儲能技術(shù)在堅強智能電網(wǎng)建設(shè)中的作用

華光輝，赫衛(wèi)國，趙大偉

(國網(wǎng)電力科學研究院，南京210003)

　　摘要：儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。結(jié)合我國實際情況，闡述了儲能技術(shù)在堅強智能電網(wǎng)中的作用、儲能技術(shù)原理、常用的儲能技術(shù)及發(fā)展狀況，指出了我國儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，提出了促進大容量儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議。

　　電力生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的，發(fā)電、輸電、變電、配電、用電必須時刻保持平衡；電力系統(tǒng)的負荷存在峰谷差，必須留有很大的備用容量，造成系統(tǒng)設(shè)備運行效率低。應(yīng)用儲能技術(shù)可以對負荷削峰填谷，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)備用需求及停電損失。另外，隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益擴大和分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，電力儲能系統(tǒng)的重要性也日益凸顯。

　　儲能技術(shù)的應(yīng)用是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式基礎(chǔ)上增加一個存儲電能的環(huán)節(jié)，使原來幾乎完全剛性的系統(tǒng)變得柔性起來，電網(wǎng)運行的安全性、可靠性、經(jīng)濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。因此有人將儲能技術(shù)譽為電力生產(chǎn)過程中的第六環(huán)節(jié)，電力儲能技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。

　　1儲能技術(shù)在堅強智能電網(wǎng)中的作用

　　優(yōu)質(zhì)、自愈、安全、清潔、經(jīng)濟、互動是我國智能電網(wǎng)的設(shè)定目標，儲能技術(shù)尤其大規(guī)模儲能技術(shù)具備的諸多特性得以在發(fā)電、輸電、配電、用電4大環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用，儲能技術(shù)是構(gòu)建智能電網(wǎng)及實現(xiàn)目標不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　1.1儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定中的作用

　　儲能技術(shù)的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的思維方式，從一個新的角度認識電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并尋求一種可能會徹底解決電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。

　　在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，任何微小擾動引起的動態(tài)不平衡功率都會導致機組間的振蕩，而只要儲能裝置容量足夠大而且響應(yīng)速度足夠快，就可以實現(xiàn)任何情況下系統(tǒng)功率的完全平衡，這是一種主動致穩(wěn)電力系統(tǒng)的思想。由于這種與儲能技術(shù)相關(guān)的穩(wěn)定控制裝置不必和發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)共同作用，因此，可以方便地使用在系統(tǒng)中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時，由于這種穩(wěn)定控制裝置所產(chǎn)生的控制量可直接作用于導致系統(tǒng)振蕩的源頭，對不平衡功率進行精確的補償，可以較少甚至不考慮系統(tǒng)運行狀態(tài)變化對控制裝置控制效果的影響，因此裝置的參數(shù)整定非常容易，對于系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的魯棒性也非常好。

　　1.2儲能技術(shù)在新能源發(fā)電中的作用

　　化石能源供應(yīng)不足已成為全球經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。同時，使用化石能源造成的環(huán)境污染問題已受到全球的高度重視，積極開發(fā)新能源和儲能技術(shù)，減少人類對化石能源的依賴，已成為業(yè)界和科技界研究的熱門課題。

　　在可再生能源中，風能和太陽能因來源豐富、取之不盡、用之不竭，并在利用過程中無環(huán)境污染或污染很小而特別引起關(guān)注，但風能和太陽能存在間歇性、不穩(wěn)定性和不可控性等缺陷，為保證其供電的均衡性和連續(xù)性，儲能裝置成為風力發(fā)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵配套部件。因此，在利用太陽能和風能的同時，必須重視儲能技術(shù)的開發(fā)。

　　近年來，特別是在《中華人民共和國可再生能源法》出臺之后，我國風力發(fā)電和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但大規(guī)模發(fā)展新能源仍存在技術(shù)瓶頸，主要是風力發(fā)電、光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)、發(fā)電的間歇性問題需要成熟的儲能技術(shù)加以解決。因此，在新能源裝機容量提升的同時，必須同步提升儲能容量，有效地改善其電能輸出質(zhì)量。

　　1.3儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的作用

　　當今社會對電力供應(yīng)的質(zhì)量與安全可靠性要求越來越高，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。目前，大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合被世界上很多能源電力專家公認為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高電網(wǎng)安全性和靈活性的主要方法，是21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。

　　分布式發(fā)電是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負荷附近的配置較小的發(fā)電機組，以滿足特定用戶的需要或支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。分布式發(fā)電包括微型燃氣輪機發(fā)電、燃料電池儲能、可再生能源如太陽能和風力發(fā)電等。

　　基于電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，用以應(yīng)付突發(fā)事件?，F(xiàn)代儲能技術(shù)已得到了一定程度的發(fā)展，在分布式發(fā)電中已經(jīng)起到了重要作用，可以改善電能質(zhì)量、維持電網(wǎng)穩(wěn)定；在分布式電源不能發(fā)電期間向用戶提供電能。

