中國電力科學研究院的研究人員李建林、馬會萌、惠東指出，分布式發(fā)電能夠充分利用可再生能源實現節(jié)能減排，是集中式發(fā)電的有效補充，利用儲能系統(tǒng)的雙向功率能力和靈活調節(jié)特性可以提高系統(tǒng)對分布式電源的接納能力，具有廣闊的應用前景。
首先匯總了多種主流儲能技術目前在電力系統(tǒng)中的應用規(guī)模及其本體關鍵參數，并從儲能設備自身特點和電力系統(tǒng)對儲能的需求出發(fā)，分析各儲能技術的優(yōu)勢和不足，提出了可能突破的方向及發(fā)展預期。
然后從應對分布式可再生能源大量接入給電網帶來的問題出發(fā)，歸納了儲能技術在融合分布式可再生能源方面的應用模式，分析了國內外的應用現狀及不足，最后從本體發(fā)展和應用技術層面探討了儲能技術的未來發(fā)展方向。
分布式發(fā)電能夠充分利用可再生能源，是實現節(jié)能減排目標的重要舉措，也是集中式發(fā)電的有效補充。作為第三次工業(yè)革命的重要特征之一，分布式發(fā)電尤其是分布式光伏發(fā)電飛速發(fā)展，至2014年底，我國分布式光伏發(fā)電裝機容量達8GW，并且新一輪電力體制改革力推分布式能源。
中央發(fā)布的《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)[2015]第9號）明確規(guī)定“允許擁有分布式電源的用戶或微網參與電力交易”，“全面開放用戶側分布式電源市場，積極開展分布式電源項目的各類試點和示范”，可以預見分布式發(fā)電將擁有更廣闊的發(fā)展空間。然而可再生能源發(fā)電的特性對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定、可靠性和電能質量將產生影響。
針對該問題，當前儲能技術在可再生能源發(fā)電領域中的重要補充作用已基本得到業(yè)內認可，利用儲能系統(tǒng)的雙向功率能力和靈活調節(jié)特性可以提高系統(tǒng)對分布式電源的接納能力。隨著儲能技術日益成熟、成本不斷降低，以及未來智能配電網的發(fā)展，其在促進分布式電源消納領域將擁有更廣闊的應用前景。
本文首先介紹了儲能本體技術的特點及發(fā)展現狀，歸納了儲能在促進分布式可再生能源消納方面的應用情況，并從應用技術、評估技術和本體技術層面對其未來發(fā)展方向進行了探討。
1 儲能技術的特點及發(fā)展現狀
儲能技術包含本體技術與應用技術，本體技術是儲能技術的基礎。儲能本體形式按照能量儲存形式，可以分為機械儲能、電磁儲能、化學儲能和相變儲能?；瘜W儲能目前來看主要有電化學儲能、氫儲能等；電化學儲能又包括鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池、鈉硫電池等典型的二次電池體系，以及新興的二次電池體系（鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等）。
對于電力系統(tǒng)應用而言，儲能系統(tǒng)的基本技術特征體現在功率等級及其作用時間上，儲能的作用時間是區(qū)別于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)即發(fā)即用設備的顯著標志，是儲能技術價值的重要體現，是特有的技術特征。儲能所擁有的這一獨特技術特征將改變現有電力系統(tǒng)供需瞬時平衡的傳統(tǒng)模式，在能源革命中發(fā)揮重要作用。
儲能技術在電力系統(tǒng)的應用涉及發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)，在促進集中式和分布式可再生能源消納領域的應用已備受關注。其中在集中式可再生能源領域應用的項目數、裝機容量占比均最大，增長態(tài)勢最明顯，在分布式可再生能源領域應用的項目數占比增長速率較快。
