新型储能技术进展与挑战Ⅱ:物理储能与储热技术

新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作,分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成与规划3个部分,对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析,并进一步探讨了储能集成、安全、规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第2部分为物理储能与储热技术,重点对物理储能与储热技术中的压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、相变储热、热化学储热和卡诺电池技术与工程的相关成果进行了综合分析与讨论。总体而言,物理储能和储热技术大多具有使用寿命长、安全性高的特点,且在能量转化过程中自身多具有转动惯量,属于电网支撑型的储能技术,可满足从大规模长时储能到高功率快速响应的不同需求。在新兴的物理储能和储热技术中,重力储能和卡诺电池的相关技术显示出良好的发展前景。

储能技术研究进展及经济性分析

随着电力系统对能源调节能力的需求提升、新能源开发消纳规模不断加大则对储能的需求日益增长,而储能技术对于平衡能源供需、提高电力系统灵活性以及增强能源安全性均具有重要意义。概述储能技术的研究现状,对电化学储能、热储能、机械储能、电容式储能等常见储能技术的应用现状进行分析,总结不同储能的特性、应用场景及经济性效果,从度电成本经济性角度分析各个储能技术与经济结合的优势,并分析储能技术的发展方向、应用领域和发展趋势。目前储能技术的发展方向主要包括储能新材料、新技术以及新装备攻关,在储能新技术发展的同时也应关注其经济性和可行性。随着储能技术的成功应用和应用场景的不断扩大,未来的储能系统将呈现广域性、多元性的特点,加强各储能装置的耦合显得迫切而必要。未来储能在技术、经济性及发展方向呈现3个趋势:精准划分储能类型和合理规划多元储能系统,以实现新能源的高渗透、精确规划和配置多元储能装置;侧重开发多元储能与其他电源的协同运行与调度技术,尤其多元储能的协同运行能够在平衡与保供基础上发挥储能的安全稳定维护作用,其中长时间、跨季节、大容量、低成本的储能技术是实现电网安全稳定的关键;保障储能系统价值实现与政策机制,需研究建立促进储能可持续发展的系统价值形成机制和政策机制,构建促进储能参与平衡调节的中长期电力市场、现货市场和辅助服务市场机制。

新型储能技术进展与挑战Ⅲ:储能集成技术、安全技术和系统规划调度

新型储能日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能。与之相应,新型储能技术的相关研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作,共分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成技术、安全技术和系统规划调度3个部分,对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析,并进一步探讨了储能集成技术、安全技术、系统规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第3部分为新型储能技术进展与挑战,重点对储能集成技术、安全技术和系统规划调度中的高压级联技术、构网型储能技术、数智化和数字孪生技术、分布式温度监测技术、浸没式液冷技术、高效的优化算法等技术进展进行综合分析与讨论。

用户侧重力-蓄电池混合储能系统配置优化与效益分析

现有的用户侧储能以蓄电池储能为主,手段较为单一,回收不当对环境也会造成危害;同时用电高峰期峰谷差较大,这既提升了用户用电成本,也给电网的稳定运行带来了挑战。针对此问题,建立了重力储能的充放电模型,并在此基础上提出一种应用蓄电池与重力储能相结合的混合储能模型。首先以功率、容量和寿命等变量为条件对该模型进行了适当的约束。下一步以用户综合收益最高为目标函数利用量子粒子群优化算法对模型进行配置寻优。然后得出了混合储能最优的功率、容量配置。在MATLAB 2021b软件环境下,使用江苏省南京市用户侧智能电能表实际负荷数据算例进行分析,最后可以得出混合储能系统及其优化方案可以减小用户侧用电峰谷差,并且使用户侧用电成本有所降低的结论,验证了其合理性与经济性。

储能技术在新能源电力系统中的应用研究

由于近些年社会发展速度不断加快,在一定程度上也推动了新能源技术的发展进程。因为该技术在使用过程中有着很多的优势,所以也受到了社会各界的广泛关注以及运用。尤其是对于电力行业的发展而言,通过科学合理的运用储能技术能够更好地实现新能源的稳定利用,有助于提升电网稳定性,不但能够使新能源发电更加符合当前社会发展要求,同时也可以进一步提升对能源的利用率,尽可能减小污染问题的产生,保障生态环境与电力产业实现协调稳定的发展。基于此,文章分析了储能技术对新能源系统发展的重要性,研究了新能源电力系统中常用的储能技术,并重点探讨了储能技术在新能源系统中的应用。

