儲能技術在南方電網的應用前景分析

2016-03-28 來源:中國新能源網

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  摘要:隨著各種儲能技術的日臻成熟,大容量儲能技術進入了電力系統實際應用階段。為此,介紹了當前抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導磁儲能、超級電容器儲能、電池儲能等各種儲能技術的發展現狀、成熟度及適用范圍,分析了儲能技術在南方電網地區的應用前景,并提出了適合南方電網實際的儲能技術的應用模式及其運行控制方式。

  傳統電力生產過程中電能的產生、傳輸、分配和使用幾乎同時進行,這種特性很大程度上影響著電力系統的規劃、建設、調度運行以及控制方式。大容量儲能技術的應用打破了電力供需實時平衡的限制,其大規模應用可有效降低晝夜峰谷差、提升電網穩定性和電能質量水平、促進新能源大規模接入電網。儲能技術在電力系統中的應用已成為未來電網發展的一個必然趨勢[1−5]。

  本文介紹了各種儲能技術的研究與應用現狀,結合儲能技術不同的應用范圍,分析并提出了適合南方電網的儲能技術應用模式及其運行控制方式。

  1儲能技術的研究與應用現狀

  1.1抽水蓄能

  抽水蓄能是目前電力系統中應用最為廣泛、壽命周期最長、容量最大的一種儲能技術,主要用于系統備用和調峰調頻。在負荷低谷時段抽水蓄能設備工作在電動機狀態,將水抽到上游水庫保存,而在負荷高峰時設備工作在發電機狀態,利用儲存在水庫中的水發電。抽水蓄能電站的全壽命周期可達40年以上,其綜合效率一般在  75%左右。

  截至2008年底,全國抽水蓄能電站投產規模達到10945MW,約占全國發電裝機總容量的1.38%左右[6]。但由于受建站選址要求高、建設周期長、機組響應速度相對較慢等因素的影響,抽水蓄能的大規模推廣應用受到一定程度約束與限制。

  1.2飛輪儲能

  飛輪儲能技術將電動機的轉子與飛輪結合,利用電動機驅動飛輪至高速旋轉從而使能量儲存在高速旋轉的飛輪體中;當系統需要電能時,可以利用高速旋轉的飛輪驅動發電機發電。飛輪儲能的綜合效率較高,可以達到85%~90%[7]。

  國外飛輪儲能系統已形成系列商業化產品,如Active Power公司的500kWClean SourceDC和Beacon  Power公司生產的由10個25kWh單元組成的Smart Energy  Matrix儲能系統等[1,3]。目前,飛輪儲能裝置已投入電網實際運行,如紐約電力管理局就通過試驗安裝1MW/5kWh的飛輪儲能裝置來解決電動機車引起的電壓突變。飛輪儲能具有良好的負荷跟蹤和快速響應性能,可用于容量小、放電時間短、但瞬時功率要求高的應用場合[1]。

  1.3壓縮空氣儲能(CASE)

  壓縮空氣儲能的實質是燃氣輪機發電廠,其原理是將空氣壓縮并儲藏在高壓密封的貯氣空洞中,如地下溶巖洞穴、海底、以及廢棄礦井、地道等存儲空間,在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發電。

  ABB、  GE等國外大型設備制造廠商均關注百兆瓦級的壓縮空氣儲能的研發。同時,美國正計劃在俄亥俄州建造總裝機容量2700MW的世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站[1]。總體來說,壓縮空氣儲能的建設成本和發電成本均低于抽水蓄能電站,但由于貯氣空洞的建設受巖層等地形條件的限制,推廣應用的關鍵是選擇更合適的貯氣方式。

  1.4超導磁儲能(SMES)

  超導磁儲能技術主要原理是將電能以電磁能的形式儲存在超導線圈中。超導磁儲能具有功率密度高(10~100MW/kg),綜合效率高(95%左右)和響應速度快(毫秒級)的優點[1−4,8]。

  SMES  已在美國、日本和歐洲等地得到初步應用,100MJ的SMES已投入試驗運行。但目前世界上商業化生產的超導磁儲能系統只有美國超導公司的D-SMES系統,儲能容量為3MJ(折合約0.83kWh)。目前該裝置已在美國Alliant  Energy和Entergy等多處投入電網實際運行,主要用于電壓穩定控制和電能質量調節[1]。

  1.5超級電容器

  超級電容器的儲能原理與常規電容器一樣,但其電荷層間距離縮小到0.5nm以下,加之采用特殊電極材料后使兩電極表面積成萬倍地增加,從而產

  生了極大的電容量。

  當前各種商業化生產的超級電容器單體儲能容量較小,一般只有8~50kJ(折合約2~14Wh),而且單位容價格仍較為昂貴,在電力系統中多應用于高壓變電站及開關站的電容儲能式硅整流分合閘裝置、大功率直流電機的啟動支撐和動態電壓恢復等超短放電時間、瞬時大功率的場合[1,9]。

