浅谈新能源发电系统中储能系统的应用分析

马继磊

（水发能源集团有限公司，山东 济南 250100）

储能技术的引入可以改善新能源发电的性质、可持续供电和系统的稳定性，行业对太阳能发电中储能技术的分析、研究和应用尚处于发展初期，相关技术还不成熟和完善，应用容量较小，对大规模光伏电站和风电站的应用有限。而随着新能源发电系统规模的不断增加，储能技术在新能源发电系统中的应用日益受到关注。本文针对新能源发电系统中储能系统的应用进行分析和研究，以及对相关技术进行探究。

1 新能源发电系统、储能系统概述

1.1 新能源发电系统

目前，主流新能源生产系统是光伏发电和风力发电。光伏发电是利用半导体的光生伏特效应将光能转换为电能，并通过逆变器将直流电转化为与电网同步交流电的发电系统。风力发电原理是由风推动风机叶片转动，带动发电机将机械能转换为电能，通过控制系统并入电网。然而，由于新能源的生产效率较低，建设风电、光伏电站需要的地面区域较大，如应用多晶硅光伏电站，在平地建设条件下，100MW光伏电站占地约2000～2500亩。另外，以光伏、风电为主的新能源发电系统具有非常显著的发电不稳定性，受天气（光照、风速等）影响大，日发电时间有限。因此，提高发电效率和发电利用率成为行业技术主要的发展方向。

1.2 储能技术

储能技术主要利用外部介质存储外部能量，目前行业主要的电储能技术有压缩空气储能、化学电池储能、抽水蓄能、超级电容储能、飞轮储能、超导磁场储能等。应用实例较多，区域边界也比较复杂和庞大。电池储能满足短期应急用电，成本较高，体积太大。超导磁场储能、超级电容、飞轮储能是解决成本和地区限制的新型储能系统，本文介绍了这三种新型储能技术的应用。

2 新能源发电系统中储能系统相关技术分析

2.1 储能技术的作用分析

（1）提高电性能质量。新能源的并网运行必须满足电能质量要求，相对来说，对孤岛运行的新能源系统电能质量受天气影响更加明显，波动剧烈。储能装置有稳定潮流，维持母线电压的稳定和调频等功能。

（2）削峰填谷。目前的能源生产和消耗策略是即发即用，而电网负荷具有波动性。用电高峰期，发电机组运行率较高，用电低谷期，发电机组运行率会降低，因此，部分发电机组总体利用率会降低，产生资源浪费。如火电机组调峰，目前通过火电机组降出力是电网主要调峰手段之一，而火电机组降出力后，其燃料的利用效率也会降低，因此，通过火电机组降出力来调峰不但会降低火电机组的发电时长，造成发电设备的浪费，同时也会造成燃料的浪费。储能系统能有效地解决这一问题，在用电低谷期储存多余的电能，在用电高峰期释放电能，达到调峰效果。

（3）短期电力供应。电网运行中如果发生断网事故，发电系统将瞬间进入孤岛运行。储能装置通过控制系统，修正电压和频率偏差，实现从并网模式到孤岛运行的平滑切换。全球大面积停电事故多发，而大面积停电将对生产和生活产生非常不利的影响。此外，由于新能源所产生的能量受天气影响较大，在极端天气情况下，风光资源不稳定时，储能系统能够维持负荷的正常运行。

2.2 储能系统分类与工作原理

（1）机械储能。常见的机械储能有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等储能类型。在实际应用中，抽水蓄能占有绝大部分的份额。抽水蓄能就是将水由低处抽到高处，将电能转换成水的动力势能完成充电过程，其放电过程与水电站发电过程相同，其建设地址主要是“临水而建”。压缩空气储能的系统主要是通过压缩机将空气压缩至不低于10MPa的高压状态，储存在储气罐中完成充电过程，放电过程则是高压气体通过膨胀机带动发电机组发电，压缩空气储能充放电是由电能与空气或储热介质的内能相互交换的过程，压缩空气能的建设地址同样受到地域限制。飞轮储能同样是电能与飞轮的动能相互转换实现充放电的机械储能装置。抽水蓄能和压缩空气储能属于大规模储能系统，具备调峰、平滑出力、黑启动等方面的应用。飞轮储能在不间断供电、调频等方面作用较好。

（2）电化学储能。电化学储能主要是通过电极与电解液的化学反应完成充放电过程，其工作原理与常规可充电电池原理一致。早期电化学储能采用铅酸蓄电池，目前磷酸铁锂电池的应用较多。同时三元锂电池、钒液流电池、钠硫电池也属于电化学储能。