據不完全統(tǒng)計，近10年來全球MW級以上規(guī)模的儲能示范工程約190個，其中超過120個與電化學儲能相關，主要儲能類型項目數占比如圖1所示。這些項目均以電池作為主要裝置載體，采用的電池類型包括鈉硫、液流、鋰離子、鉛酸等，國際上各示范工程對儲能本體的選型表明現階段電化學儲能的技術基礎積累優(yōu)于其他類型的儲能技術。
從電化學儲能裝機容量方面分析，MW級儲能項目中主要類型儲能總裝機增長趨勢如圖2所示。圖2顯示：鋰離子電池儲能前期裝機容量小，自2012年后，其裝機容量得到大幅提升，在電池儲能中位列最高。鉛酸電池自2012年后處于停滯狀態(tài)，鈉硫裝機容量在2011年之后位居第一，之后增長緩慢。
從圖2中可看出，在電化學儲能示范項目中，以鋰離子電池儲能示范項目數、裝機容量占比最高，達48%，增長幅度也最快，可以預見鋰離子電池仍將是應用最廣的電化學儲能技術。
圖1主要儲能類型項目數占比
圖2MW級儲能項目中主要類型儲能總裝機增長趨勢
目前，各種儲能的技術發(fā)展水平各有不同，在集成功率等級、持續(xù)放電時間、能量轉換效率、循環(huán)壽命、功率/能量密度及成本等方面均有差異。
2 分布式可再生能源領域中的儲能應用現狀
分布式電源的接入促進了電能與其他能源的融合和轉換，促進了多種能源的互補和高效利用。電力、天然氣、熱能、氫能、生物質能等多種一次和二次能源將在用戶側得到綜合利用，聯(lián)合提供用戶所需的終端用能服務。
而分布式電源的接入使配電網變成有源電網，對配電網規(guī)劃、并網管理、運行、經營服務等提出了很大的挑戰(zhàn)。主動配電網（ActiveDistributionNetwork,ADN）有機整合先進信息通信、電力電子及智能控制等技術，為實現分布式可再生能源大規(guī)模并網與高效利用提供了一種有效解決方案。而儲能技術作為主動配電網的必要環(huán)節(jié)，通過與分布式電源一同并入電網，對電網起到支撐作用，圖3為儲能技術促進分布式發(fā)電并網的典型拓撲結構。
在促進分布式可再生能源發(fā)電靈活接入和高效利用中的作用主要有：①抑制分布式電源的功率波動，減少分布式電源對用戶電能質量的影響；②為未來可能出現的直流配電網及直流用電設備的應用提供支持；③增強配電網潮流、電壓控制及自恢復能力，提高配電網對分布式發(fā)電的接納能力；④提供時空功率和能量調節(jié)能力，提高配電設施利用效率，優(yōu)化資源配置。
圖3基于直流母線方式的分布式發(fā)電系統(tǒng)
微網將分布式發(fā)電裝置、負荷、儲能以及控制裝置有機結合接入中低壓配電系統(tǒng)中。既可與電網聯(lián)網運行，也可在電網故障或需要時與主網斷開單獨運行，是分布式可再生能源有效利用的重要形式。
圖4為典型的微網拓撲結構，包括微型燃氣輪機、風力發(fā)電機、光伏電池、燃料電池和蓄電池等多種微電源形式。
儲能是微電網中的必要元件，在微電網的運行管理中發(fā)揮如下重要作用：①實現微電網與電網聯(lián)絡線功率控制，滿足電網的管理要求；②作為主電源，維持微電網離網運行時電壓和頻率的穩(wěn)定；③為微電網提供快速的功率支持，實現微電網并網和離網運行模式的靈活切換；④參與微電網能量優(yōu)化管理，兼顧不同類型分布式電源及負荷的輸出特性，實現微電網經濟高效運行。
圖4經典微網拓撲結構
不同工況提出的儲能技術需求不同，應結合儲能本體的技術特點進行儲能選型。按照放電時間尺度劃分，儲能技術可分為功率型儲能和能量型儲能。功率型儲能適用于短時間內對功率需求較高的場合，如微電網離網運行時暫態(tài)支撐。能量型儲能適用于對能量需求較高的場合，如抑制分布式電源的功率波動、提升分布式能源匯聚效應等，見表1。
表1儲能技術劃分
國際上，美國、日本、歐洲很多國家和地區(qū)都在儲能提高分布式能源利用率、新型智能用電等方面展開了積極的示范，驗證了儲能在調峰、調頻、應急供電的作用。從國內的應用情況來看，示范應用場景主要包括用于新能源的并網發(fā)電、配電網的削峰填谷、分布式電源以及電能質量改善等。目前這些項目還處于儲能系統(tǒng)功能驗證的示范運行階段。
