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储能设备的发展和电力系统中的应用

摘要:电力系统的总体结构正在发生变化，为了更好的发展，它正在从以化石燃料为基础的业务转向更加环保和可持续的可再生能源，同时，为了满足日益增长的能源需求它也必须发展。这些变化带来了非常独特的机会和障碍。在过去的几十年里，人们在储能的广阔领域探索了许多新鲜的和创新的想法，它们涉及的的范围、内容和设计复杂性各不相同，其中一些系统是为大规模电力应用而设计的，其他系统则通过关键制造和关键技术的系统功能来执行短期储能。储能技术已成为在输配电系统中实现可再生能源应用和提高电能质量的一项重要技术。本文将总结所有取得的成果，并提供有关存储技术成本和趋势的综合描述。

索引词:储能，可再生能源，分布式资源，电池，压缩空气，飞轮，水力发电，超级电容器，超级电容器，超导磁能存储器，可再生能源。

1 导论

储能技术已经存在了很长一段时间，从手电筒到航天飞机，储能技术已经有多种形式和多种应用。

目前，储能技术的应用不仅使电力系统更加可靠，而且使可再生能源的广泛利用成为现实。当前许多州都有法律要求公用事业公司在其投资组合中增加对可再生能源的使用。这些要求带来了一些非常独特的挑战。太阳能、风能和潮汐能等可再生能源是不可调度的。只有当有足够的太阳光、风和潮汐时，这些才可用^[29]。这就使储能系统成为了有可能实现的技术^[30]。 它们提供了将不可分配资源变成可分配能源的方法。

图1描绘了可应用于“大功率”传输电网和配电系统的能量存储应用的原理。其中一些技术可用于这两种应用程序。由于微电网的概念和分布式发电等电能质量问题，目前配电应用正受到越来越多的关注。此外，减少对化石燃料和外国石油依赖的需要也推动了对运输业储能装置的研究。运输和备用电力系统行业的这些储能应用程序之间有许多共同点，因为它们使用类似的技术。

输电网储能的概念也不是什么新鲜事。几十年来，大型抽水蓄能电站一直遵循这一原则。在过去的二十年里，许多其他的储能技术已经成熟到可以在大型电力系统中应用的程度，有些早已经在中小型应用。

图1.储能图

储能系统为影响电力系统的关键问题提供广泛的解决方案。根据选择的技术，它们可以提供运转备用、负载均衡和转移、负载预测、频率控制、VAR支持和电压调节、缓解输电线路过载、释放系统容量、提高电能质量，更不用说它们还能有效地利用资本资源。

能够储存未消耗的可用能源，不仅有助于解决前面提到的各种问题，还可以提高电力系统的整体效率。美国能源情报署（Energy Information Agency）报道，2005年美国连续的容量裕度为15.4％^[25]。大部分电力是由化石燃料产生的。使用能量存储系统，可以提取并存储此裕度以供以后使用。这不仅有助于提高系统的整体能效，而且还可以为前面提到的系统提供一系列服务。

2 可再生资源

可再生资源为当前的能源需求提供了许多有吸引力的解决方案。它们是可持续的，对环境友好的。世界上每个地区都存在某种形式的可再生资源。通过整合这些资源，它们可以为该地区的能源总需求和安全作出可观的贡献^[2]。

然而，可再生能源的主要缺点是其依赖于天气的间歇性行为以及在需要时无法调度能量。包括卫星在内的许多资源提供的天气数据有助于理解天气模式^[22]。这些数据可以用来预测可再生能源的产出，但它们的预测总是存在一定程度的不确定性。例如，图2显示了一个公共事业的典型日负荷曲线、预测风力和实际风力的发电量。当风力大于预测值时，电力公司必须吸收或削减电力。如果风力小于预测值时，那么电力公司必须供电或减少负载。可再生资源的不确定性可以通过储能装置来管理。

图2.公用事业负载与实际风力和风力预测

可再生资源的另一个问题是它们的能量生成时间。风力一般在夜间有较高的发电量，而太阳能通常在白天的中间时段，这与通常在下午5点到9点之间的达到峰值负载的时间不一致。储能可用于将这些资源转移到需求量大的时期，但对于当前可再生资源的渗透来说，关键是管理公用事业可用的发电资源。

