新能源发电系统中储能系统的应用分析

马玉菲

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

0　引　言

新能源发电的间隙性和随机性等缺点正成为阻碍其深度发展的首要障碍，平稳的发电功率难以得到保障[1]。储能技术的发展和应用能够弥补新能源发电的上述缺点，使大规模新能源发电的并网运行更加安全可靠。储能系统还可以在电力系统负荷低谷时储存电能，负荷高峰时释放电能，以达到缓解目前电网面临电力供应巨大峰谷差的压力。

1　常用储能电池的应用及工作原理

能量的时间、形态、数量的差异普遍存在于新能源的开发、转换、利用进程中。为了缓解这些差异，便于新能源的高效利用，常采取储存和释放能量的人为过程或技术手段，即储能技术[2]。成熟的储能技术可以解决风力、光伏发电的并网技术难题、发电的间歇性问题等，进而消除大规模发展新能源发电的主要障碍。所以，提升新能源发电系统装机容量的同时，还应提高系统的最大储能容量和有效地提高系统的输出电能质量。

1.1　锂离子电池

随着创新型锂电池电极、电解质的出现，以及锂电池生产技术的不断优化发展，使锂电池的生产成本不断降低，从而拥有良好的经济性，进而促进了锂电池在电力系统的大范围应用。其中液态锂离子电池化学方程式如下：

正极：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-

负极：6C+xLi++xe-=LixC6

正极采用LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用的LixC6是锂-碳层间化合。

锂离子电池的优点：工作运行寿命长(当放电量小于储电总量的80%时，可循环使用3 000次)、储能密度高(130 kW·h/t)和储能效率高(近100%)。安全性方面，锂电池易发生过充、内部短路、温升严重，甚至导致起火爆炸。

1.2　铅酸电池

不同类型的铅酸储能电池的化学反应原理基本相同，安全性方面，相对于锂离子电池而言工作环境安全、生产工艺成熟。

充放电反应式：

铅酸蓄电池的使用寿命受到多种因素影响：电池各部件的生产质量和电池整体的制造工艺是内部因素；正常运行状态下的温度、欠充电、过度放电、浮充电压的选择等是外部因素。实际使用过程中，影响储能铅酸电池使用寿命的是电池内、外部综合因素产生的影响。

(1)板栅的腐蚀。电解液有腐蚀作用且正极腐蚀更为严重；

(2)内部热量失控。在一定运行环境下，如果电池散热速率低于电池内部热量产生的速率，则会出现电池热失控。对于电解液，水分被持续的热失控蒸发散失，导致浓度不断增大，电池正常的充放电进程难以维持。

(3)严重的酸分层。由于硫酸浓度在极板上的分布差异，导致负极板底部的活性物质硫酸盐化、正极板膨胀和正极板栅腐蚀，从而缩短电池使用寿命。

1.3　钠硫电池

由熔融液态电极和固体电解质组成的，负、正极均为活性物质，分别是熔融金属钠、硫和多硫化钠熔盐[3]。钠硫电池正常工作状态下的温度约为300℃。正、负极反应式如下：

钠硫电池优点：比能量高；可大电流、高功率放电；充放电效率高。缺点：工作温度较高(300～350℃)；充电模式下需要周期性的离线度量，以便得到平均值；需要对电池的壳体进行严格的抗腐蚀处理。安全性方面，因陶瓷隔膜属于易碎部件，若隔膜损坏则容易引起火灾、爆炸等事故。

2　常用蓄能电池的性能对比

表1分别给出了新能源发电系统中储能系统常见的三种储能电池的性能、经济参数，为选择高性价比、容量匹配、系统稳定的储能元件提供参考。

表1　储能系统三种储能电池参数对比

利用PCS系统(过程控制系统)为储能系统提供动态无功补偿，可大大减少无功调节的响应时间，进而使得储能系统的电压稳定性得以全面提高。

3　总　结

本文分析了几种常见的化学储能电池的储能原理，并对其性能、经济性做了详细对比。每种蓄能电池的优缺点突出，对于不同的新能源发电系统，应据自身需求选择适合的储能电池。作为电力系统用户侧的备用电源、系统“黑启动”的电源，储能系统有提高系统可靠性和抵御自然灾害的能力。由于我国的能源中心和电力负荷中心距离跨度大，我国电力系统的发展始终是大电网、大电机的方向，运行模式采用集中输配电模式。随着可再生能源的飞速发展和社会对电能质量不断提出新要求，储能技术的应用前景广阔[4]。

参考文献：

[1]BARTON J, PINFIELD D G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(2):441-448.

[2]樊栓狮，梁德青，杨向阳，等.储能材料与技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3]YAO Y F Y, KUMMER J T. Ion exchange properties of, and rates of ionic diffusion in, beta-alumina[J]. Journal of Inorganic Nuclear Chemistry, 1967, 29(9): 2453-2466.

[4]华光辉，赫卫国，赵大伟.储能技术在坚强智能电网建设中的作用[J].供用电，2010，27(4)：22-25.