孫　闊

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

電化學(xué)儲能裝置對電網(wǎng)的影響

孫闊

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

介紹了電力儲能設(shè)備（EES）的基本分類，及其大規(guī)模應(yīng)用對電網(wǎng)所形成的影響。以POWERWALL為例介紹了可以廣泛用于家庭的分布式儲能電源的配置，分析了其未來所具有的巨大應(yīng)用發(fā)展前景。

EES；分布式發(fā)電；峰谷差、供電可靠率

實(shí)現(xiàn)綠色用能、提升電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行水平離不開電力儲能技術(shù)(Electric EnergyStorage,EES)。儲能技術(shù)的應(yīng)用不僅在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動性問題，使間歇性的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛、有效地利用，同時(shí)還在配網(wǎng)中發(fā)揮了對電力負(fù)荷的削峰填谷的作用，減少系統(tǒng)備用需求和停電損失，提高系統(tǒng)供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性和穩(wěn)定性。近年來，世界各國投入了大量的精力對儲能技術(shù)開展了大量的技術(shù)研究，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1　電力儲能基本形式

應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電等各環(huán)節(jié)的儲能技術(shù)千差萬別，儲能規(guī)模和適用范圍也具有較大的差異，總體上可以按照所存儲能量的形式及儲能技術(shù)的工作原理分為物理儲能和化學(xué)儲能。不同儲能方式均有適合自己的獨(dú)特運(yùn)行場所，需要根據(jù)電力系統(tǒng)具體的需求來選擇儲能方式。如圖1所示。

圖1　電能存儲技術(shù)的分類

化學(xué)儲能是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換以存儲能量的技術(shù)，是電能存儲方式的一個(gè)重要形式?；瘜W(xué)儲能具有響應(yīng)速度快，不受地理等外部條件的限制，并且在功率和能量上可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置等特點(diǎn)，在電力配網(wǎng)中具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，電化學(xué)儲能技術(shù)在近年來一直處于快速發(fā)展階段。目前研究得較多的主要有鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池、鈉/氯化鎳電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等，其內(nèi)部的核心結(jié)構(gòu)基本相同，電化學(xué)儲能技術(shù)目前需要重點(diǎn)突破的方向是電池的使用壽命較短、高成本。

2　提升電網(wǎng)供電能力

儲能設(shè)備的應(yīng)用可以有效降低用戶停電時(shí)間，變相增加電網(wǎng)容量，從而緩解升級改造電網(wǎng)設(shè)備的壓力。假設(shè)以下案例。

2.1儲能設(shè)備的額定輸出功率是電網(wǎng)容量的4%且該區(qū)域的負(fù)荷以每年2%的速率增長。電網(wǎng)容量在轉(zhuǎn)年已無法滿足該區(qū)域符合需求。

2.2為該區(qū)域供電為35kV某變電站。變電站當(dāng)前為兩臺變壓器運(yùn)行，升級后三臺變壓器分列運(yùn)行。

2.3該次電網(wǎng)改造費(fèi)用（包括變壓器新投、配線新出切改、輸配電設(shè)備）約為2000萬元。

2.4假設(shè)新投變壓器容量為20MW。則增容產(chǎn)生的電價(jià)增量為2000萬元/20MW=1000元/kW。

依照本案例的假設(shè)，儲能設(shè)備占電網(wǎng)容量4%，在以2%負(fù)荷增速的電網(wǎng)中可緩解至少兩年的增容改造壓力。

3　平抑光伏對電網(wǎng)沖擊

2013年底，中國發(fā)電總裝機(jī)量達(dá)1250GW，其中包含91.4 GW風(fēng)電（占7.3%的比例）。除了火力發(fā)電和水力發(fā)電，風(fēng)電也是中國第三大電力來源。而中國的光伏發(fā)電裝機(jī)量達(dá)18.1 GW，占全國的1.5%，超越美國成為全球最大的光伏市場。光伏發(fā)電有諸多優(yōu)勢，但其輸出功率受天氣等因素而波動劇烈，余電上網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊一直是電力部門難以解決的問題。