　　1.4儲能技術(shù)在電動汽車中的作用

　　電動汽車以電能為動力，能夠?qū)崿F(xiàn)運行時零排放、低噪音，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)將大大促進電動汽車的發(fā)展，包括建成完善的電動汽車配套充放電基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，形成科學合理的電動汽車充放電站布局，充放電站基礎(chǔ)設(shè)施滿足電動汽車行業(yè)發(fā)展和消費者的需要，電動汽車與電網(wǎng)的高效互動得到全面應(yīng)用。

　　與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車還存在充電時間長、續(xù)駛里程短、使用成本高等一系列問題。

　　其中儲能技術(shù)是阻礙電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，儲能技術(shù)的發(fā)展必將帶動電動汽車產(chǎn)業(yè)的更大發(fā)展。

　　2儲能技術(shù)原理與常用的儲能方式

　　2.1儲能技術(shù)的原理與特點

　　由儲能元件組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的電網(wǎng)接入裝置成為儲能系統(tǒng)的兩大部分。儲能裝置主要實現(xiàn)能量的儲存、釋放或快速功率交換。電網(wǎng)接入裝置實現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞與轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電力調(diào)峰、能源優(yōu)化、提高供電可靠性和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能。

　　儲能系統(tǒng)的容量范圍比較寬，從幾十千瓦到幾百兆瓦；放電時間跨度大，從毫秒級到小時級；應(yīng)用范圍廣，貫穿整個發(fā)電、輸電、配電、用電系統(tǒng)；大規(guī)模電力儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用才剛起步，是一個全新的課題，也是國內(nèi)外研究的一個熱點領(lǐng)域。

　　2.2常用的儲能方式

　　目前，儲能技術(shù)主要有物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、化學儲能(如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級電容器等)和電磁儲能(如超導電磁儲能等)等。

　　1)物理儲能中最成熟、應(yīng)用最普遍的是抽水蓄能，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。抽水蓄能的釋放時間可以從幾個小時到幾天，其能量轉(zhuǎn)換效率在70%~85%。抽水蓄能電站的建設(shè)周期長且受地形限制，當電站距離用電區(qū)域較遠時輸電損耗較大。壓縮空氣儲能早在1978年就實現(xiàn)了應(yīng)用，但由于受地形、地質(zhì)條件制約，沒有大規(guī)模推廣。飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能存儲起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。飛輪儲能的特點是壽命長、無污染、維護量小，但能量密度較低，可作為蓄電池系統(tǒng)的補充。

　　2)化學儲能種類比較多，技術(shù)發(fā)展水平和應(yīng)用前景也各不相同：

　　(1)蓄電池儲能是目前最成熟、最可靠的儲能技術(shù)，根據(jù)所使用化學物質(zhì)的不同，可以分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。鉛酸電池具有技術(shù)成熟，可制成大容量存儲系統(tǒng)，單位能量成本和系統(tǒng)成本低，安全可靠和再利用性好等特點，也是目前最實用的儲能系統(tǒng)，已在小型風力發(fā)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及中小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，但因鉛是重金屬污染源，鉛酸電池不是未來的發(fā)展趨勢。鋰離子、鈉硫、鎳氫電池等先進蓄電池成本較高，大容量儲能技術(shù)還不成熟，產(chǎn)品的性能目前尚無法滿足儲能的要求，其經(jīng)濟性也無法實現(xiàn)商業(yè)化運營。

　　(2)大規(guī)?？稍偕剂想姵赝顿Y大、價格高，循環(huán)轉(zhuǎn)換效率較低，目前尚不宜作為商業(yè)化的儲能系統(tǒng)。

　　(3)液流儲能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率較高，運行、維護費用低等優(yōu)點，是高效、大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電儲能、調(diào)節(jié)的首選技術(shù)之一。液流儲能技術(shù)在美國、德國、日本和英國等發(fā)達國家已有示范性應(yīng)用，我國目前尚處于研究開發(fā)階段。

　　(4)超級電容器是20世紀80年代興起的一種新型儲能器件，由于使用特殊材料制作電極和電解質(zhì)，這種電容器的存儲容量是普通電容器的20~1000倍，同時又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量速度快的優(yōu)點，目前已經(jīng)不斷應(yīng)用于高山氣象站、邊防哨所等電源供應(yīng)場合。

　　3)超導電磁儲能利用超導體制成線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大等優(yōu)點，可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補償、頻率調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。和其他儲能技術(shù)相比，超導電磁儲能仍很昂貴，除了超導體本身的費用外，維持系統(tǒng)低溫導致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費用也相當可觀。目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導電磁儲能工程正在運行或者處于研制階段。

　　各種儲能技術(shù)的發(fā)展程度、系統(tǒng)規(guī)模及應(yīng)用環(huán)節(jié)比較如圖1所示。各種儲能技術(shù)綜合比較如表1所示，表1中UPS為不間斷電源。