另外，将可再生资源的电力注入电网可能会导致其他电能质量和可靠性问题。在系统使用时向系统注入电源，便会发生电压骤升和骤降。为了适应可再生资源的间歇性和可变行为，必须改变电力系统的整体管理。在考虑可再生资源时，涉及的不仅仅是技术问题，在应用时，必须考虑税收和能源信贷等经济因素^[23]。。

图3. 壳牌持续增长方案[2]

可再生能源被认为是解决我们未来能源需求和保持可持续性的一个重要途径。图3描绘了这样的场景。储能是使可再生能源成为未来电力系统可行的组成部分的手段。

3储能选项

有多种储能选择。它们可以分为两大类，如图4所示。第一种是可用于实用传输应用的大型存储设备。第二组包括位于用户站点的小型存储设备。此类装置的一个例子是使用电池的不间断电源（UPS）装置。

本文主要论述储能系统的应用。今天，只有少数大型储能系统投入使用。储能设备技术当前面临的最大问题之一是“是否可以在需要时向电网提供大规模的能源服务？”下面讨论了当前技术的现状和范围。

图4. 电力系统中的储能应用

A.电池

电池已有一百多年的历史，具有一些非常独特和理想的品质。电池系统是模块化的、安静的、无污染的^[6]。它们几乎可以安装在任何地方，安装速度也相对较快。被称为电池储能系统（BESS）的大型电池系统没有其他技术所带来环境挑战。这些系统通常可以在12个月内安装。BESS装置可以安置在靠近需要的建筑物或其他设施内，并且当位置在城市内或附近时非常有利^[4]。

由于BESS使用电源转换器将电池直流电源转换为与电网兼容的交流电源，因此它的单元可以对系统上的负载变化做出非常快速的响应。它们的响应时间约为20毫秒（略多于一个周期），往返效率在60%到80%之间^[6]。

但是，电池也面临一些非常独特的挑战。电池以电化学过程存储能量。在充电和放电周期中，必须控制电池中的温度变化，否则温度变化会影响电池的使用寿命。所使用的电池类型将决定其对由于温度引起的寿命降低的耐受性^[4]。

另一个主要问题是电池的生命周期。这被定义为电池可以提供的充电/放电循环次数，取决于放电深度（DoD）^[3]。电池/循环应用可能需要BESS每天多次充放电。只要国DoD相对较低，电池的循环寿命将不受影响。然而，如果DoD很大，那么电池寿命周期可能会降低。如图5所示，如果镍镉电池的预期循环寿命为20000次，则DoD大约不得大于15%。电池的最大放电率也值得关注，因为使用高放电率也会损坏电池。根据电池的类型和用途，放电率可能是其容量除以4，6，甚至10。这会限制电池中的可立即使用的电流。

对于诸如电压调节，频率控制，短期中断和VAR支持之类的电能质量问题，电池储能系统可能非常有效。它们也可能有效地用作短期峰值负载的运转备用^[3]，这些每天的高峰需求通常仅持续约一个小时或更短的时间^[5]。但是，如果没有深度循环的能力，对于电池负载均衡将是一个挑战

当前存在许多电池储能系统，包括加利福尼亚州奇诺市的10兆瓦（40兆瓦时）设施和波多黎各的20兆瓦（5兆瓦时）设施^{[4] [6] [7]}。 南加州爱迪生和EPRI证明了铅酸BESS用于负载均衡、电压、var、频率控制和运转备用的成本和效益^[6]。该系统的设计是每天向70%的DoD放电10兆瓦，持续4小时。电池能维持2000次循环。然而，仅在890次循环后，它们就出现了显著的恶化。在开发出具有深度循环能力的高容量电池解决负载均衡之前，BESS将继续在这一领域面临挑战^[3]。

一些特定的电池类型，如钠硫(NaS)电池已经被专门设计用于公共事业的储能应用。这些电池被设计为具有相对较长的寿命（15年），并成块提供，可提供1MW的功率达6-8小时。

与铅酸电池相比，现在有许多新的电池技术被开发出来，可以储存更多的能量，使用时间更长，而且成本更低。这些新电池技术中的一些是锂离子，氢钒氧化还原，Regenesysreg;氧化还原，钠硫，镍金属氢化物，镍镉和溴化锌^{[3] [8] [31]}。