（3）其他储能。储能系统的种类比较多，有超导储能、超级电容等电磁储能，以及储氢、合成燃料等化学储能形式，以及熔盐储热、固体储热等储热形式的储能系统。

3 新能源发电系统中储能系统的应用

3.1 储能技术在不同发电系统中的应用

（1）光伏电站的储能应用。①光伏离网系统。早期光伏离网系统应用较多，系统主要配置光伏组件、控制器、蓄电池。充电时，光伏组件将所发直流电通过控制器储存在蓄电池中，放电时，蓄电池通过逆变器和放电控制器，将直流电转换成交流电接入负载。早期离网系统的蓄电池大都采用铅酸胶体蓄电池，家庭离网系统、光伏路灯是最常见的工程案例。②光伏微网系统。以户用光伏和小型工商业分布式应用较多，光伏微网系统是在离网系统的基础上兼具了并网功能，在大电网停电后，光伏发电系统由并网状态转为孤岛运行可以实现平滑切换。③大型光伏电站配置储能系统。在大型光伏电站中，通过在电站交流侧配置储能系统，实现电网调峰的作用，目前多个省市明确了大型地面光伏电站配置储能系统比例，光伏电站与储能系统功率按照10：1进行配置，同时要求储能系统充电时间不低于2小时。

（2）“风储”发电应用。储能系统应用在风力发电站的主要作用同样是为了提高风电场的稳定性。通过将每台风电机组配置双向变流器和储能系统，可以有效地提高机组输出性能的稳定性。即使在极端条件下，储能系统也能满足吸收和储存多余功率的所有要求，不损害风力涡轮机，并通过性能改善电压管理。这种储能技术能够实时进行动态调整和反应，保证能源系统的安全稳定运行。

（3）风光储一体化发电。2020年，电力源网荷储指导意见发布，对风光储一体化等多能互补的发展模式提出了明确方向。通过在风电、光伏发电系统中配置储能系统，建设“风光储”一体化发电项目，用储能发电来优化风光互补电站发电性能实现“风”“光”“储”相辅相成，共同完成发电任务。储能装置在谷时段进行充电，在峰时段放电，保证发电系统平稳运行。当前，新能源发电的不稳定性与电网负载间的矛盾越来越突出，在我国2030年和2060年分别实现“碳达峰”和“碳中和”能源目标下，“十四五”期间，将会有更大规模的装机容量。

3.2 不同储能技术的应用

（1）超导储能在新能源发电系统中的应用。超导储能是将电能以电磁能的形式储存在超导体中，其具有功率密度高、效率高、响应快、环保、寿命长等特点。应用在新能源发电系统中，具有平滑出力和调频作用，对于提高新能源发电的电能质量具有非常好的效果。在应用方面，国际已经有部分工程案例，如美国和日本已经具有10MW工程的应用案例，同时美国也有组装完成的100MW机组，而国内主要以仿真研究或小容量样机应用研究为主。目前，全球超导储能技术方面，10MW超导储能技术较为成熟，并具备了一定商业化可行性，100MW机组研究和应用正在进一步研发中。日本超导储能研究协会曾对抽水蓄能和低温超导储能进行过全生命周期的对比研究，在单位功率的成本方面，“超蓄”是“抽蓄”的40%～50%，在经济性方面具备较好的商业化可行性。

（2）超级电容器可以存储新能源发电中的应用。超级电容储能利用电容器的储能原理，商业化的超级电容主要是双电层电容，是一种静电储能。通过化学气相沉积等工艺，在电容电极附近形成双电层，该储能材料在功率密度、转换效率、污染等方面具有良好的性能。有研究人员利用了大容量、无限循环充电的特点，将由超级容量和功率器件组成的电路连接到发电阵列与负载之间，通过补偿电压改变光伏电池的输出，这样可以改变光伏阵列的输出特性，实现功率点跟踪。

（3）飞轮储能系统是一种新型的储能装置，是机械能和电能的交换装置。充电时，电动机驱动飞轮转动，实现从电能到机械能的转换；能量储存阶段，飞轮在真空中保持高速旋转状态；放电时，高速旋转的飞轮驱动发电机发电，将机械能其转换为电能为负载供电。飞轮储能能量密度高、响应速度快，同时环保性好、经济性强，市场潜力大。飞轮储能应用在光伏电站，可以根据输出优化有功和无功输出，对调节并网点电能质量具有明显作用。

4 结语

通过对几种储能技术的研究和分析，论述了新型储能技术在新能源发电系统中的应用和发展现状，展望了新型储能技术以其高转换效率、输出电能质量好、供电安全可靠等特点，在未来新能源发电系统中具有良好的应用前景。