胡雪峰1,2，楊卓3，譚向宇4，王達達4，趙現(xiàn)平4，高亞靜2，田雷5，趙盛萍1
1華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明
2華北電力大學，保定
3云南電網(wǎng)公司，昆明
4云南電網(wǎng)電力研究院，昆明
5昆明理工大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明
摘要：大規(guī)模儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設的關鍵一環(huán)，被稱為電力成產(chǎn)中發(fā)電、輸電、變電、配電和用電之外的“第六環(huán)節(jié)”。本文結(jié)合智能電網(wǎng)發(fā)展需求，簡要介紹了各種儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析了構(gòu)建大規(guī)模儲能系統(tǒng)的必要性及其發(fā)展趨勢，最后結(jié)合項目組調(diào)研情況，對當前儲能技術(shù)發(fā)展提出了建設性意見。
1.引言
目前，世界各國都在結(jié)合本國電網(wǎng)特點規(guī)劃建設智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的目標是通過全面改造現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，構(gòu)建成高效、自愈、經(jīng)濟、兼容、集成和安全的下一代電網(wǎng)。大規(guī)模儲能技術(shù)的應用是實現(xiàn)智能電網(wǎng)發(fā)展目標的關鍵因素，它通過在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式的基礎上增加儲能環(huán)節(jié)，在負荷低谷時將電能儲存起來，負荷高峰時將存儲的電能釋放回電網(wǎng)，將原來幾乎完全“剛性”的電力系統(tǒng)變得“柔性”起來[1]，從而實現(xiàn)智能電網(wǎng)各項設定目標，因此儲能技術(shù)也被稱為電力生產(chǎn)中發(fā)電、輸電、變電、配電和用電之外的“第六環(huán)節(jié)”[2]。大規(guī)模儲能技術(shù)在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應用前景，在削峰填谷、消納風能等可再生能源發(fā)電、平穩(wěn)電能輸出、改善電能質(zhì)量、應對突發(fā)狀況對系統(tǒng)沖擊等方面具有巨大潛力[3]。
2.各種儲能方式簡介
儲能方式分為機械儲能、電磁儲能和化學儲能，其中機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能；化學儲能主要是指電池儲能系統(tǒng)，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池等。
2.1.抽水蓄能
抽水蓄能電站配備上、下游兩個水庫，負荷低谷電能富余時，將下游水庫的水抽到上游水庫保存；負荷高峰電能缺口時，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。抽水蓄能是目前存儲大規(guī)模電力技術(shù)最成熟、成本效益最好的儲能技術(shù)，也是當前惟一廣泛采用的大規(guī)模能量存儲技術(shù)，世界總裝機容量已超過150,000MW；缺點是其受地理條件、轉(zhuǎn)化效率等方面的制約較大，響應時間是分鐘級，應對電網(wǎng)負荷波動能力較差。抽水蓄能電站能夠用于黑啟動、控制電網(wǎng)頻率、提供備用容量和提高火電站和核電站的運行效率等方面。
目前，我國已建成抽水蓄能電站20余座，不足全國總裝機容量的2%，低于一般工業(yè)化國家5%~10%的平均水平[4]。近期國家加快了相關技術(shù)研發(fā)的投入，在建裝機容量達到12,040MW，居世界第一，2020年我國抽水蓄能電站總裝機容量將達到約6000萬kW。我國單機最大的浙江仙居抽水蓄能電站于2010年12月開工建設，將安裝4臺單機37.5萬kW的機組，預計2016年建成，建成后可以為華東電網(wǎng)提供300萬kW調(diào)峰容量。2012年6月15日，國家863計劃課題“大規(guī)模風電與大容量抽水儲能在電網(wǎng)中的聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)”啟動，將會進一步促進抽水蓄能電站在國內(nèi)的發(fā)展。
2.2.壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能是利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，將空氣高壓密封在密封空間中，在需要電能時，釋放高壓空氣推動汽輪機發(fā)電。壓縮空氣儲能燃料消耗比調(diào)峰用燃氣輪機組可以減少1/3，所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%，安全系數(shù)高，使用壽命長[5,6]。壓縮空氣儲能只適用于大型系統(tǒng)，同時建造受地穴、礦井等特殊地形條件的限制[7]。