圖2　光伏輸出功率曲線

如圖2所示，光伏的輸出功率會因云對陽光的遮擋而時(shí)刻變化，單一的分布式光伏對電網(wǎng)沖擊可忽略不計(jì)，但大規(guī)模配置的光伏電源會因云層、天氣、時(shí)間、季節(jié)性光照時(shí)間等因素對電網(wǎng)產(chǎn)生較大波動。

而與分布式光伏配合的儲能設(shè)備可以讓光伏輸出曲線更“平滑”。而在白天充電，夜間放電的儲能裝置可以讓獨(dú)立的供電體系更符合電網(wǎng)的負(fù)荷曲線。

4　縮小負(fù)荷峰谷差

多數(shù)地區(qū)的負(fù)荷峰值集中于夏季某一特殊時(shí)段，這是因?yàn)榇笠?guī)模且集中使用空調(diào)造成的。然而空調(diào)在全年用電量中不是基本負(fù)荷，負(fù)荷周期很短。為滿足短期空調(diào)負(fù)荷而擴(kuò)建電網(wǎng)，造成了電力系統(tǒng)10%～20%的容量（發(fā)、輸、變、配電等設(shè)備）的利用率極低——僅提供了占全年1%～2%的用電量。但即使如此電力部門仍然在對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行增容改造，來匹配新增用電負(fù)荷。空調(diào)等周期性負(fù)荷通常疊加在原有的負(fù)荷峰值，也就造成了該段時(shí)期電價(jià)最高、效率最低、發(fā)電污染最高（如火電站）。同時(shí)輸、配電系統(tǒng)因負(fù)荷劇增而造成損耗上升，變壓器等設(shè)備產(chǎn)生油溫高等不安全因素。大規(guī)?？照{(diào)負(fù)荷同時(shí)啟動也會造成電網(wǎng)電壓驟降，對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的威脅。

將分布式儲能設(shè)備與空調(diào)等周期性負(fù)荷相連，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)充電，峰值時(shí)供電便可減少周期性負(fù)荷對電網(wǎng)的壓力進(jìn)而降低對電網(wǎng)設(shè)備增容的需求，直接作用于電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)避免夏季電網(wǎng)設(shè)備長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，降低設(shè)備故障率，延長設(shè)備壽命，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

5　減少用戶電費(fèi)支出

由于電能是一種生產(chǎn)與消費(fèi)同時(shí)進(jìn)行的產(chǎn)品，為了提升電力設(shè)備的利用率，降低社會對發(fā)電及電網(wǎng)設(shè)備最大容量的要求，很多城市實(shí)行峰谷電價(jià)制度。以上海居民電價(jià)為例，高峰時(shí)段最高為每度0.977元，低谷時(shí)段為0.487元，每度電有0.49元的差價(jià)。

分布式發(fā)電離不開儲能設(shè)備。以家庭的太陽能發(fā)電為例，政策鼓勵(lì)方向，一般會有補(bǔ)貼。根據(jù)2013年7月的《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，目前光伏發(fā)電每度電有0.42元國家補(bǔ)貼。此外，各地還有地方補(bǔ)貼，上海市是每度電0.40元，兩者相加就是0.82元。假設(shè)投資4萬元，在屋頂裝了5kW的太陽能板，平均一天可以發(fā)電15kW·h，每日可領(lǐng)取補(bǔ)貼12.30元，一年則有4000余元。

6　家用儲能電池技術(shù)

家用儲能電池技術(shù)是一種用于家庭用戶側(cè)的微型電化學(xué)電能存儲單元，近年來技術(shù)發(fā)展迅速。以Tesla生產(chǎn)的Powerwall家用儲能電池為例，該設(shè)備儲能容量為7kW·h，將白天儲存的太陽能在夜間進(jìn)行供電，且足以支持整夜的家用電能需求。對于用電負(fù)荷需求大的用戶，可以配置組合型Powerwall，其儲能容量為10kW·h，圖3為家用儲能設(shè)備示意圖。