　　3儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

　　由于我國的能源中心和電力負荷中心距離跨度大，電力系統(tǒng)一直遵循著大電網(wǎng)、大電機的發(fā)展方向，按照集中輸配電模式運行，隨著可再生能源發(fā)電的飛速發(fā)展和社會對電能質(zhì)量要求的不斷提高，儲能技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。國家電網(wǎng)公司近期確定的智能電網(wǎng)重點投資領(lǐng)域中包括了大量儲能應(yīng)用領(lǐng)域，如發(fā)電領(lǐng)域的風力發(fā)電和光伏發(fā)電中應(yīng)用儲能技術(shù)項目，配電領(lǐng)域儲能技術(shù)，電動汽車充放電技術(shù)等。

　　儲能技術(shù)主要的應(yīng)用方向有：①風力發(fā)電與光伏發(fā)電互補系統(tǒng)組成的局域網(wǎng)，用于偏遠地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電；②通信系統(tǒng)中作為不間斷電源和應(yīng)急電能系統(tǒng)；③風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)整；④作為大規(guī)模電力存儲和負荷調(diào)峰手段；⑤電動汽車儲能裝置；(作為國家重要部門的大型后備電源等。

　　隨著儲能技術(shù)的不斷進步，安全性好、效率高、清潔環(huán)保、壽命長、成本低、能量密度大的儲能技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，必將帶動整個電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　4促進大容量儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議

　　1)將儲能與新能源發(fā)展同步規(guī)劃。按照實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)安全運行和效率最優(yōu)的原則，在規(guī)劃新能源發(fā)電和電網(wǎng)輸送線路的同時，應(yīng)提出相應(yīng)的儲能解決方案，明確儲能發(fā)展的規(guī)模和建設(shè)區(qū)域等。

　　2)實施峰谷電價和儲能電價政策。峰谷電價在不同地區(qū)可有所差別，但應(yīng)盡量為電網(wǎng)削峰填谷和吸引儲能投資創(chuàng)造更大空間。

　　3)規(guī)范新能源發(fā)電技術(shù)要求與并網(wǎng)管理。國家應(yīng)出臺有關(guān)新能源并網(wǎng)的強制性技術(shù)標準，建立強制并網(wǎng)認證和檢測制度。實施新能源發(fā)電出力短期預(yù)測報告制度，提高短期預(yù)測能力和水平。電網(wǎng)公司對符合入網(wǎng)要求的電能應(yīng)及時全額接收，對電能質(zhì)量差、發(fā)電預(yù)測誤差大的新能源發(fā)電可選擇性接收，并建立相應(yīng)的懲罰機制。

　　4)鼓勵投資主體多元化。在理順投資回報機制、規(guī)范入網(wǎng)技術(shù)要求的前提下，應(yīng)鼓勵發(fā)電商、電網(wǎng)公司、用戶端、第三方獨立儲能企業(yè)等任何有條件的投資方投資建設(shè)儲能裝置。

　　5)加緊安排多個儲能示范項目。通過實施若干個儲能示范項目為儲能企業(yè)提供重要的工程實踐機會，為未來大規(guī)模應(yīng)用儲能技術(shù)積累技術(shù)數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗。在示范項目中，要結(jié)合考慮各類儲能技術(shù)的性能，在全面評價基礎(chǔ)上，根據(jù)具體用途選用合適的儲能技術(shù)。早期的示范項目可先與風力發(fā)電、光伏發(fā)電相結(jié)合，探索應(yīng)用于風力發(fā)電和光伏發(fā)電的儲能技術(shù)。

　　6)加大對大容量儲能技術(shù)的研發(fā)投入，鼓勵儲能技術(shù)多元化發(fā)展。儲能技術(shù)的研究應(yīng)超前于需求發(fā)展，不能等到出現(xiàn)瓶頸的時候再考慮加大投入，另外需進一步加大對儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入，鼓勵原始創(chuàng)新，掌握自主知識產(chǎn)權(quán)。應(yīng)將大規(guī)模儲能技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用列入國家科技重大專項。由于目前還沒有任何一項儲能技術(shù)完全勝任各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求，因此在重點扶持液流電池、鋰離子電池等關(guān)鍵技術(shù)的同時，也應(yīng)鼓勵和支持其他儲能技術(shù)發(fā)展。

　　5結(jié)語

　　儲能技術(shù)的應(yīng)用是堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，可以提高電力設(shè)備運行效率、降低供電成本，還可以作為促進可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。智能電網(wǎng)的構(gòu)建將促進儲能技術(shù)升級、推動儲能需求尤其是大規(guī)模儲能需求的快速增長，從而帶來相應(yīng)的投資機會。隨著儲能技術(shù)的大量應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)度、控制方面帶來變革。

　　儲能技術(shù)關(guān)系到國計民生，具有越來越重要的經(jīng)濟價值和社會價值，國家應(yīng)該盡快研究儲能技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)標準，加強儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入，切實鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，掌握自主知識產(chǎn)權(quán)；從規(guī)模儲能技術(shù)發(fā)展起始階段就重視環(huán)境因素，防治環(huán)境污染；充分發(fā)揮儲能在節(jié)能減排方面的作用，把對新能源的鼓勵政策延伸到儲能環(huán)節(jié)。