壓縮空氣儲能由于其儲能規(guī)模大、成本低，在全球范圍內(nèi)有很大的發(fā)展空間。目前美國正計劃在俄亥俄州建造世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站，總裝機容量達到2700MW。我國于2003年開始壓縮空氣儲能的研究，哈爾濱電力部門正在利用現(xiàn)有的地道作為貯氣室進行研究。華北電力大學等國內(nèi)高校正在進行壓縮空氣系統(tǒng)熱力性能計算及其經(jīng)濟分析的研究。
隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減少儲氣庫容積和提高儲氣壓力的需要，8~12MW微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為當前研究的熱點。
2.3.飛輪儲能
飛輪儲能的原理是將電能通過電動機轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能儲存起來，供電時，將飛輪的動能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部負載。飛輪儲能的主要優(yōu)點是高充放電率，高循環(huán)次數(shù)，響應速度快，無污染，維護簡單，壽命一般為20年；缺點是成本高、能量密度較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費用很高，儲能損耗較高，不適合用于能量的長期存儲[8]。
受益于電力電子技術(shù)、磁懸浮技術(shù)和高強度碳素纖維技術(shù)的進步，飛輪儲能技術(shù)近年來發(fā)展迅速。文獻[9-11]介紹，國際先進的飛輪儲能系統(tǒng)儲能效率已經(jīng)達到了99.4%，可儲能100kWh。2004年，巴西實現(xiàn)了利用超導與永磁懸浮軸承的飛輪儲能，用于電壓補償。2011年，世界最大的飛輪儲能系統(tǒng)完成安裝，容量20MW，采用了當前世界最先進的碳纖維復合飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)，吸收并釋放1MW的電能僅需15分鐘。
我國飛輪儲能研究起步較晚，目前還只是從事系統(tǒng)基礎研究及小容量試點。飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展正朝著大功率、高效率、低損耗和安全可靠的方向發(fā)展。
2.4.電池儲能
電池儲能系統(tǒng)是指以蓄電池為能量載體與電網(wǎng)進行電能交換的系統(tǒng)。具有充電/放電工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換迅速、設備維護工作量小、高度智能化等優(yōu)點，可配合新能源并網(wǎng)，可作應急電源，亦可小范圍孤網(wǎng)運行[12-14]。
根據(jù)所用化學物質(zhì)的不同，蓄電池可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池等。鉛酸電池價格低廉，技術(shù)成熟，可靠性高，占據(jù)著電池儲能45%~50%的市場，但是其能量密度低、壽命短、污染環(huán)境等缺點制約了鉛酸電池的發(fā)展；液流電池是目前一種前沿儲能技術(shù)，克服了鉛酸電池壽命短的缺點，但是其同樣具有污染性；鈉硫電池比能量高，可實現(xiàn)大電流、高功率放電，充放電效率高，但是它需要采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)來維持300℃~350℃的工作溫度，安全性較差，成本太高；鋰離子電池體積小、能量密度高、綜合效率高、循環(huán)壽命長、無記憶效應、綠色環(huán)保，受電動汽車產(chǎn)業(yè)的推動，鋰電池的技術(shù)和資金儲備雄厚，是最具有發(fā)展前景的電池儲能系統(tǒng)，但是鋰電池需要較復雜的電源管理系統(tǒng)，生產(chǎn)成本較高。
美國電科院在2009年開展了MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)用于平滑風電場功率波動的示范應用，目前世界上運行的最大鋰離子儲能系統(tǒng)是A123公司投資建設的，裝機容量為2MW[15]。2009年11月，我國成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的容量為650A·h的鈉硫儲能單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。在日本運營的容量為4MW的全釩液流電池為當?shù)?2MW的風電場提供儲能，并已運行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求[16]。