從國內外應用示范所展示或驗證的應用功能來看，儲能系統(tǒng)在融合分布式電源方面主要取得的成果包括以下幾個方面：
（1）儲能融合多能源接入能力應用。
國際上，日本、美國、韓國等利用儲能平滑風電場或光伏出力波動，抑制可再生發(fā)電爬坡率，提高可再生能源的利用率。韓國濟州島風/光/儲/柴聯(lián)合應用項目最具代表性，該項目配置了0.1MW/2h的全釩電池儲能系統(tǒng)，借助儲能系統(tǒng)雙向功率調節(jié)能力實現了多能有效互補應用，提出了相應的協(xié)調控制策略，但能源類型相對較少，未能反映儲能技術在主網與微網互動中的作用。
在國內，位于舟山海島的風/光/儲/海/柴項目配置了多類型儲能系統(tǒng)，包括200kW/120F的超級電容器儲能與1MW/500kW˙h的鋰離子電池儲能。通過研究多類型儲能系統(tǒng)的協(xié)調控制策略實現平抑風光功率波動及負荷調平功能，提升了風電或光伏跟蹤日前調度計劃能力，但在應對多類型負荷及新型用電方式情況下的功能未展開示范驗證。
（2）儲能提高用戶新型用電能力應用。
國際上，美國、日本、法國等國示范項目使用戶有機會管理其電能消耗及預算，成為“生產消費者”或利用移動式儲能參與負荷用電管理。其中尤以美國夏威夷大學智能電網和能量存儲示范項目為最，其將1MW/1MW˙h鋰離子電池系統(tǒng)被安裝于變電站中，用以減少變壓器的高峰負荷。并實施分布式電源/儲能裝置/微網/不同特性用戶（含電動汽車等移動電力用戶）接入和統(tǒng)一監(jiān)控，用以展示儲能系統(tǒng)在配網的協(xié)同調度，通過基于儲能相關的關鍵技術提高用戶新型用電能力。
在國內，最具代表性的為中新天津生態(tài)城，它利用儲能系統(tǒng)參與用電側電能管理，將負荷分為不可控負荷、可控負荷和可切負荷不同級別，并配以不同功率等級的儲能系統(tǒng)。將源-荷有機地整合在一起，使之變?yōu)殡娋W中的一個可控單元，滿足不同用戶的特定需求。
通過儲能系統(tǒng)使負荷變?yōu)橛押眯陀秒娯摵桑嵘擞秒婌`活互動能力，降低了大量分布式電源接入對配電網運行的復雜程度，提升了供電可靠性和供電質量。
?。?）提升分布式能源匯聚效應能力應用。
國際上，美國、日本、意大利等國利用分布式儲能減少可再生能源發(fā)電引起的潮流變化，使變電站與上級電網進行可控的能量交換，或通過熱儲能為用戶提供供冷、供熱綜合服務。其中基于車網（VehicletoGrid,V2G）融合技術的理念，日本東京電力公司提出的“BESSSCADA”，對分布在配電網和用戶側的儲能單元進行集中的管理和控制。通過對大量儲能單元的統(tǒng)一管理和控制，形成大規(guī)模的儲能能力，但控制上還有欠缺，未充分體現雙向互動。
目前國內針對儲能匯聚效應的工程還未開展，在薛家島電動汽車工程示范中基于V2G理念做了類似的嘗試，配套建設的集中充電站可同時為360輛乘用車電池充電。在儲放功能上，可實現低谷時存儲電能，在用電高峰和緊急情況下向電網釋放電量，峰谷調節(jié)負荷7020kW，最大可達10520kW。但是切入點單一，缺乏基于能源互聯(lián)系統(tǒng)層面的實現儲能匯聚效應的統(tǒng)一規(guī)劃和全面部署。
綜上所述，國內外示范工程中，接入新能源種類局限在1～2種，儲能主體以能量型居多，其中又以電化學儲能為主導。現有示范工程中儲能系統(tǒng)在提供電網輔助服務、平抑風電波動、實現風光多能互補、提高分布式系統(tǒng)供電可靠性等方面都得到了運用。
但兼具幾種功能的綜合演示鮮見報道，與能源互聯(lián)網概念結合不夠，未充分利用儲能的聚合效應和雙向調節(jié)能力，不能完全適應源-荷協(xié)同管理、終端用戶和電網的靈活互動，且儲能功能較為單一。
局限在單純的新能源接入、參與新型用戶用電、分散式能源匯聚等各種單項技術進行研究和工程示范，鮮有在一個區(qū)域中進行集成多種分布式能源和多種儲能技術，并且對其能源的管理，缺乏自上而下的總體設計。
