技术是构建智能电网的重要环节

我国当前电网运营面临着最高用电负荷持续增加、间歇式能源接入占比扩大、调峰手段有限等诸多挑战,优质、自愈、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标。储能在节约能源提高能效、推动低碳能源发展、确保区域能源安全、再生能源规模化利用、建设使用分布式能源、智能电网建设与使用等方面有着非常重要的作用,能够在发电、输电、配电、用电四大环节得到广泛而充分的利用,因此可以说,储能环节是构建智能电网及实现目标不可或缺的关键环节。要了解储能,就要从新能源革命角度看储能,要从战略高度定储能的发展,从产业发展未来部署储能,从能源技术智能化抓储能。

作为新能源革命中重要的一环,美国、日本、德国等国家都在财政、政策上对储能作出了支持,但储能技术在我国现在还没有引起更大范围的重视。国家"十二五"规划提出,要依托信息、控制和储能等先进技术,推进智能电网建设。重视储能技术,通过与科研单位和院校联合,抢占这一新兴产业的科技高地,应该成为选项之一。

说到储能,人们很容易想到电池,但是现有的电池技术很难满足电网级储能的要求,而抽水蓄能和压缩空气储能等传统的储能方式也在经历不断改进和创新以适应能源发展的需求。储能很难,实现规模化储能更难。目前我国风电储能示范项目达几十个,但真正上规模、达兆瓦级的仅仅有南方电网的储能示范项目与国网的张北项目。其中南方电网的储能示范项目规模为10MW,而张北项目规模达20MW,是国内最大规模储能示范项目,集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体。因此,张北项目肩负着为储能产业发展指明方向的重任,被新能源业内人士寄予厚望。

发展多种储能技术 积极推动储能产业化发展

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。

中国电力科学研究院电工与新材料研究所总工惠东表示“没有任何一种储能技术能全面满足智能电网接纳分布式能源需要,因此,发展各种储能技术,是适应智能电网建设的需要。”。

这一观点得到了程时杰的赞同。“由于不同储能技术具有不同优势和适用性,电力系统的实际工作情况使得单一储能技术难以满足所有要求,因此,建设和发展智能电网,必须要对各种储能技术进行复合利用。”

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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