2.5.超導磁儲能
超導儲能裝置利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負載。功率輸送時不需要能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應速度快、綜合效率高和功率密度高等優(yōu)點。超導儲能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷，而且可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時還可用于無功和功率因素的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
近年來，超導材料實用化發(fā)展迅速，促進了超導儲能的研發(fā)和應用。但是，要實現(xiàn)超導儲能的大規(guī)模應用，還需要提高超導體的臨界溫度，研制出力學性能和電池性能良好的超導線材，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命[17]。目前世界上1~5MJ/MW低溫超導磁儲能裝置已形成產(chǎn)品，100MJ超導磁儲能系統(tǒng)已投入高壓輸電網(wǎng)實際運行，5GWh超導磁儲能技術(shù)已通過可行性分析和技術(shù)論證。我國十五“863”計劃啟動了高溫超導輸電電纜、限流器、變壓器以及高溫超導磁儲能系統(tǒng)等超導電力應用技術(shù)項目，取得了良好的進展。2005年11月，我國第一臺直接冷卻高溫超導磁儲能系統(tǒng)在華中科技大學系統(tǒng)動模實驗室成功實現(xiàn)了動模試驗運行[18,19]。
2.6.超級電容器
超級電容器由2個多孔電極、隔膜及電解質(zhì)組成。超級電容器充放電的速度快，幾乎沒有充放電次數(shù)以及最大放電量的限制，平均壽命可達25年以上。缺點是儲能密度低于一般的化學電池，且放電時間很短。其未來的發(fā)展主要是面向電動汽車，以及電力系統(tǒng)中短時間、大功率負載的平滑，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平等。
國外就超級電容器方面的研究較早，美國、日本和俄羅斯的大公司一直占據(jù)著這一行業(yè)大部分市場份額，產(chǎn)品領域包括電動汽車、軌道交通能量回收系統(tǒng)、小型新能源發(fā)電系統(tǒng)及軍用武器等方面。我國在這個行業(yè)也有了一定成果，大慶華隆電子有限公司是我國首家實現(xiàn)超級電容器產(chǎn)業(yè)化的公司；無錫力豪科技有限公司與中科院電工研究所無錫分所經(jīng)過多年聯(lián)合攻關，于2011年8月成功研制出基于超級電容器的動態(tài)電壓恢復器；超級電容公交電車方面，中國是唯一將超級電容公交車投入量產(chǎn)的國家。
各種儲能方式特點及其優(yōu)缺點比較如表1所示。
3.智能電網(wǎng)發(fā)展大規(guī)模儲能的必要性
3.1.滿足可再生能源發(fā)展需要
由于風能和太陽能等新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點，而且風能還具有不可預測、反調(diào)峰特性，大容量的新能源發(fā)電直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)運行、控制及有功調(diào)度帶來較大的影響，并網(wǎng)問題現(xiàn)已成為了制約可再生能源發(fā)展的瓶頸。新能源發(fā)電設備中若配有儲能裝置，利用儲能裝置秒級甚至毫秒級的有功調(diào)節(jié)能力，可以平滑新能源的輸出曲線。儲能系統(tǒng)的有功動態(tài)調(diào)節(jié)能力使其可發(fā)揮類似發(fā)電機的對電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)作用，調(diào)和電力供給與需求之間的差異。儲能系統(tǒng)在新能源領域的另一項應用是風光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以充分利用風能和光伏在時間和地域上的天然互補性，同時配合儲能系統(tǒng)對電能的存儲和釋放，改善整個風、光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，緩解風電、光電等可再生能源對電網(wǎng)的不利影響，增加電網(wǎng)對可再生能源的吸納程度。2009年6月，總投資200億元，張北成為了世界第一個風光儲試驗基地。
文獻[20,21]通過仿真研究，表明超導儲能和超級電容儲能系統(tǒng)能有效改善風電輸出功率及系統(tǒng)的頻率波動。針對這些控制方案將降低風電機組效率的缺陷，文獻[22]通過對飛輪儲能系統(tǒng)的充放電控制，實現(xiàn)了平滑風電輸出功率、參與電網(wǎng)頻率控制的雙重目標。
3.2.削峰填谷，減少系統(tǒng)備用，提高設備利用率
