蓄能技术在电网灵活性改造中的应用
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提高新能源消纳能力， 挖掘火电机组调峰潜力， 提升中国火电运行灵活性， 势在必行。 受常规火电机 组低负荷稳定燃烧、 干湿态转换等问题和供热机组 “以热定电” 运行方式等因素的影响， 电网削峰填谷的 难度加大。 图 2 为国内外热电联产和纯凝机组调峰能 力的对比情况。 从图 2 中可以看出， 国内火电机组深 度调峰能力不足， 与国外机组存在较大差距。
发电
充电 放电 交流/直流变换器
正极 单元
负极
负荷
V5+/V4+ 电解液存
储罐
eV5+
eV2+
V4+
V3+
H+
V2+/V3+ 电解液存
储罐
充电 放电
与电解质之间形成的界面双电层来存储能量， 双电层 电容器通过使电解质溶液发生电化学极化来实现储能。 当电极与电解液接触时， 由于原子作用力、 分子作用 力和库仑力等作用， 在固液界面出现两层符号相反的 稳定电荷， 即为界面双电层； 法拉第准电容是在双电 层电容器基础上发展的， 简称“准电容”。 在电极表面 或体相中的二维或准二维空间上， 电活性物质发生欠 电位沉积， 引起高度的化学吸脱附或氧化还原反应， 从而产生与电极充电电位有关的电容。 法拉第准电容 储存的电荷既包括双电层上存储的电荷， 也包括在电 极活性物质中电解液离子由于氧化还原反应储存在电 极中的电荷。
0 引言
为了满足可再生能源快速发展的需要， 提高可再生 能源的消纳能力， 提升电网的灵活性成为国家“十三 五” 规划纲要中确定的重点工作之一。 蓄能技术是可通 过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利 用的技术， 它的出现有利于实现供电侧的灵活性改造。
1 技术背景
近年来， 中国风电、 光伏、 水电等新能源电力装 机容量持续快速增长， 新能源在为人们提供大量清洁 电力的同时， 也给电网的安全运行和电力供应保障带 来了巨大挑战— ——部分地区出现了较为严重的弃风、 弃 光和弃水问题。 2017 年， 中国弃风量为 4.19×1010 kW·h， 弃风率为 12%； 弃光量为 7.3×109 kW·h， 弃光率为 6%。 2017 年前三季度三北地区各省所占的份额如图 1 所示。 从图 1 中可以看出， 甘肃和新疆的弃光、 弃风 现象比较严重， 东北三省和内蒙古则存在明显的弃风 现象。
恢复
恢复
恢复
可在线再生
成本 （当前）1 500（当前）3 000（当前）3 500 （当前）4 000
/[元·(kW·h)-1] （未来）1 100（未来）2 000（未来）1 500 （未来）2 000
安全性
好
中
差
好
系统备用 系统调频、 电动汽车、
目前应用领域
大规模储能
电源
调峰 移动式储能
优势
技术成熟、 能量密度高、 能量密度高、 充放电次数多、 价格最低 占地面积小 效率高 使用寿命长
隔板
电解质溶液
电极 隔膜
泵
泵
图 6 化学蓄能工作原理
表 1 对化学储能电池的性能进行了比较， 从表 1 中可以看出， 各种类型的电池均有各自的优缺点。 考 虑到服役寿命和功率上限， 全钒液流电池是一种比较 好的选择。
表 1 蓄电池的种类和优缺点对比表
电池类型
铅酸
钠硫
锂离子
全钒液流
功率上限 比容量
/(mA·h·g-1) 循环寿命/次
十兆瓦级 十兆瓦级 兆瓦级
35～50
100～150 150～200
500～1 500 2 500～4 500 1 000～5 000
百兆瓦级 25～40 ＞10 000
服役寿命/a
1～2
10～15
70
＞15
充放电效率/% 50～75
65～80
90～95
65～80
容量
衰减后不可 衰减后不可 衰减后不可
正极
负极
图 7 超级电容器工作原理示意图
作为一种具备快速功率响应能力的电能存储技术， 超导磁储能系统可以在提高电力安全、 改善供电品质、 增强新能源发电的可控性中发挥重要作用。
劣势
能量密度 运行条件苛
低、不能深 度放电、报