國內與國外相比，雖在儲能本體的原創(chuàng)技術上總體落后于國外發(fā)達國家，但在儲能應用技術特別是化學電池儲能示范應用方面處于國際先進水平。“十二五”期間由國家電網公司主導，在儲能領域取得了顯著成績，建成了天津生態(tài)城綜合示范、上海世博園、張北風光儲綜合示范工程等具有影響力的項目。
但這些技術也只是一個區(qū)域內實施了單項技術，缺少系統(tǒng)性的多種能源接入與分布式儲能應用技術的集成。
在技術推廣過程中也暴露出一些不足。
第一，我國能源互聯(lián)網儲能基礎理論研究落后于應用技術研究，缺乏從第三次工業(yè)革命儲能支柱性角度進行頂層設計，多數應用利用已有經驗來指導工程設計，沒有形成系統(tǒng)化的理論體系做支撐。
第二，對分布式儲能關鍵控制技術的研究多以工程實用為導向，原理上的研究不夠深入，與信息物理融合技術的發(fā)展并不緊密。
第三，儲能關鍵裝置的研究應該以需求為導向，開發(fā)相應的儲能接入裝置，與能源互聯(lián)網結合的力度有待提升。
第四，儲能系統(tǒng)與能源互聯(lián)網系統(tǒng)智能用電的交互影響及作用方面，研究尚不充分。這些問題與不足都應在“十三五”期間加以重視。
3 儲能在分布式可再生能源領域中的發(fā)展趨勢
3.1本體技術選擇依據及對策
3.1.1評價要素
基于近幾年來關于儲能技術的研究工作，歸納出大容量儲能技術推廣應用的關鍵因素，并提出規(guī)模等級、技術水平、經濟成本以及技術形態(tài)這四項指標，用于判斷適于規(guī)?；l(fā)展的儲能技術類型。
未來廣泛用于電力系統(tǒng)的儲能技術，至少需要達到MW級、MW?h級的規(guī)模，而對于現有技術發(fā)展水平來說，抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能、熔融鹽蓄熱、氫儲能具備MW級或MW?h級的規(guī)模，而飛輪、超導及超級電容器儲能很難達到MW?h量級。
安全與可靠始終是電力系統(tǒng)運行的基本要求，MW級、MW?h級規(guī)模的儲能系統(tǒng)將對安全與可靠性提出更高的要求。儲能系統(tǒng)的安全問題，與儲能系統(tǒng)本身的材料體系、結構布局以及系統(tǒng)設計中所考慮的安全措施等因素相關。
尤其對電池儲能系統(tǒng)而言，由于在應用過程中往往需要通過串并聯(lián)成組設計將電池單體組成電池模塊及電池系統(tǒng)才能滿足應用需求，所以電池系統(tǒng)內部各單體電池的性能一致性問題，也成為影響電池系統(tǒng)安全性與可靠性的又一個因素。
在技術水平方面，首先，轉換效率和循環(huán)壽命是兩個重要指標，它們影響儲能系統(tǒng)總成本。低效率會增加有效輸出能源的成本，低循環(huán)壽命因導致需要高頻率的設備更新而增加總成本。其次，在具體應用中，影響儲能系統(tǒng)比能量的儲能設備體積和質量也是考慮因素。體積能量密度影響占地面積和空間，質量能量密度則反應了對設備載體的要求。
在經濟成本方面，現有電價機制和政策環(huán)境下，單就儲能技術的成本來講遠不能滿足商業(yè)應用的需求。以風電應用為例，配套的儲能設施單位kW投資成本幾乎都超出了風電的單位投資成本，同時大規(guī)?；膬δ芟到y(tǒng)還要考慮相應的運行維護成本。
因此，所關注的規(guī)模化推廣的儲能技術必須具備經濟前瞻性，也就是說應該具備大幅降價空間，或者從長時期來看具有一定顯性的經濟效益，否則很難推廣普及。
衡量一種儲能技術能否得到大規(guī)模推廣運用的第四項指標應是儲能系統(tǒng)能否以設備或工程形態(tài)（批量化、標準化生產，便于安裝、運行與維護）運用在電力系統(tǒng)中。在眾多儲能方式中，電池儲能是契合設備形態(tài)需求較好的儲能技術類型。
