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南京南瑞继保电气有限公司、南京南瑞继保工程技术有限公司 朱 涛
传统储能系统中，由于储能类型单一，没有其他储能方式，电化学储能变成主要的储能方式，但是储能技术不断在发展，在电力系统中已经实现通过不同类型储能系统，一起接入电力系统中。当前，有两种能源可一起大规模接入电力系统中，分别是新能源与可再生能源，在储能技术中，技术路线并不具备多元化，主要路线比较单一，没有将储能技术应用在多重场景中，针对新的电力系统储能需求，当前的技术路线已经无法满足。为此，本文将根据多重不同储能技术的优势，为新能源系统中的应用提供出相应技术，以适应未来发展的趋势。
2.1 符合新的电力能源结构变革
“双碳”主要指碳达峰与碳中和，“双碳”目标给我国能源结构带来了新的变化。为了达到“双碳”的目标，当前电力能源结构主要以化石能源为体系，这种体系将会被发展快速的新一代能源取代，例如风力、光电、潮汐能和地热能等。新能源具有两个特点，分别是随机性和波动性，在其固有的实时供需平衡特性之间形成了自然的矛盾，从而导致未来以新能源为主要装机类型的供电系统，在确保系统的顺利运行必然会遇到前所未有的挑战[1]。在这方面，储能作为调节电力系统的具有弹性的资源，需要考虑新能源接入电力系统中的稳定问题，但储能作为弹性资源可以解决一些重要的问题，比如出现大规模的新能源系统，导致稳定性出现一些问题，对于电力系统来说，这也是提高新能源吸纳容量的主要方式。
2.2 电力系统容量资源的进一步限制
随着电力负荷的增加，电力系统面临着巨大的扩展需求，这是由于输电、变电和配电各个环节的负荷增加所致。同时，由于土地资源有限，征收越来越困难，对环境要求提高，出现了许多矛盾，比如传统电力系统依赖于新建线路、变电站、配电系统和电容扩大，矛盾不断增加，使差距逐渐增大[2]。储能系统作为一种可调、灵活的资源，有利于改善负荷峰谷特性，缓解峰值负荷与电网容量的矛盾，增加电网向等效输电容量输送的电能。因此，储能是提高电力系统负荷性能、提高其利用效率的重要手段。
2.3 能够满足更高的用电质量需求
此外，国家发展和改革委员会以及国家能源总局针对优化用电环境，还明确了电力用户对供电可靠性和质量的要求。精密制造业一直以来不断发展，与此同时带动了电力消费者对侧电能替代的不断推进，电力消费者对电能质量与以往相比，提出越来越高的用电质量要求，储备能源的引入将提高用户侧配电电源的可用性，并提高其供电可靠性、用电效率、电能质量以及预防灾害的能力。
3.1 飞轮储能方式
飞轮储能实现储能的前提是将旋转体旋转动能做一定的处理，直接转化为储能，飞轮储能释放电能需要通过动能转换为实际动能，并将动能向电能进行转换，通过这一过程才能释放电能，但前提需要以电极的驱动使飞轮获得一定的速度[3]。真空环境不仅对风的阻力有一定的阻挡能力，同时也有效降低了动能损耗，保证了系统的转换速度以及系统使用寿命。此外，还可以减少环境对系统的影响，但在使用过程中也有一定的缺陷，为维护系统运行的安全，需要投入大量资金。
3.2 抽水储能方式
当前，抽水储能发展非常迅速，与其他储能技术相比，抽水储能技术是比较成熟的一种储能方式，有效实现抽水储能，我国一些地方都已经使用了此技术，具体见表1。需要在堤坝上游建设一个水库，还要协调下游的水库。在电力负荷较低的情况下，用抽水装置进行抽水，将来自下游水库的水直接抽到在上游水库中，以此实现抽水储能。相反，当电力负荷较高的情况下，只能依靠上游水库实现发电，但是这种方式的能量转换率不高，一般只能达到75%，而且会面临较多困难。针对建设水库的位置，选址比较严苛，并且不能在短时间内修建，动态调整难度比较大，想要进行大规模推广与应用比较困难[4]。由于目前进行的水力储能建设，水泵站的全球容量占全球电站装机总容量的3%。由于抽水储能选址和输送电力的环境要求很高，地形环境往往使其远离所使用的地区，储存和输送能源也会大量耗竭。