基于斜坡和山体的重力储能技术研究进展

大力发展可再生能源并实现清洁能源变革,是实现碳达峰碳中和的重要途径,电网对各种储能技术的需求日益增长,而规模化储能技术是有效解决可再生能源并网问题的重要技术途径。抽水储能是标杆性的物理储能技术,技术成熟、应用广泛且装机容量最大,是规模化物理(重力)储能技术的典范;重力储能是最近引发广泛关注的新型物理储能技术,按照应用场景的不同分为多种技术类型。本文首先介绍了依托山体、倾斜矿井的斜坡重力储能的原理和结构,并根据应用场景和技术特点进行了分类阐述,包括依托山体斜坡的抽水储能、轨道式重力储能和缆索式重力储能等技术类型;然后回顾了不同类别依托斜坡重力储能技术的研究进展和应用情况,并阐述了每种技术类型的优势和不足;据此提出一种更为优化的斜坡重力储能技术——斜坡缆-轨式重力储能技术,不仅融合了斜坡轨道式重力储能与斜坡悬架缆车式重力储能的优点,且避免了两者的缺点;最后概述了当前斜坡重力储能技术存在的关键问题,并就其发展与推广应用进行了展望。

中国石油新型储能技术进展与前景展望

全球能源领域正在发生巨大变革,传统国际油公司纷纷布局新能源,向绿色低碳方向转型。储能具有能量存储与灵活调度等功能,在油气田风光发电的电源侧、电力输送的电网侧以及油气行业上中下游的用户侧存在众多应用场景,将发挥重要作用。文章研究梳理了储能行业发展态势及各类先进储能技术的特点与成熟度,探讨了油气行业所需的低成本、高安全、耐宽温、大容量等先进储能技术类型,提出了当前在技术成本、容量和规模、循环寿命和可靠性、地理限制和环境影响、法规和政策支持等方面面临的挑战。在对国际油气与能源公司的储能布局调研分析的基础上,按小规模(<1MW/1MW·h)、中等规模(1MW/1MW·h~100MW/100MW·h)、大规模(>100MW/100MW·h)对油气行业储能需求进行分类。“十三五”以来,中国石油储能在钛酸锂电池、水系锌离子电池、液流电池等电化学储能技术以及盐穴压缩空气、飞轮储能为主的物理储能技术等方面取得了系列创新成果。面对储能技术路线多样、迭代迅速和产业链长等特点,油气企业需依托自身需求与特色应用场景以推动储能业务发展。具体建议:发挥储能的纽带作用,加速油气行业与新能源融合发展;发展符合油气行业需求的特色储能技术,快速形成标准体系;加强跨学科人才培养力度,培养适应油气行业储能技术发展的工程技术人才;发挥储能在未来综合能源系统中的核心作用,支撑油气企业向综合性能源公司转型。

功率型储能技术与应用综述

大规模可再生能源发电并网给电力系统安全稳定运行带来了新的挑战,储能技术是解决这一问题的重要手段。为了满足新型电力系统应用场景的多样化需求,储能技术呈现百花齐放、多元化发展新态势。其中,功率型储能技术具有功率密度高、响应速度快、循环寿命长等优势,在新型电力系统的电力调频、平滑新能源波动、负荷跟踪等领域应用具有重要的应用价值。剖析了电化学电容器、飞轮储能、超导磁储能等功率型储能的技术原理和性能特征,梳理了各类功率型储能技术未来发展规划,总结了功率型储能在新型电力系统的应用技术研究工作,同时列举了目前国内外功率型储能的工程示范应用典型案例。最后针对各类功率型储能未来在电力系统应用面临的挑战进行了分析,提出未来功率型储能技术未来发展方向,旨在为功率型储能技术研究和产业发展提供参考。

电化学储能技术研究现状

电化学储能技术可以优化电力系统配置,改善电力供应质量。阐述了铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、钠离子电池、液流电池、浓度差电池等电化学储能技术的发展现状并对各种电化学储能技术未来发展的趋势进行了展望,为电化学储能技术的发展提供参考。

“双高”电力系统集中式储能选址定容规划策略

为解决“双高”电网储能选址规划问题,提出包括结构性、运行性两项一级指标及功率波动泰尔熵等6项二级指标的集中式储能选址规划指标体系,建立以熵权法、TOPSIS法为单一评价及模糊Borda法为组合评价的指标体系组合评价模型,获得储能最优选址节点。然后提出基于变分模态分解的混合储能容量配置法,对储能控制功率进行模态分解,根据Hilbert边际谱区分高、低频模态并重构,将高、低频信号能量功率值分别分配给功率型及能量型储能。通过某地区算例结果验证了所提规划策略的有效性。

