新能源电力工程中的能量存储技术研究与应用

新能源电力工程中的能量存储技术研究与应用

黄建佳      许建飞

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摘要

随着"碳达峰、碳中和"战略目标的推进以及新电力系统建设的逐步发展,风电、光伏等新能源持续快速发展。大规模新能源的强烈不确定性和随机性,给电力系统的安全稳定经济运行带来了巨大考验。本文首先分析了新能源与能量存储的联合系统模型。其次,分析了电力侧的应用场景,包括能量存储系统抑制新能源电站分钟级波动、减少新能源电站预测误差、提高新能源电站发电收益等场景。最后,分析了电网侧的应用场景,包括电网峰谷调峰和频率调节等。研究结果表明,新能源与能量存储的联合系统可以抑制新能源电站的分钟级波动,减少新能源电站的预测误差。能量存储可以满足电网的有功功率平衡,缓解峰谷差异,并快速调节以满足电网的频率调节需求。

关键词: 能量存储技术, 新能源电力工程, 电池储能, 抽水蓄能, 氢能储存

1 引言

随着"碳达峰、碳中和"战略目标的推进以及新电力系统建设的逐步发展,风电、光伏等新能源持续快速发展。大规模新能源的强烈不确定性和随机性给电力系统的安全稳定经济运行带来了巨大考验。能量存储技术作为促进新能源消纳、提高电网灵活性的关键手段，在新能源电力工程中发挥着日益重要的作用。本文将从新能源与能量存储系统耦合模型、新能源电站侧和电网侧的应用场景等方面对能量存储技术在新能源电力工程中的研究与应用进行分析。

2 新能源电力工程中的能量存储技术

2.1 电化学储能技术

    电化学储能技术是新能源电力工程中重要的储能方式之一。其工作原理是利用电化学反应在电池中储存和释放电能。相比传统的机械储能技术,电化学储能具有响应速度快、能量密度高、可靠性好等优点。目前应用较为广泛的电化学储能技术主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和钒液流电池等。其中,锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命等特点,在电动汽车和电网储能领域得到了广泛应用。钒液流电池则因具有功率和能量可独立设计、安全性高等优势,在大规模电网储能中展现出良好的应用前景。总的来说,电化学储能技术凭借其优异的性能正在成为新能源电力工程中不可或缺的重要组成部分。随着技术的不断进步和成本的进一步降低,电化学储能必将在新能源消纳、电网调控等方面发挥更加重要的作用。

2.2 机械储能技术

    机械储能技术是目前应用最广泛的大规模储能技术之一。其主要包括抽水蓄能和压缩空气储能两种形式。抽水蓄能电站利用电能将水抽升至高位水库储存,在需要时再利用水流下落带动发电机发电。抽水蓄能具有反应速度快、能量密度高、循环寿命长等优点。目前抽水蓄能电站已广泛应用于电网调峰、频率调节等领域,在新能源电力系统中发挥着重要作用。例如可用于抑制风电、光伏等间歇性新能源的波动,提高新能源消纳能力。压缩空气储能则是利用电能将空气压缩储存于地下洞穴或储气罐中,在需要时再将压缩空气释放带动发电机发电。压缩空气储能具有投资成本低、环境友好等优点。此外,压缩空气储能还可与天然气联合发电,进一步提高能量转换效率。在新能源电力系统中,压缩空气储能可用于电网调峰、频率调节等辅助服务。

2.3 热储能技术

    热储能技术是一种利用热量作为储能介质的能量存储方式。其主要原理是将电能转换为热能并储存起来,在需要时再将热能转换为电能输出。热储能技术具有能量密度高、转换效率高、成本低等优点。在新能源电力工程中,热储能技术可以与太阳能发电等可再生能源相结合。在太阳能发电过程中产生的热量可以通过热储能技术进行储存,在太阳能发电无法满足用电需求时释放热量并转换为电能。这不仅可以提高太阳能发电系统的能量利用效率,还能够实现电能的有效调峰和负荷平衡。此外,热储能技术还可以与风力发电相结合。在风力发电过程中产生的余热可以通过热储能技术进行储存,在风力发电无法满足用电需求时释放热量并转换为电能。这种方式不仅能够提高风力发电系统的能量利用效率,还能够增强新能源发电系统的调峰能力。