表1 我国部分抽水蓄能电站统计数据
3.3 压缩空气储能方式
压缩空气储能技术与其他储能技术相比，应用前景较好，并且可以大规模进行推广与使用，具体如图1所示。压缩空气储能方式可以将多余的电能实现储能，在网络负荷较低的情况下，压缩空气储能技术可以将空气实施压缩操作，相反，当电网负荷增加的情况下，从原有储存的压缩空气完全释放，促进汽轮机实现发电，保证供电系统正常运行。压缩空气储存方式具有多种特点，不仅响应快，而且使用寿命长，储能效率高，其转化效率一般情况下能够达到70%以上，在未来，这种方式有着较大的发展前景，然而这种储能方式主要用于系统冗余和电力峰值调节等领域，也有选址结构与地形环境要求。
图1 压缩空气储能技术
3.4 电化学储能方式
电化学储能主要是通过化学方法实现储能，实现储能一般会用到许多不同类型的电池，比如钠硫电池、液体电池以及铅酸电池等。其中，铅酸电池是最常见的电池，液流电池与其他电池相比有一定的优势，但是使用最广泛的是铅酸电池，储能类型综合比较见表2。电化学储能电池提高电池容量，可以通过串并联形成电池组这种方式，但是电化学储能电池有一个缺点，使用寿命较短，一旦使用完毕，可能还会造成严重的环境污染问题[5]。目前，涉及电化学储能的研究越来越多，特别是近年来涉及能量分布和广泛分布的电化学储能逐渐出现体积小、易于调配、可灵活搭配等优点，在分布式能源开发应用的同时，消纳能力不断提高，这可以有效降低负荷峰谷。
表2 储能类型综合比较
在电力系统中，将储能技术引入可以作为一种转换电能与储备的设备，不仅可以有效解决新能源中的两个特性，也能在电力系统功率中将供需进行实时平衡，这两种特性分别是随机性与波动性，储能系统可以是一种具有灵活性的资源调节，可以针对功率尺度对供需实时矛盾进行调节，针对电力系统的不同时间尺度的供需能够满足，储能技术在电力系统中的主要作用见表3。因此，各种储能技术的主要参数和技术指标可分为功率、续航时间、反应速度等领域，储能系统对电力的需求可分为多个应用场景，具体有以下几个应用场景。
表3 储能技术在电力系统的作用分析
一是典型的储能工艺路线包括飞轮和超电容储能器的能量，一般要求储能器具备快速反应能力，以提供系统阻尼和额外的调频。
二是在应用场景中，为了平滑新能源的功率波动，提高配电设备的使用效率，必须使存储器能够快速响应，同时适应频繁的电荷和放电转换，具有代表性的技术路线是典型的锂电池电化学后备能源。
三是对于大型电网充气峰值、负荷调节等，需要大功率、大容量、长存储时间来支持应用场景，需要储能系统具有较高的吞吐量、良好的使用寿命以及良好的资源环境特点，因此结合现有的储能技术路线，提出电化学储能和超容量相结合的组合储能的应用方案，满足大功率、大功率需求是必要的。
储存能源在建设新型电力系统与“双碳”的背景之下，是适应未来大规模获得可再生能源、加强能源系统监管能力的必要而灵活的资源。储能技术路线多种多样，未来多型电力系统的联合连接将是常态。因此，电池的部署也将从一种到多种类型。而锂电池与超电容电池是不同的电池类型，但是可以互相结合，成为一种混合储能技术，该技术可以将锂电池的能量与超电容相结合，同时提供更大的功率和更高的能量输出。由于未来储能系统的接入将与分布式电源和负载深度集成，新能源电力系统储能拓扑结构示意图具体结构形式如图2所示。这个单元的主要部件是提供分布式储能的超电容器和锂电池。进入储能器配电单元的超电容器在新电力系统的直流母线上直接耦合，通过逆变器单元与超电容器连接，可以使储能器之间不会出现干扰现象。
图2 多重应用场景下新能源电力系统储能拓扑结构示意图
总之，新能源电力系统储能技术还不能满足当前需求，因此要不断更新技术，对新能源技术进行分析，在多重应用场景中，需要不断完善能源电力系统组件，推动新能源市场不断发展。
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