刻、寿命受深 安全性差、生 能量密度低、占
废电池处理 度充放电 产成本高
地面积大
难度大
影响
2.3 电磁蓄能 电磁蓄能是电力储能技术的一种， 电ห้องสมุดไป่ตู้蓄能主要
包括超级电容器蓄能、 超导蓄能。 电容器蓄能超级电容器又被称为电化学电容器，
是 20 世纪发展起来的一种新型储能元件。 图 7 为超级 电容器工作原理示意图， 按储能原理可分为双电层电 容器和法拉第准电容器。 双电层储能原理是利用电极
XING Sen1, GENG Tiantian2, LI Xin3
(1. Hebei Dingzhou Middle School，Dingzhou 073000, Hebei, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, Hebei, China; 3. Power Science Research Institute of State Grid Hebei Electric
·40·
2019 年 1 月
蓄热式电锅炉应用广泛， 其工作过程如图 4 所示。 储热 供热技术采用“储水罐系统” 调峰， 扩大热电联产的运 行负荷变化范围， 机组在用电负荷高、 供暖负荷低的 白天进行热水储能， 夜间用电负荷低、 供热负荷高时， 由储能系统补充供热调峰， 在保证供热能力满足要求 的基础上提高机组运行的灵活度， 使热电联产机组参 与调峰成为可能。
收稿日期： 2018-10-16 第一作者简介： 邢 森， 2002年生， 男， 河北定州人， 主要研究方 向为节能及新能源技术。
损失效率/%
40
35
弃风率
弃光率
30
25
20
15
10
5
0 甘肃 新疆 青海 宁夏内蒙古河北 辽宁 黑龙江 吉林
图 1 2017 前三季度三北地区弃风弃光统计
煤电组调峰能力/%
80
中国
丹麦
70
德国
60
50
40
30
20
10
0 热电联产
纯凝
图 2 国内外煤电机组调峰能力对比
为了解决调峰电源建设条件差、 冬季供暖期调峰困 难的问题， 有效平衡弃光、 弃风现象与冬季供暖之间的 矛盾， 国家出台了一系列政策， 将综合调节能力作为一
·39·
2019 年第 1 期
个发展目标， 将系统调峰能力建设作为重点任务之一。 国家能源局分别制定了 《电力发展“十三五” 规划》 和 《风电发展“十三五” 规划》， 规划指出： 到 2020 年， 中 国风电装机容量将达到 2.1×108 kW 以上， “十三五” 增加至 8.100×107 kW 以上； 太阳能发电装机将达到 1.1×108 kW 以上，“十三五” 增加至 6.700×107 kW 以 上。 2020 年以后， 风电和光伏装机容量将进一步增加[1]。
物理蓄能主要包括储热蓄能、 抽水蓄能、 压缩空 气蓄能和飞轮蓄能等。 储热蓄能一次性投资费用比较 少， 适用于较小功率的电网灵活性改造。 本文对储热 蓄能技术进行详细介绍。
储热蓄能技术一般是将低谷时的电能转化为热能。 电热锅炉供热技术在参与实际调峰需求的同时， 将机 组多余电能转化为热能并部分或全部储存起来， 然后 根据供热要求适时释放这些热量[4]。 电热锅炉是锅炉结 构中最简单的一种， 事实上它是一个具有电加热元件 的容器。 它的用途与燃煤锅炉、 燃油锅炉、 燃气锅炉 是一样的， 但电热锅炉不排放任何烟尘和有害气体， 因此， 它是所有锅炉中最洁净的[5]。 电热锅炉的工作原 理就是将电能转化为热能， 使水加热产生热水或蒸汽 （饱和蒸汽） 的一种设备， 其能量转换是由锅壳内的大 功率电加热元件通电后完成的。 在电网灵活性改造中，
风能
太阳能
2.1
2.0
风电装机容量/108 kW
1.5 1.28 1.1
1.0
0.5
0.416
0.295 6
0.0 0.013 0.001 2005
图 3 中国风能
0.026
2010
2015
年份
2020
太阳能发展“十三五”规划装机容量
2 技术路线