阶梯成本下考虑混合租建模式的云储能优化配置

为解决盲目投建云储能造成资源浪费、成本增加的问题,提出阶梯成本下“自建+租赁”混合模式的园区云储能优化配置方法。首先,分析云储能的特点,构建园区内有大量光伏用户参与的云储能服务模式。其次,建立不同时间尺度、双主体的双层优化模型,上层求解长时间尺度下云储能的规划问题,下层求解短时间尺度下用户群的运行问题。然后,通过KarushKuhn-Tucker(KKT)条件将双层模型转化为单层模型,再利用Big-M法对所得单层模型进行线性化处理。最后,在3个不同场景下进行算例分析,结果验证了所提云储能配置模型的有效性,在降低储能投资成本、提高储能资源利用率的同时可节省用户用电成本。

基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法

为提高其对于电网储能系统的控制效果,提出基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法。建立混合储能系统等效模型,分别设置蓄电池储能模型和超级电容器储能模型,获取储能等效函数,采用改进粒子群算法对储能模型进行求解,根据最优解得到电网混合储能控制方案,仿真实验结果表明,改进粒子群算法在光照增加、光照减弱、负载增加、负载减小工作条件下的响应时间分别为172 ms、141 ms、223 ms、219 ms,均小于对比算法,其电压过冲比例则为6%、5%、7%、7%,远小于其他储能控制方法,具有十分明显的优越性。

铁轨重力储能系统关键影响因素及其与风电场的耦合研究

大规模储能技术对于可再生能源的发展及电网稳定运行具有重要意义。铁轨重力储能(rail gravity energy storage,RGES)技术可灵活调度载重机车进行储/释能,有效解决风电场大幅度功率波动问题,在长时大规模储能应用技术中前景广阔。本文开展了RGES系统关键影响因素及其与风电场耦合调度的研究,基于MATLAB软件搭建了RGES系统模型及其与风电场的耦合系统模型,研究了储/释能过程中关键参数对RGES系统的影响规律,并且以减少风电场的弃风率为目的,选取了四个季节的典型日,详细研究了耦合系统的运行特性及RGES系统的配置方案。结果表明,储/释能功率随载重质量增加而增大,随匀速阶段的上/下坡速度增加而增大;储/释能效率及系统效率随载重质量的变化极小,随上/下坡速度增大而减小;RGES系统与风电场耦合运行时,可根据功率需求灵活配置各时段的载重车辆数及上/下坡速度进行储/释能,并可在四个季节典型日的用电高峰期分别实现22 MW、16 MW、27 MW、29 MW的恒定功率并网,且风电利用率平均增长17.1%。

平抑风电波动的电-氢混合储能容量优化配置

针对电-氢混合系统协同平抑接入新型电力系统的新能源波动问题,提出考虑碱性电解槽运行特性的电-氢混合储能容量优化配置方案。首先,基于经验模态分解,将原始风电功率信号分解为符合波动量限值的直接并网分量和混合储能功率任务;在综合考虑电化学储能和氢储能介质充放电功率约束和存储状态约束的基础上,制定计及碱性电解槽运行特性的混合储能能量管理策略。基于此策略,以综合成本最小为目标,建立用于平抑风电波动的电-氢混合储能容量配置模型,并通过实际数据进行计算分析。算例结果表明,所提策略下的容量配置方案,在满足平抑需求的前提下,可以有效提高系统经济性。

专利视角下储能技术发展态势分析

储能技术是实现“双碳”目标的关键性支撑技术。专利是保护技术创新成果的重要方式,可以客观反映技术研发和市场竞争情况。将储能技术分为机械储能、热储能与电化学储能3个二级技术分支和7个三级技术分支,重点从专利申请量、专利公开量、申请国家(地区)分布、申请人、专利技术构成及专利价值度等方面进行研究,并对全球主要国家的储能技术专利进行综合对比。结果表明,我国储能技术专利申请量跃居全球第一,是全球首要保护目标市场国。中国在机械储能领域、日本在电化学储能领域分别具有明显规模优势,中国与日本在热储能领域相比其他国家具有一定的比较优势,电化学储能是当前的研究重点和热点。虽然我国储能技术专利申请量多,但专利平均被引次数、专利有效率及平均专利价值度均不具有优势,专利质量和价值与美国相比还有差距。我国可以通过提高储能技术国际化战略思维,加大储能技术政策性帮扶支持力度,深化产学研协同合作,助力抢抓以电化学储能为重点、以机械储能与热储能为补充的专利战略高地,培育更多具有自主知识产权且具备核心竞争力的企业。