電力生產(chǎn)要求發(fā)電、供電、用電之間必須隨時保持平衡，然而白天和黑夜、不同季節(jié)間的峰谷差要求電力系統(tǒng)又必須配有一定的發(fā)電備用容量，隨著新能源產(chǎn)業(yè)及社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，通過增加旋轉(zhuǎn)備用來滿足高峰負荷需求變得越來越困難。儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負荷低谷的時候作為負荷從電網(wǎng)獲取電能充電，在電網(wǎng)負荷峰值的時候向電網(wǎng)輸送電能，實現(xiàn)削峰填谷功能[23,24]，同時，還可以減少電網(wǎng)對發(fā)電設備的投資，提高電力設備的使用率，減小線路損耗，提高供電可靠性，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
儲能系統(tǒng)具有響應速度快、運行成本低等特點，將比火電機組更適合充當發(fā)電備用的角色。如果將來能夠建設更大容量的儲能站，或者在全網(wǎng)分散布置大量的小容量儲能站，當整體儲能容量達到一定規(guī)模時，就能逐步減少火電機組的旋轉(zhuǎn)備用。
文獻[25]通過在PSCAD下建模仿真說明了超級電容在解決分布式發(fā)電電能質(zhì)量等問題方面有很好的效果。文獻[26,27]研究了采用電池儲能系統(tǒng)來提高電能質(zhì)量的問題，結(jié)果表明，該儲能系統(tǒng)能實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速有功、無功功率交換，有效改善電壓波動性，適用于解決風電并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題。
3.3.減緩輸電壓力，提升配網(wǎng)智能化水平
在我國許多地區(qū)，電力輸送能力的增長遠遠跟不上電力需求增長的步伐，在高峰電力需求時輸配電系統(tǒng)往往變得擁擠阻塞，影響系統(tǒng)正常運行。若把儲能系統(tǒng)安裝在輸配電系統(tǒng)阻塞段的潮流下游，電能被存儲在沒有輸配電阻塞的區(qū)段，在電力需求高峰時儲能系統(tǒng)釋放電能，從而減少輸配電系統(tǒng)容量的要求，緩解輸配電系統(tǒng)阻塞的情況。同時，儲能系統(tǒng)還可以減少電力傳輸中的異常和干擾，解決輸電穩(wěn)定性阻尼和次同步諧振阻尼等問題，改善動態(tài)電壓穩(wěn)定性，以及減少系統(tǒng)低頻時甩負荷量。
置于用戶側(cè)的儲能系統(tǒng)，可增強系統(tǒng)的供電可靠性，改善用戶的電能質(zhì)量。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，微網(wǎng)的概念逐步得到推廣。各種儲能系統(tǒng)作為微網(wǎng)的分布式電源之一，通過電力電子裝置在秒級甚至毫秒級快速響應，可以實現(xiàn)微網(wǎng)“永不斷電”的目標。另一方面，小型的家庭式儲能設備和區(qū)域性的微網(wǎng)儲能裝置，可以通過智能表計接入到周圍的大中型電網(wǎng)中，在用電高峰時向電網(wǎng)供電，增加了電力用戶與電網(wǎng)的互動。
3.4.促進電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展
近日，在?？谂e行的“中國國際電動汽車及充電裝置、儲能技術(shù)展覽會”上，電網(wǎng)公司強調(diào)要加速充換電基礎設施建設，迎接電動汽車的高速發(fā)展時期。隨著電網(wǎng)智能化水平以及電動汽車保有量的大幅提高，電動汽車的車載電池作為可移動儲能單元，豐富了電網(wǎng)的可控資源，對智能電網(wǎng)平衡大量不可控的可再生能源有著重要的作用。在用電低谷時，電動汽車和儲能電站的電池可以從電網(wǎng)吸納大量富余電力，用電高峰來臨時，電池的電能可以反過來被電網(wǎng)吸收，或可以作為停電時的備用電源。把這兩者有機結(jié)合在一起可以充分利用電池儲能站的配套設施，可達到資源的最大利用。
3.5.電網(wǎng)應急相應的需要
在電網(wǎng)失電的情況下，通過傳感器技術(shù)和通信與信息技術(shù)進行故障快速診斷，儲能電站切換至電網(wǎng)緊急模式，儲能裝置向用電設備提供已儲備的電能，起到應急供電的作用。
儲能系統(tǒng)能夠為用戶提供備用電源，具有輔助設備簡單，廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，為系統(tǒng)黑啟動提供電源，提高供電可靠性和抵御自然災害的能力。其移動性和靈活的特點尤其適用于地震洪水等自然災害后的恢復。
對于一些重要負荷或者供電可靠性很差的部分地區(qū)，在發(fā)生事故失去主網(wǎng)電源或者輸配電設備檢修時需要孤網(wǎng)運行，孤網(wǎng)容量較小，要求備用電源必須相應速度快，儲能電站是最適合孤網(wǎng)供電的備用電源。
4.大規(guī)模儲能技術(shù)發(fā)展展望