蓄能技术是转移高峰电力、 开发低谷用电、 优化 资源配置、 保护生态环境的一项重要技术措施[2]。 蓄能 技术方式有物理蓄能、 化学蓄能、 电磁能蓄能多种[3]， 以 下对多种蓄能技术进行简要介绍及比较。 2.1 物理蓄能
2019 年第 1 期 （总第 160 期）
2019 年 1 月
能源研究
蓄能技术在电网灵活性改造中的应用
邢 森 1， 耿甜甜 2， 李 欣 3
（1. 河北定州中学， 河北 定州 073000； 2. 河北科技大学机械工程学院， 河北 石家庄 050018； 3. 国网河北省电力公司电力科学研究院， 河北 石家庄 050021）
Power Company, Shijiazhuang 050021, Hebei，China)
Abstract: This paper briefly summarized the technical background and technical route of energy storage technology in the flexibility transformation of power grid in order to provide theoretical support for the future flexibility transformation. Key words: energy storage technology; flexibility transformation; technology roadmap; consumptive ability to new energy
摘 要： 对蓄能技术在电网灵活性改造中的技术背景和技术路线进行了简要概述， 以期为将来的灵活性改造提供理论
支持。
关键词： 蓄能技术； 灵活性改造； 技术路线； 新能源消纳能力
中图分类号： TK02
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2019)01-0039-03
Application of Energy Storage Technology in the Flexibility Transformation for Power Network
热用户
供热水泵
蓄水槽
供热 网水
热网 回水
蓄热水泵
图 5 单罐式储热系统
2.2 化学蓄能 化学蓄能主要包括铅酸电池[1]、 液流电池[6]、 锂离
子电池和钠硫电池[7]等， 它们主要是利用储能相接触时
2019 年第 1 期
邢 森，等：蓄能技术在电网灵活性改造中的应用
2019 年 1 月
发生的化学反应， 通过热能与化学能的转换把能量储 存起来， 其工作原理如图 6 所示。 机组在用电负荷低 的夜晚进行化学储能， 在白天用电负荷高的时候将化 学能转化为电能。 在灵活性改造技术中， 根据化学蓄 能的一项技术是电池储能系统， 它主要是利用电池系 统的充、 放电功能实现储能调峰。
热网供水管
热源
蓄热器
电动调节阀
热用户
热网循环泵
热网回水管
图 4 储热供热技术
除了直接电加热系统外， 还可以采用蒸汽或热水 提供热源。 图 5 给出了一种利用外部热源的单罐式储 热系统。 如图 5 所示， 储热系统将热介质存储在储罐 的上方， 冷介质在储罐的下部， 依靠密度差， 热介质 始终保持在上部， 冷介质始终保持在下部， 中间形成 一段温度梯度层— ——斜温层。 该系统工作模式为两部 分， 第一部分为储热模式， 即单罐底部储热冷水经储 热水泵进入热网加热器， 与机组抽汽换热升温至设计 温度， 从热网加热器流出进入储热罐顶部， 通过布水 器均匀地流入储罐上液面， 斜温层在上部重力的作用 下缓慢下移， 底部冷水通过底部集水器缓慢流出， 当 出水冷水温度达到一定设计偏差时， 停止储热； 第二 部分为放热模式， 即水泵启动， 斜温层在底部推力的 作用下缓慢上移， 热水自储罐上部排出进入供热管网 供热， 换热后温度降低的热网回水从储罐下方通过单 罐底部的集水器返回储罐， 当出水热水温度达到一定 设计偏差时， 停止放热。