3 新能源电力工程中能量存储技术的应用

3.1 在风电领域的应用

    风电作为新能源发电的主要形式之一,其间歇性和不确定性给电网的安全稳定运行带来了巨大挑战。能量存储技术的应用可以有效解决这一问题。首先,能量存储系统可以抑制风电场分钟级波动,提高风电场的出力平稳性。通过能量存储系统的快速响应,可以有效吸收和释放电能,补偿风电场的瞬时功率波动,从而减小风电场的输出功率波动幅度,提高电网的接纳能力。其次,能量存储系统可以降低风电场的预测误差。由于风电功率的不确定性较强,风电场的出力很难准确预测。能量存储系统可以根据实时的风电出力情况进行调节,弥补预测误差,提高风电场的调节能力。此外,能量存储系统还可以提高风电场的发电收益。通过能量存储系统对电价峰谷差进行套利,可以在电价较低时充电储能,在电价较高时放电发电,从而提高风电场的整体经济效益。

3.2 在太阳能发电领域的应用

    太阳能发电作为一种清洁可再生的新能源,近年来发展迅速。但由于太阳能发电的间歇性和不确定性,大规模并网会给电网带来较大的波动和冲击。能量存储技术的应用可以有效解决这一问题。首先,能量存储系统可以抑制太阳能电站分钟级波动。太阳能电站的输出功率会受天气变化等因素影响而出现较大的瞬时波动,这会给电网带来不稳定因素。通过在太阳能电站配置能量存储系统,可以有效吸收和释放电站的瞬时波动,平滑电站的输出功率,提高电网的稳定性。其次,能量存储系统可以降低太阳能电站的预测误差。太阳能发电功率的预测受天气等因素影响较大,预测误差较大。配置能量存储系统可以在一定程度上弥补预测误差,提高太阳能电站的调度能力,增加电站的发电收益。此外,能量存储系统还可以提高太阳能电站的发电收益。通过合理调度能量存储系统,可以在电价较高时段释放储存的电能,在电价较低时段吸收多余的太阳能发电,从而获得更多的发电收益。

3.3 在其他新能源领域的应用

    除了电力系统领域,能量存储技术在其他新能源领域也有广泛应用。在太阳能光伏发电领域,能量存储可以帮助提高光伏电站的发电效率和利用率。通过配置电化学储能系统,可以有效抑制光伏发电的波动性,提高电网的接纳能力。在风力发电领域,能量存储也可以起到平抑风电波动、提高并网容量的作用。此外,能量存储技术还可以应用于分布式能源系统,提高分布式新能源的自发自用能力,降低对电网的依赖。在交通领域,电动汽车作为一种新兴的移动储能设备,其车载电池可以为电网提供调峰调频等辅助服务,实现车网协同。总的来说,能量存储技术的广泛应用有助于促进新能源的大规模开发利用,推动能源结构的绿色转型,对实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。

结束语

    随着新能源发电技术的不断进步和电力系统向智能化转型,能量存储技术在新能源电力工程中的应用愈加广泛和深入。本文从新能源与能量存储系统联合运行模型、新能源电站侧和电网侧的应用场景等方面对新能源电力工程中的能量存储技术进行了深入分析。研究表明,新能源与能量存储系统的联合运行可有效抑制新能源电站的分钟级波动、降低新能源电站的预测误差、提高新能源发电收益。同时,能量存储系统还可满足电网的主动功率平衡需求、缓解峰谷差异、快速调节满足电网频率调节需求。这些应用场景充分展现了能量存储技术在新能源电力工程中的重要作用。未来,随着电化学能量存储技术的不断进步,其成本进一步降低、性能不断优化,必将在新能源消纳、电网调峰等方面发挥更加重要的作用。总之,能量存储技术必将成为新能源电力工程中不可或缺的关键技术,在促进新能源消纳、保障电网安全稳定运行等方面发挥重要作用。

参考文献

[1]陈明星, 陈涛, 周金良. 智能电网与能源存储技术的研究及应用综述[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(17): 36-42.

[2]吴柏林, 苗恩民, 杨盛智. 基于智能电网的能量存储技术现状与展望[J]. 可再生能源, 2018, 36(4): 519-526.