  1.6電池儲能

  電池儲能亦稱為電化學儲能,目前各種主流儲能電池技術參數如下表1所示。

  

  鉛酸電池技術成熟且成本較低,一直占據電力系統電池儲能技術應用的主導地位,不過由于能量密度低以及循環壽命短等問題,目前已沒有相關新增應用工程;鎳鎘電池的各項性能指標與鉛酸電池接近,但因為有“記憶效應”和自放電現象,以及存在鎘金屬污染的問題,已被歐盟限制使用,不具備在電力系統推廣應用的潛力;鈉硫電池在最近20年發展迅猛,具有能量密度高、循環壽命長等優點、已在日本和美國有大量的實際工程應用[12−14]。液流電池在本世紀初逐步實現商業化生產,具有能夠100%深度放電和可通過提高電解質的濃度實現增加電池容量等優點。但目前液流電池的能量密度較低,單位造價昂貴,制約了其大規模發展  [15]。

  鋰電池和鎳氫電池是目前最具發展前景的大容量儲能電池。鋰電池是能量密度和綜合循環效率最高的儲能電池[16];鎳氫電池是鎳鎘電池的改良,無記憶效應且無環境污染。但以上兩種儲能技術在電力系統中的實際應用較少,在推廣應用前仍需經歷長期的安全性和可靠性的運行檢驗。

  整體上來說,電化學儲能技術具有能量密度高、綜合效率高、建設周期短、容量和功率規模適用范圍廣等優點。隨著大容量集成技術的成熟以及綜合造價的進一步降低,有望在電力系統削峰填谷、頻率和電壓調節、電能質量調節、系統備用以及可再生能源靈活接入等方面發揮重要的作用。

  2儲能技術適用范圍分析

  儲能技術應用模式可以分為容量型和功率型兩種,不同的應用模式和應用場合對儲能技術性能指標提出了不同的要求。具體各種應用模式對儲能功率規模和放電時間需求范圍如圖1所示[17]。

  電力系統削峰填谷、頻率調節以及系統備用等應用模式對儲能設備的容量提出了較高的要求,是容量型的儲能應用模式。另一方面,系統穩定控制和電能質量調節應用模式則是功率型的儲能應用模式,要求儲能系統具備快速的響應速度,能給予電網足夠的瞬時功率動態支撐。除此以外,支持可再生能源接入的應用模式對儲能系統的容量和功率規模的要求較寬泛,主要根據可再生能源不同的發電特性和裝機規模而改變。

  總體來說,目前沒有任何一種單一的儲能技術能夠全面滿足所有應用模式的需求,需要因應不同的應用模式技術需求選擇合適的儲能技術。具體各種儲能技術的性能特點如表2所示。

  3儲能技術在南方電網的應用前景分析

  3.1支持新能源的靈活接入

  風能、太陽能等可再生能源發電具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點,有研究指出一旦可再生能源的裝機容量所占比例超過10%后,將對局部電網產生明顯沖擊。特別是在水、油、汽電源比例較小的地區,僅靠有功調節速度較慢的火電機組,難以完全適應其出力的快速變化,甚至會引發大規模惡性事故[18]。

  目前南方電網轄區內風力發電和光伏發電等可再生能源規模較小,截止至2010年底南方五省(區)統調風電裝機947MW,占全網0.6%,因此對電網安全穩定運行影響不大。然而,今后五到十年將是新能源的大發展時期,研究與可再生能源發電聯合運行的大容量儲能技術,通過實時調整儲能系統的充、放電功率以及充放電狀態的迅速切換,使可再生能源隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出,從而保證電網安全穩定運行已成為滿足未來南方電網新能源靈活接入的關鍵。

  3.2削峰填谷

  隨著城鄉居民和工業生產用電的大幅度增長,電力負荷峰谷差絕對值日益擴大,將給電力調度造成一系列的困難,各省(區)之間、各類電廠之間發電矛盾也將日益突出,甚至可能引起發電側矛盾的激化。隨著“十二五”期間南方電網區域內水電廠的陸續投產,系統調峰難度不斷增大,汛期云南、廣西仍存在較大低谷調峰缺額,棄水調峰難以避免。

  同時,當前電網高峰負荷的不斷增加,電網公司需要連續投資輸配電設備來滿足尖峰負荷的容量需求,導致系統整體負荷率偏低,資產的綜合利用率很低。

  因此,建立經濟高效的大容量儲能系統,可在用電低谷時作為負荷存儲電能,在用電高峰時作為電源釋放電能,實現發電和用電間解耦及負荷調節,在一定程度上減弱峰谷差。儲能系統一旦形成規模,可有效延緩甚至減少電源和電網建設,提高能源利用效率和電網整體資產利用率,徹底改變現有電力系統的建設模式,促進其從外延擴張型向內涵增效型的轉變。