中国风能、 太阳能发展“十三五” 规划装机容量 如图 3 所示。 从图 3 中可以看出， 近年来， 风能和太阳 能发展迅速， 而火电装机的发展速度也在加快， 如何 消纳新能源成为新难题。 本文简要分析了蓄能技术应 用于电网灵活性改造技术路线中的情况， 试图在参与 深度调峰的情形下提高电网的稳定性。
2.5
发电
充电 放电 交流/直流变换器
正极 单元
负极
负荷
V5+/V4+ 电解液存
储罐
eV5+
eV2+
V4+
V3+
H+
V2+/V3+ 电解液存
储罐
充电 放电
与电解质之间形成的界面双电层来存储能量， 双电层 电容器通过使电解质溶液发生电化学极化来实现储能。 当电极与电解液接触时， 由于原子作用力、 分子作用 力和库仑力等作用， 在固液界面出现两层符号相反的 稳定电荷， 即为界面双电层； 法拉第准电容是在双电 层电容器基础上发展的， 简称“准电容”。 在电极表面 或体相中的二维或准二维空间上， 电活性物质发生欠 电位沉积， 引起高度的化学吸脱附或氧化还原反应， 从而产生与电极充电电位有关的电容。 法拉第准电容 储存的电荷既包括双电层上存储的电荷， 也包括在电 极活性物质中电解液离子由于氧化还原反应储存在电 极中的电荷。
0 引言
为了满足可再生能源快速发展的需要， 提高可再生 能源的消纳能力， 提升电网的灵活性成为国家“十三 五” 规划纲要中确定的重点工作之一。 蓄能技术是可通 过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利 用的技术， 它的出现有利于实现供电侧的灵活性改造。
1 技术背景
近年来， 中国风电、 光伏、 水电等新能源电力装 机容量持续快速增长， 新能源在为人们提供大量清洁 电力的同时， 也给电网的安全运行和电力供应保障带 来了巨大挑战— ——部分地区出现了较为严重的弃风、 弃 光和弃水问题。 2017 年， 中国弃风量为 4.19×1010 kW·h， 弃风率为 12%； 弃光量为 7.3×109 kW·h， 弃光率为 6%。 2017 年前三季度三北地区各省所占的份额如图 1 所示。 从图 1 中可以看出， 甘肃和新疆的弃光、 弃风 现象比较严重， 东北三省和内蒙古则存在明显的弃风 现象。
恢复
恢复
恢复
可在线再生
成本 （当前）1 500（当前）3 000（当前）3 500 （当前）4 000
/[元·(kW·h)-1] （未来）1 100（未来）2 000（未来）1 500 （未来）2 000
安全性
好
中
差
好
系统备用 系统调频、 电动汽车、
目前应用领域
大规模储能
电源
调峰 移动式储能
优势
技术成熟、 能量密度高、 能量密度高、 充放电次数多、 价格最低 占地面积小 效率高 使用寿命长
隔板
电解质溶液
电极 隔膜
泵
泵
图 6 化学蓄能工作原理
表 1 对化学储能电池的性能进行了比较， 从表 1 中可以看出， 各种类型的电池均有各自的优缺点。 考 虑到服役寿命和功率上限， 全钒液流电池是一种比较 好的选择。
表 1 蓄电池的种类和优缺点对比表
电池类型
铅酸
钠硫
锂离子
全钒液流
功率上限 比容量
/(mA·h·g-1) 循环寿命/次
十兆瓦级 十兆瓦级 兆瓦级
35～50
100～150 150～200
500～1 500 2 500～4 500 1 000～5 000
百兆瓦级 25～40 ＞10 000
服役寿命/a
1～2
10～15
70
＞15
充放电效率/% 50～75
65～80
90～95
65～80
容量
衰减后不可 衰减后不可 衰减后不可
正极
负极
图 7 超级电容器工作原理示意图
作为一种具备快速功率响应能力的电能存储技术， 超导磁储能系统可以在提高电力安全、 改善供电品质、 增强新能源发电的可控性中发挥重要作用。
劣势
能量密度 运行条件苛
低、不能深 度放电、报
刻、寿命受深 安全性差、生 能量密度低、占
废电池处理 度充放电 产成本高
地面积大
难度大
影响
2.3 电磁蓄能 电磁蓄能是电力储能技术的一种， 电ห้องสมุดไป่ตู้蓄能主要
包括超级电容器蓄能、 超导蓄能。 电容器蓄能超级电容器又被称为电化学电容器，