35 kV高压直挂大容量电池储能系统

为推动35 kV高压直挂电池储能系统(battery energy storage system,BESS)的实际应用,系统研究了35 kV高压直挂BESS的主电路参数设计、控制策略及相关控制参数的设计方法;并在MATLAB/Simulink中搭建了35 kV/10 MW/10 MWh系统的仿真模型,以验证所提设计方法及控制策略的正确性。研究结果表明:35 kV高压直挂BESS单机容量大,功率响应速度快,可对内部电池簇进行主动荷电状态均衡及故障冗余控制,系统效率和可靠性更高,能适应未来新能源大规模发展需求。

面向电力现货市场的独立储能经济性分析与容量补偿机制探索

新型储能技术的快速进步为提升电力系统灵活性提供了更多技术选择,也为构建竞争性灵活资源市场提供了条件。国外部分独立系统运营商为适应储能物理特性,在能量市场、辅助服务市场、容量市场、输电资产方面做了机制探索;国内一系列电力体制改革文件强调探索容量补偿机制以鼓励新型储能投资建设,但国家层面尚未出台针对新型储能的容量补偿政策。结合主流新型储能技术经济参数与国内典型地区现货市场价格曲线,测算了现货市场环境下各类新型储能经济性差异与未来趋势,并基于国内外容量补偿机制经验与研究成果,研究不同容量补偿机制情景下容量电价对提升新型储能经济性的作用。研究发现,以锂电池为代表的新型储能已开始显现相对于抽水蓄能的经济性,赋予新型储能独立市场地位,鼓励其参与电力现货市场,有助于降低新能源发电系统消纳成本。然而,目前新型储能参与电力现货市场仍面临阻碍,为此在容量补偿、现货与辅助服务市场建设等方面给出了政策建议。

计及能源自洽率和共享氢储能的电-氢-交通耦合配电网低碳经济运行

新型储能的多元化发展为能源资源的优化配置和就地高水平消纳奠定了基础,为此提出了一种计及能源自洽率和共享氢储能(shared hydrogenstorage,SHS)的能源网低碳经济调度方法。设计了包含电负荷-氢负荷的氢燃料电池车(hydrogen fuel cell vehicle,HFCV)交通网与新能源配电网双向耦合架构。在此基础上,以提高能源自洽率、降低碳排放成本为目标,综合考虑配电网、交通网、氢储能系统的运行约束条件以及短期氢储能(short-term hydrogenstorage,STHS)和SHS服务,建立了电-氢-交通耦合配电网的低碳经济优化调度模型,并给出了基于精英遗传算法(elitist strategy genetic algorithm,ESGA)的求解方法。算例分析证明,提出的方法可有效提升电-氢-交通耦合网络能源自洽率、降低整体系统碳排放成本。

新时代新型储能产业法律问题探究

新型储能技术作为提升供能系统调节能力、促进能源高效利用的措施,是发展能源建设不可或缺的部分。然而,现阶段储能项目法律的发展较为缓慢,在一定程度上制约了新能源行业的发展速度。为解决上述问题,针对新时代新型储能产业的法律问题展开研究。首先根据储能性质与新型储能的主要类型,完善对新型储能分类及发展现状的研究,然后针对能源安全问题进行深入探究,并提出相应的解决方法,分析发展新型储能产业的重要性,最后为促进新时代新型储能产业法律的发展,提出健全新型储能法律法规体系、规范新型储能产业制度两项具体建议。

面向新型电力系统的储能规划方法研究进展及展望

储能是新型电力系统非常重要的灵活性调节资源,在源网荷各端均可发挥重要的作用,在中国,储能的发展已经进入规模化发展期,如何合理、经济地利用好储能的关键是规划配置方法。在对储能规划方法研究现状的基础上,分析了储能投资运营主体多元化、应用场景和运行模式复杂化、储能技术多样化等新变化对储能规划方法的影响;提出了新能源聚集区考虑时空互补和共享机制的储能规划方法、电网侧充分市场竞争下的储能与输配电系统协同规划方法,以及用户侧电、热、氢多元储能合作/竞争共存下的规划方法。面向新型电力系统的储能规划,未来应注重电力系统不同发展阶段的整体协调性、储能投资运营主体多元化内生博弈机制的影响,以及规划方案在多目标多场景下的迁移学习方法。