  儲能系統在削峰填谷上的應用是今后緩解環境壓力及滿足低碳社會發展的重要途徑之一。

  3.3電網穩定控制

  南方電網遠距離、大容量、交直流并聯送電的特征,決定了保證電網安全穩定運行在長時間內仍然是南方電網的發展主題。當前南方電網儲能容量所占比例小,而且全部為抽水蓄能電站,響應速度不能完全滿足系統動態支撐的要求,很難從根本面上杜絕大面積停電事故的發生。電網穩定控制宜采用電磁儲能以及飛輪儲能等快速響應的功率型儲能技術[15],能有效減小和消除擾動對電網的沖擊,在系統出現故障時快速地吸收/發出功率,從而抑制系統振蕩,全面提高系統運行的可靠性。

  然而功率型儲能技術如超導磁儲能和飛輪儲能尚處于商業化的初步階段,價格昂貴,而且其產品尚未完全成熟,已投入電網實際運行的最大規模約  1MW/250kWh,與主網輸電規模相差甚遠,根據相關資料中有關儲能系統抑制低頻振蕩的臨界容量要求,超導磁儲能和飛輪儲能技術目前的整體生產水平不能滿足主網層面的電網穩定控制要求,因此近期內不具備在輸電網大范圍推廣應用的實力。

  4儲能技術應用的幾點建議

  隨著各種儲能技術應用研究的深入,儲能技術正朝著能量轉換高效化、能量高密度化和應用低成本化的方向迅速發展,在南方電網地區研究應用兆瓦級或更大容量的儲能系統有著十分重要的現實意義。本文對南方電網應用儲能技術有以下幾點思考和建議。

  4.1儲能價格體系

  價格體系是影響儲能技術推廣應用與發展的重要因素之一。電網公司、發電企業、用戶方面都認識到儲能技術的應用前景,但目前大容量儲能技術的造價普遍偏高,單位容量投資較大,而且我國儲能相關體制和政策并不完善,暫不具備上網峰谷電價、儲能電價、補償機制等配套電價機制,儲能站的建設和運行成本在現有電價體系中還找不到疏導渠道。

  因此,要推動南方電網地區儲能技術應用發展,應進一步促進價格機制的建立與完善,推動峰谷電價、階梯電價和儲能電價政策的盡快出臺,完善儲能技術應用的投資回報機制,鼓勵發電商、用戶端或第三方獨立儲能建設企業等所有有條件的投資方投資建設儲能裝置,促進儲能站應用以及電網建設的良性互動發展。

  4.2發展模式

  各種大容量儲能技術在全球范圍內已有大量的實際工程項目,成功應用于電力系統的各個領域,可借鑒的儲能技術應用發展模式主要有以下兩種:第一種是采取用戶側或發電廠側投資并管理的模式,由電網公司提供并網認證和檢測考核服務,通過制定合理的分時電價、階梯電價,引導投資方積極參與儲能技術的應用與推廣。第二種是由電網公司直接參與儲能設備的投資與管理,與目前抽水蓄能電站的管理方式一致,電網公司通過儲能電價收回投資成本,該運行模式有利于多個儲能系統的統一調度管理,提高設備運行維護水平。

  目前,由于受宏觀層面上所面臨的儲能設備價格過高及諸多體制、政策的制約,導致我國儲能技術應用投資主體的界定以及投資回報機制并不明晰,前述兩種發展模式的優劣與利弊,以及配套的政策與管理機制等,需要進一步的深入分析與研究。

  4.3儲能站示范工程及儲能技術應用研究

  我國大容量儲能技術的應用還處于初步階段。在大范圍推廣應用儲能技術條件尚不成熟的前提下,考慮以開展儲能站示范工程為切入點,研究與掌握大容量儲能設備集成控制和接入電網技術,通過試點工程積累全方位的技術數據,積累儲能站系統規劃、設備選型、工程建設及運行維護經驗,制定相關儲能系統接入電網技術標準和管理標準。同時,依托試點工作的開展,摸清儲能站工程各環節的技術經濟指標,形成有效的儲能技術經濟評價機制,為儲能站工程的建設提供參考依據,確保儲能技術及相關設備上的投資與建設滿足高效、經濟、實用的目標的實現。

  儲能站示范工程及儲能技術應用研究工作的順利開展,既是進行儲能系統接入電網技術研究的重要依托,也是制定儲能系統技術標準以及管理要求的重要依據,更是我國大規模推廣應用儲能技術的前提與保障,為我國儲能技術發展提供重要的工程實踐機會。

  5結語

  當前,整個電力工業的發展方向是走低碳經濟的道路。研究與應用儲能技術是解決可再生能源并網接入、提高能源利用效率和提高電網運行效率的重要途徑之一。而且,隨著各種儲能技術的日臻成熟,大容量儲能技術進入了電力系統實際應用階段。因此,盡快在電力系統中開展儲能技術開發應用綜合示范項目,為今后大規模推廣應用積累經驗,對于引導與推動儲能技術在我國的健康發展具有積極、重要的意義。

關鍵詞: 核電