是 20 世纪发展起来的一种新型储能元件。 图 7 为超级 电容器工作原理示意图， 按储能原理可分为双电层电 容器和法拉第准电容器。 双电层储能原理是利用电极
XING Sen1, GENG Tiantian2, LI Xin3
(1. Hebei Dingzhou Middle School，Dingzhou 073000, Hebei, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, Hebei, China; 3. Power Science Research Institute of State Grid Hebei Electric
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2019 年 1 月
蓄热式电锅炉应用广泛， 其工作过程如图 4 所示。 储热 供热技术采用“储水罐系统” 调峰， 扩大热电联产的运 行负荷变化范围， 机组在用电负荷高、 供暖负荷低的 白天进行热水储能， 夜间用电负荷低、 供热负荷高时， 由储能系统补充供热调峰， 在保证供热能力满足要求 的基础上提高机组运行的灵活度， 使热电联产机组参 与调峰成为可能。
收稿日期： 2018-10-16 第一作者简介： 邢 森， 2002年生， 男， 河北定州人， 主要研究方 向为节能及新能源技术。
损失效率/%
40
35
弃风率
弃光率
30
25
20
15
10
5
0 甘肃 新疆 青海 宁夏内蒙古河北 辽宁 黑龙江 吉林
图 1 2017 前三季度三北地区弃风弃光统计
煤电组调峰能力/%
80
中国
丹麦
70
德国
60
50
40
30
20
10
0 热电联产
纯凝
图 2 国内外煤电机组调峰能力对比
为了解决调峰电源建设条件差、 冬季供暖期调峰困 难的问题， 有效平衡弃光、 弃风现象与冬季供暖之间的 矛盾， 国家出台了一系列政策， 将综合调节能力作为一
·39·
2019 年第 1 期
个发展目标， 将系统调峰能力建设作为重点任务之一。 国家能源局分别制定了 《电力发展“十三五” 规划》 和 《风电发展“十三五” 规划》， 规划指出： 到 2020 年， 中 国风电装机容量将达到 2.1×108 kW 以上， “十三五” 增加至 8.100×107 kW 以上； 太阳能发电装机将达到 1.1×108 kW 以上，“十三五” 增加至 6.700×107 kW 以 上。 2020 年以后， 风电和光伏装机容量将进一步增加[1]。
物理蓄能主要包括储热蓄能、 抽水蓄能、 压缩空 气蓄能和飞轮蓄能等。 储热蓄能一次性投资费用比较 少， 适用于较小功率的电网灵活性改造。 本文对储热 蓄能技术进行详细介绍。
储热蓄能技术一般是将低谷时的电能转化为热能。 电热锅炉供热技术在参与实际调峰需求的同时， 将机 组多余电能转化为热能并部分或全部储存起来， 然后 根据供热要求适时释放这些热量[4]。 电热锅炉是锅炉结 构中最简单的一种， 事实上它是一个具有电加热元件 的容器。 它的用途与燃煤锅炉、 燃油锅炉、 燃气锅炉 是一样的， 但电热锅炉不排放任何烟尘和有害气体， 因此， 它是所有锅炉中最洁净的[5]。 电热锅炉的工作原 理就是将电能转化为热能， 使水加热产生热水或蒸汽 （饱和蒸汽） 的一种设备， 其能量转换是由锅壳内的大 功率电加热元件通电后完成的。 在电网灵活性改造中，
风能
太阳能
2.1
2.0
风电装机容量/108 kW
1.5 1.28 1.1
1.0
0.5
0.416
0.295 6
0.0 0.013 0.001 2005
图 3 中国风能
0.026
2010
2015
年份
2020
太阳能发展“十三五”规划装机容量
2 技术路线
蓄能技术是转移高峰电力、 开发低谷用电、 优化 资源配置、 保护生态环境的一项重要技术措施[2]。 蓄能 技术方式有物理蓄能、 化学蓄能、 电磁能蓄能多种[3]， 以 下对多种蓄能技术进行简要介绍及比较。 2.1 物理蓄能
2019 年第 1 期 （总第 160 期）
2019 年 1 月
能源研究