圖3　家用儲能設(shè)備示意圖

（太陽能板：白天將太陽能轉(zhuǎn)化為日常用電并對儲能設(shè)備進(jìn)行充電。

家用儲能設(shè)備：儲能電池從光伏板或電網(wǎng)汲取電能進(jìn)行充電。

逆變器：逆變器將光伏、儲能電池供應(yīng)的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為家用電器進(jìn)行供電。

電控面板：從逆變器轉(zhuǎn)化的交流電將被傳輸?shù)诫娍孛姘?。在沒有光照的情況下，用戶從電網(wǎng)汲取電能通過電控面板上送到逆變器，轉(zhuǎn)化為直流電并對儲能電池進(jìn)行充電。

備用面板及開關(guān)：備用面板中所配備的自動開關(guān)，在電網(wǎng)故障停電時(shí)自動啟用備用面板。在用戶在遭遇電網(wǎng)故障停電時(shí)，備用面板可讓光伏DG持續(xù)產(chǎn)能來提高供電可靠性。

正常居民夜間用電(在不使用大功率洗衣機(jī)、空調(diào)等設(shè)備情況下)約為3 kW·h～5kW·h。而Powerwall儲備的7kW·h足以支持其在整晚的電力需求，如表1所示。

Powerwall目前共有儲存10 kW·h和儲存7 kW·h等兩種規(guī)格的產(chǎn)品，儲存10 kW·h的Powerwall Home Battery主要用于作應(yīng)急電源使用，而可以儲存7 kW·h的Powerwall Home Battery主要供家庭日常生活使用，如表2所示。

這套儲能裝置體積不大，可以像熱水器一樣掛在墻上，通過拼接能擴(kuò)大容量，最大容量分別可達(dá)到63 kW·h電和90 kW·h電，持續(xù)供電輸出能力為2kW，峰值電量3kW，充放電能效92%。如果這套儲能設(shè)備運(yùn)行于目前上海市區(qū)，并實(shí)現(xiàn)低谷充電高峰放電，那么每用10 kW·h電可節(jié)省4.9元電費(fèi)，連續(xù)用上13年便可回收成本乃至甚至盈利。

特斯拉還提供了一套工業(yè)版電源系統(tǒng)Powerpack，可以儲存100 kW·h，并可以進(jìn)步擴(kuò)大為500 kW·h電乃至1×104kW·h。這些電池系統(tǒng)利用和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)連接的雙向逆變器，可實(shí)現(xiàn)2h或4h連續(xù)放電。

表1　電器平均耗電量

表2　POWERWALL參數(shù)表

相對居民用Powerwall，Powerpack更傾向于公用事業(yè)，是一套完整的能源管理解決方案。整個(gè)系統(tǒng)高度集成，設(shè)計(jì)使用壽命長，應(yīng)用范圍廣泛，可調(diào)節(jié)峰谷用電量，控制輸配電延時(shí)，提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，并可參與電網(wǎng)服務(wù)。目前美國加州的沃爾瑪超市已經(jīng)在試用。這套系統(tǒng)能夠降低企業(yè)在高峰時(shí)段的用電支出、改善電力負(fù)荷曲線，并可兼容現(xiàn)有電網(wǎng)。

7　結(jié)語

儲能技術(shù)領(lǐng)域有可能在未來十年內(nèi)發(fā)生革命性技術(shù)突破，新能源的發(fā)展有賴于儲能技術(shù)的支撐；提升電網(wǎng)供電能力和電網(wǎng)設(shè)備利用率的重要手段是運(yùn)用儲能技術(shù)，在電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中應(yīng)超前考慮到儲能裝備的大量使用，在儲能裝備的應(yīng)用中應(yīng)注重不同儲能技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用。

家用儲能技術(shù)對于居民用電具有良好的經(jīng)濟(jì)效益前景，必將成為應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最迅速、綠色、經(jīng)濟(jì)的家庭實(shí)用用電技術(shù)，在今后配網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)考慮到適應(yīng)家用儲能技術(shù)的應(yīng)用。

[1]https://www.teslamotors.com/powerwall.

[2]中國電網(wǎng)儲能技術(shù)發(fā)展前景巨大.電纜網(wǎng),2014,11,8.