1)由于不同的儲能技術(shù)在額定功率下的放電時間不同，因此應用在電網(wǎng)不同的地方時，應該選擇合適的儲能方式。當用于電能質(zhì)量改善、電網(wǎng)頻率穩(wěn)定及UPS時，應選擇響應快速、放電時間短的電池，例如超級電容器、飛輪儲能等；當用于供電的連續(xù)性、緩沖或者備用電源時，則選擇能放電數(shù)秒到數(shù)分鐘的相應的短時儲能方式；當用于電網(wǎng)的削峰填谷或者風能、太陽能等新能源的并網(wǎng)儲能時，則選擇能夠大規(guī)模儲能，且自放電小的儲能方式，例如抽水蓄能、壓縮空氣儲能等；在地理條件受限制的時候，可以選擇鈉硫電池、液流電池等。
2)就目前的儲能技術(shù)發(fā)展水平看，單一的儲能技術(shù)很難同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環(huán)境特性以及成本等性能指標，如果將兩種或以上性能互補性強的儲能技術(shù)相結(jié)合，組成復合儲能，則可以取得良好的技術(shù)經(jīng)濟性能。在電網(wǎng)應用中，要實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，電能質(zhì)量改善和削峰填谷等多時間尺度上的功率平準控制，可以將超導儲能、飛輪儲能或超級電容器等功率密度、高儲能效率高以及循環(huán)壽命長的儲能技術(shù)與鉛酸電池、液流電池或鈉硫電池等能量密度高但受制于電化學反應過程的儲能技術(shù)相結(jié)合，以最大程度地發(fā)揮各種儲能技術(shù)的優(yōu)勢，降低全壽命周期費用，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。
3)目前的大容量儲能技術(shù)主要是抽水蓄能和壓縮空氣儲能。有條件的地方可以因地制宜建設抽水蓄能電站，用于電力系統(tǒng)調(diào)峰，或作為可再生能源發(fā)電廠的調(diào)頻備用，減小其發(fā)點波動性對系統(tǒng)的影響?？紤]到我國海上風電資源大規(guī)模開發(fā)利用的前景，如選擇三面環(huán)山的海灣作為水庫的壩址，圍海建立大型抽水蓄能電站；或選擇一些條件好的廢棄礦井、洞穴，修建壓縮空氣儲能電站，與當?shù)氐拇笮惋L電場或光伏電站相結(jié)合，為這些可再生能源電站的穩(wěn)定運行提供支持，增加可再生能源發(fā)點的容量可信度，使其稱為具有一定可預測性和可調(diào)度性的穩(wěn)定電源。
5.總結(jié)
大規(guī)模儲能技術(shù)對現(xiàn)階段電網(wǎng)的影響是變革性的，電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)都將受益于相關技術(shù)的進步。智能電網(wǎng)建設將會促進儲能技術(shù)的發(fā)展，相關科技日新月異是可以預見的。結(jié)合儲能技術(shù)發(fā)展遇到的問題，在此提出促進儲能技術(shù)發(fā)展的建議：
1)合理規(guī)劃，優(yōu)先在電網(wǎng)關鍵節(jié)點建設儲能設施。大規(guī)模儲能建設投資高，為充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益，應優(yōu)先在窩電嚴重區(qū)域、頻繁缺電區(qū)域及樞紐變電站配置儲能系統(tǒng)。
2)積極推動儲能技術(shù)標注體系的建立。國家應加速出臺有關新能源及儲能設施建設的標準體系和相關規(guī)章制度，企業(yè)及科研機構(gòu)也要積極參與建立儲能標準，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導權(quán)。
3)建設示范工程，加速成熟儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。技術(shù)欠成熟儲能技術(shù)，如超導儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等，安排儲能示范項目，為未來大規(guī)模應用積累技術(shù)數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗；技術(shù)成熟技術(shù)，如抽水蓄能、電池儲能、超級電容器儲能等，加速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，促進其健康有序發(fā)展。
4)加速儲能價格機制的建立。政府和電網(wǎng)公司應分別從政策和技術(shù)層面，加快出臺峰谷電價、儲能電價，使的儲能設施建設能盡快收回投資，增進企業(yè)發(fā)展儲能技術(shù)的積極性。
5)培養(yǎng)家庭及工商業(yè)避峰用電的習慣和意識。私人電動汽車晚上充電、高耗能企業(yè)夜間生產(chǎn)等活動習慣，將使得儲能概念深入人心，同時促進了低碳社會發(fā)展。
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