蓄能技术在电网灵活性改造中的应用
邢 森 1， 耿甜甜 2， 李 欣 3
（1. 河北定州中学， 河北 定州 073000； 2. 河北科技大学机械工程学院， 河北 石家庄 050018； 3. 国网河北省电力公司电力科学研究院， 河北 石家庄 050021）
Power Company, Shijiazhuang 050021, Hebei，China)
Abstract: This paper briefly summarized the technical background and technical route of energy storage technology in the flexibility transformation of power grid in order to provide theoretical support for the future flexibility transformation. Key words: energy storage technology; flexibility transformation; technology roadmap; consumptive ability to new energy
摘 要： 对蓄能技术在电网灵活性改造中的技术背景和技术路线进行了简要概述， 以期为将来的灵活性改造提供理论
支持。
关键词： 蓄能技术； 灵活性改造； 技术路线； 新能源消纳能力
中图分类号： TK02
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2019)01-0039-03
Application of Energy Storage Technology in the Flexibility Transformation for Power Network
热用户
供热水泵
蓄水槽
供热 网水
热网 回水
蓄热水泵
图 5 单罐式储热系统
2.2 化学蓄能 化学蓄能主要包括铅酸电池[1]、 液流电池[6]、 锂离
子电池和钠硫电池[7]等， 它们主要是利用储能相接触时
2019 年第 1 期
邢 森，等：蓄能技术在电网灵活性改造中的应用
2019 年 1 月
发生的化学反应， 通过热能与化学能的转换把能量储 存起来， 其工作原理如图 6 所示。 机组在用电负荷低 的夜晚进行化学储能， 在白天用电负荷高的时候将化 学能转化为电能。 在灵活性改造技术中， 根据化学蓄 能的一项技术是电池储能系统， 它主要是利用电池系 统的充、 放电功能实现储能调峰。
热网供水管
热源
蓄热器
电动调节阀
热用户
热网循环泵
热网回水管
图 4 储热供热技术
除了直接电加热系统外， 还可以采用蒸汽或热水 提供热源。 图 5 给出了一种利用外部热源的单罐式储 热系统。 如图 5 所示， 储热系统将热介质存储在储罐 的上方， 冷介质在储罐的下部， 依靠密度差， 热介质 始终保持在上部， 冷介质始终保持在下部， 中间形成 一段温度梯度层— ——斜温层。 该系统工作模式为两部 分， 第一部分为储热模式， 即单罐底部储热冷水经储 热水泵进入热网加热器， 与机组抽汽换热升温至设计 温度， 从热网加热器流出进入储热罐顶部， 通过布水 器均匀地流入储罐上液面， 斜温层在上部重力的作用 下缓慢下移， 底部冷水通过底部集水器缓慢流出， 当 出水冷水温度达到一定设计偏差时， 停止储热； 第二 部分为放热模式， 即水泵启动， 斜温层在底部推力的 作用下缓慢上移， 热水自储罐上部排出进入供热管网 供热， 换热后温度降低的热网回水从储罐下方通过单 罐底部的集水器返回储罐， 当出水热水温度达到一定 设计偏差时， 停止放热。
中国风能、 太阳能发展“十三五” 规划装机容量 如图 3 所示。 从图 3 中可以看出， 近年来， 风能和太阳 能发展迅速， 而火电装机的发展速度也在加快， 如何 消纳新能源成为新难题。 本文简要分析了蓄能技术应 用于电网灵活性改造技术路线中的情况， 试图在参与 深度调峰的情形下提高电网的稳定性。
2.5