就目前儲能技術發(fā)展水平而言，實現在電力系統(tǒng)的大規(guī)模應用，期望儲能效率大于95%，充放電循環(huán)壽命超過10000次，儲能系統(tǒng)規(guī)?？蛇_到10MW?h以上，并具有較高的安全性。在上述基準下，當前各類儲能技術現狀如圖5所示。
從對比效果來看，各種儲能技術互有短板，距期望值有一定差距，其中鋰電池與應用指標差距最大的是壽命和成本，液流電池與應用指標差距最大的是效率和成本。
圖5儲能技術現狀雷達圖
在促進新能源消納領域，單一儲能配置，從技術角度可以實現儲能的多種功能應用。但是從經濟性角度，并非優(yōu)化方案，需要在實際配置中考慮各類型儲能的工況適應性，采用多元復合儲能方案，使不同的儲能技術之間可以取長補短，以達到投資和運行成本最優(yōu)。
到2020年，各項儲能技術發(fā)展期望如圖6所示。
圖6儲能技術發(fā)展期望雷達圖
3.1.2國內外發(fā)展路線
我國提出了在2020年之前，針對鋰離子電池、全釩液流電池等的研究方向、預期目標。日本NEDO[27]發(fā)布的關于鋰離子電池至2030年技術發(fā)展路線圖中，詳細說明了鋰離子電池在未來20年內的發(fā)展趨勢與技術指標，并明確列出研發(fā)時間節(jié)點，為我國相關電池技術的發(fā)展提供了良好的參考依據。
美國DOE于2010年底發(fā)布的關于儲能技術應用研究的最新報告中，也針對各種儲能技術，詳細提出在未來5～20年中的技術發(fā)展方向與投資成本目標等，并確定超級鉛酸與先進鉛酸電池、鋰離子電池、硫基電池、液流電池、功率型儲能電池以及金屬空氣電池、液金屬電池、鋰硫電池、先進壓縮空氣等作為其重點關注的儲能技術類型。
3.1.3本體技術攻關對策
目前儲能應用對本體技術的特征需求（規(guī)模、壽命、安全、成本和效率）與目前的本體技術水平還有一定差距，儲能技術尚未得到廣泛應用。因此，一方面要提升現有本體技術水平，挖掘其技術潛力，逐步縮短與儲能應用需求之間的差距；另一方面要探索研究新型的儲能技術，關注發(fā)展前景好、技術潛力大、具有相對技術優(yōu)勢的新型一代本體技術。
結合國內外現有儲能技術研究水平、國內外關于電池技術的發(fā)展規(guī)劃及資源條件等幾個方面的因素，應該將鋰離子電池作為重點攻關方向。重點關注并開展液流和鉛炭電池相關研究，積極關注并適時切入熔融鹽蓄熱和氫儲能，跟蹤并把握鈉硫電池、壓縮空氣、飛輪等技術的最新發(fā)展動態(tài)。
3.2應用技術
?。?）儲能支撐多能源高效融合效應日益顯現。能源生產者、消費者和二者兼具的能源生產消費者，分層分散接入，種類繁多，構成城市能源局域網。能源管理和控制運行呈現出分散自治和集中協(xié)調相結合的模式。
?。?）儲能系統(tǒng)功能由單一走向多元。儲能應用場景日益豐富，作用時間覆蓋從s級到h級，由單一功能向融合多能源+新型用電等多元復合功能過渡。緊湊型、模塊化和響應快是儲能裝置的發(fā)展方向。
（3）分布式儲能系統(tǒng)促進終端用戶用電方式多樣化。隨著用電需求多樣化，不同電壓等級下交直流用戶共存，通過儲能實現終端用戶供用電關系轉換、用能設備的能量緩沖、靈活互動以及智能交互是技術主流。
（4）分散式儲能系統(tǒng)匯聚效應進一步發(fā)揮。儲能系統(tǒng)匯聚效應在電動汽車V2G運行模式已得到初步顯現，隨著分散式儲能系統(tǒng)的規(guī)模化普及，在新能源接入、用戶互動等方面的聚合作用會逐步凸顯。
?。?）動力電池梯次利用試點逐步展開。隨著動力電池篩選、重組技術、電池管理技術的進步及梯次利用電池的適應工況研究，退役動力電池在融合分布式可再生能源領域的作用將得到進一步發(fā)展。
4結論
伴隨清潔能源大量分散接入和終端用戶雙向互動，儲能系統(tǒng)的作用已開始由簡單的友好接入向以能源互聯(lián)為導向過渡，并傾向于基于高效協(xié)同管理統(tǒng)一規(guī)劃開展全面研究和技術示范。以儲能作為核心承載技術的多能互補、雙向互動一體化示范工程將全方位勾勒第三次工業(yè)革命的發(fā)展愿景。
