摘要：大規(guī)模儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)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(diǎn)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(xiàng)目組調(diào)研情況，對當(dāng)前儲能技術(shù)發(fā)展提出了建設(shè)性意見。

　　胡雪峰1,2，楊卓3，譚向宇4，王達(dá)達(dá)4，趙現(xiàn)平4，高亞靜2，田雷5，趙盛萍1

　　1華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明

　　2華北電力大學(xué)，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(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明

　　1.引言

　　目前，世界各國都在結(jié)合本國電網(wǎng)特點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的目標(biāo)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(jì)、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(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵因素，它通過在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)上增加儲能環(huán)節(jié)，在負(fù)荷低谷時將電能儲存起來，負(fù)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(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)定目標(biāo)，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(yīng)用前景，在削峰填谷、消納風(fēng)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(yīng)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(jī)械儲能、電磁儲能和化學(xué)儲能，其中機(jī)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(dǎo)儲能和超級電容儲能；化學(xué)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(fù)荷低谷電能富余時，將下游水庫的水抽到上游水庫保存;負(fù)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(dāng)前惟一廣泛采用的大規(guī)模能量存儲技術(shù)，世界總裝機(jī)容量已超過150,000MW;缺點(diǎn)是其受地理?xiàng)l件、轉(zhuǎn)化效率等方面的制約較大，響應(yīng)時間是分鐘級，應(yīng)對電網(wǎng)負(fù)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(yùn)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(jī)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(guān)技術(shù)研發(fā)的投入，在建裝機(jī)容量達(dá)到12,040MW，居世界第一，2020年我國抽水蓄能電站總裝機(jī)容量將達(dá)到約6000萬kW。我國單機(jī)最大的浙江仙居抽水蓄能電站于2010年12月開工建設(shè)，將安裝4臺單機(jī)37.5萬kW的機(jī)組，預(yù)計(jì)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(jì)劃課題“大規(guī)模風(fēng)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(jìn)一步促進(jìn)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(fù)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(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲能燃料消耗比調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)組可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)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(jì)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(jī)容量達(dá)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(jìn)行研究。華北電力大學(xué)等國內(nèi)高校正在進(jìn)行壓縮空氣系統(tǒng)熱力性能計(jì)算及其經(jīng)濟(jì)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　2.3.飛輪儲能

　　飛輪儲能的原理是將電能通過電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部負(fù)載。飛輪儲能的主要優(yōu)點(diǎn)是高充放電率，高循環(huán)次數(shù)，響應(yīng)速度快，無污染，維護(hù)簡單，壽命一般為20年;缺點(diǎn)是成本高、能量密度較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)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(qiáng)度碳素纖維技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲能技術(shù)近年來發(fā)展迅速。文獻(xiàn)[9-11]介紹，國際先進(jìn)的飛輪儲能系統(tǒng)儲能效率已經(jīng)達(dá)到了99.4%，可儲能100kWh。2004年，巴西實(shí)現(xiàn)了利用超導(dǎo)與永磁懸浮軸承的飛輪儲能，用于電壓補(bǔ)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(dāng)前世界最先進(jìn)的碳纖維復(fù)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(chǔ)研究及小容量試點(diǎn)。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(jìn)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(shè)備維護(hù)工作量小、高度智能化等優(yōu)點(diǎn)，可配合新能源并網(wǎng)，可作應(yīng)急電源，亦可小范圍孤網(wǎng)運(yùn)行[12-14]。

　　根據(jù)所用化學(xué)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(diǎn)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(diǎn)，但是其同樣具有污染性;鈉硫電池比能量高，可實(shí)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(yīng)、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(fù)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(fēng)電場功率波動的示范應(yīng)用，目前世界上運(yùn)行的最大鋰離子儲能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的，裝機(jī)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(yùn)營的容量為4MW的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2MW的風(fēng)電場提供儲能，并已運(yùn)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(dǎo)磁儲能

　　超導(dǎo)儲能裝置利用超導(dǎo)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(fù)載。功率輸送時不需要能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快、綜合效率高和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)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(dǎo)材料實(shí)用化發(fā)展迅速，促進(jìn)了超導(dǎo)儲能的研發(fā)和應(yīng)用。但是，要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲能的大規(guī)模應(yīng)用，還需要提高超導(dǎo)體的臨界溫度，研制出力學(xué)性能和電池性能良好的超導(dǎo)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(dǎo)磁儲能裝置已形成產(chǎn)品，100MJ超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)已投入高壓輸電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，5GWh超導(dǎo)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(jì)劃啟動了高溫超導(dǎo)輸電電纜、限流器、變壓器以及高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目，取得了良好的進(jìn)展。2005年11月，我國第一臺直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)在華中科技大學(xué)系統(tǒng)動模實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了動模試驗(yàn)運(yùn)行[18,19]。