B.超级电容器

超级电容器并不是一项新技术。从20世纪60年代就有了^{[27] [28]}。超级电容器是电化学双层电容器（ECDL）。超级电容器是电化学装置， 超级电容器的储能机制不涉及任何化学反应。这种机制是高度可逆的，并允许超级电容器进行数十万次充电和放电^[26]。一些供应商对具有百万次以上周期的做了广告^[28]。超级电容器还具有耐温性，工作范围在-40°C至65°C之间，并且还具有抗冲击和抗振动性^[27][28]。有了这些特性，超级电容器可以成为一种高效的储能装置。但是它有一个很大的限制。与电池相比，超级电容器的能量密度相对较低，它的性能通常比同等电池的能量密度小一个数量级。然而，超级电容器的功率密度要高得多，超级电容器的功率密度比电池的功率密度大。

图5. 烧结/ PBE镍镉电池的循环寿命[3]

超级电容目前有多种尺寸可供选择。电流电压额定值最高可达2.7V，最大串电压为1500 v^[28]。为了在大型储能系统中成为可行的替代方案，它们将需要能够处理多个kV。它们可用于短时间内进行能力以及电压调节，频率控制和其他电能质量问题。

超级电容目前被当作可用于美国能源部自由汽车42V启停应用的一项技术，当前的障碍是其系统的低能量密度和高成本^[24]。

超级电容器具有广阔的前景，因为它具有电池的优良特性而没有不良特性，并且往返效率为84-95％^[8][28]。加上模块化，安静，无污染，快速充电和放电的能力，较长的使用寿命（10至12年）和极高的循环寿命，这使得超级电容器成为非常理想的储能设备。

使用纳米管技术来改进超级电容器表面积设计的工作已经取得了进展。这种“纳米管超级电容器”将提高超级电容器的能量密度，使其与化学电池的能量密度相匹配^[27]。

C.泵水力发电

抽水蓄能已经在世界上使用了70多年。目前储能技术最广泛使用在这些大型储能工厂^[6]。美国有150个抽水蓄能设施，全球大约有280个设施。 它们的总发电量约为90GW，约占世界发电量的3％^{[6] [9] [25]}。

抽水机组的运行原理与水力发电厂相同。但是，它们的发电机组也可以用作电动机。在非高峰时段，多余的制造电力的水从较低的水库抽到较高的水库。然后，在电力需求旺盛的时期，水会从较高的水箱中释放出来，从而使涡轮机转动并产生电能。它们可以持续产生大量的能量。另外，这些工厂的往返效率在70％到80％之间^{[6] [9]}。它们的储存能力仅取决于储存器的大小。因此，可能有几天，而不是只有几个小时的储能。

这种设计的主要缺点是建立水库需要大量的土地，并需要在它们之间加高。许多理想的地点已经在使用中，其他地点遭到了环保组织的反对。但是，还有另一种方法即将大型水库置于地下来避免其对环境的影响。地下抽水电厂的使用已被证明在技术上是可行的，但由于将其置于地下的相关成本很高，目前还不存在^[6]。

抽水蓄能电站价格昂贵，规划和建造需要很长时间。阿尔卑斯山最近兴建的一座水力发电厂需要30年计划时间和7年建设时间。然而，该工厂的额定功率为1.06 GW，储能容量为8.5 GWh ^[9]。

D.压缩空气储能

压缩空气储能（CAES）系统利用基载电厂或可再生能源产生的非高峰电力将空气压缩到地下水库或地面容器中。然后，在高电力需求时期，这种压缩空气与各种燃料中的一种结合起来驱动涡轮发电机组。与传统设备相比，CAES电厂使用的燃料少了三分之二，并且能够在几十分钟内启动^[10]。它不需要很长的启动时间，其他运转备用可能需要，如热单位。

CAES工厂需要大量压缩空气才能长时间运行。地下储气的原理是基于油气工业开发的一种可靠方法。

这项技术已被证明在溶解性开采的盐洞、传统开采的硬岩洞和含水层中有效。如图6所示，在美国，75％以上有利于地下存储^[6][11][12]。

目前有两家CAES工厂正在运营。第一家工厂于1978年在德国亨托夫建成。该工厂的容量为290MW，可使用4个小时。它有一个令人印象深刻的性能记录，90%的可用性和99%的启动可靠性。第二座工厂于1991年在阿拉巴马州的麦金托什建造。该工厂的容量为110MW，可使用26个小时。同时考虑热输入和电输入的CAES工厂的往返效率约为85％^{[6][7][10][11][12][13][30]}。

CAES系统的主要关键是储层必须是气密的并且非常大。使用地上储油罐的小型装置的储能能力通常仅限于几个小时^[6]。为了获得更高的

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