【正文】 儲能技術在堅強智能電網建設中的作用華光輝，赫衛(wèi)國，趙大偉，張新龍，汪春（國網電力科學研究院，南京 210003）摘 要：結合我國實際情況，闡述了儲能技術在堅強智能電網中的作用、儲能技術原理、常用的儲能技術及發(fā)展狀況，指出了我國儲能產業(yè)的發(fā)展前景，并提出了促進大容量儲能產業(yè)發(fā)展的政策建議。關鍵字：儲能技術；堅強智能電網；發(fā)展前景；政策建議0 引 言電能的廣泛應用被認為是20世紀人類最偉大的成就之一，它帶來了人類歷史上的第二次工業(yè)革命，給世界帶來了翻天覆地的變化。電能的應用已逐步深入到國民經濟、工農業(yè)生產、人民生活的各個方面，成為人類社會賴以生存的物質基礎，電力工業(yè)也成為國家最重要的基礎產業(yè)之一[1]。電力生產過程是連續(xù)進行的，發(fā)輸變配用電必須時刻保持平衡，要求生產與消費同時完成，瞬間的不平衡就有可能導致安全穩(wěn)定問題。然而電網中用戶對電力的需求在白天和黑夜、不同的季節(jié)之間存在較大的差別，這使得電力系統(tǒng)必須留有很大的備用容量，系統(tǒng)設備運行效率低。應用儲能技術可以達到削峰填谷、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的作用。另外，隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益擴大和分布式發(fā)電技術的不斷發(fā)展，電力儲能系統(tǒng)的重要性也日益凸顯[2]。儲能技術的應用是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產模式基礎上增加一個“存儲”電能的環(huán)節(jié)，使得原來幾乎完全“剛性”的系統(tǒng)變得“柔性”起來，電網運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。因此有人將儲能技術譽為電力生產過程中的“第六環(huán)節(jié)”，電力儲能技術的應用前景非常廣闊。1 儲能技術在堅強智能電網中的作用儲能技術是構建堅強智能電網的重要環(huán)節(jié)。我國當前電網運營面臨著最高用電負荷持續(xù)增加、間歇式可再生能源接入比例不斷擴大、調峰手段有限等諸多挑戰(zhàn)；而優(yōu)質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標，儲能技術尤其大規(guī)模儲能技術具備的諸多特性得以在發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)得到廣泛應用，可以說儲能環(huán)節(jié)是構建智能電網及實現目標不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)。儲能技術的應用可以改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的思維方式，幫助人們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。傳統(tǒng)的PSS通過發(fā)電機附加勵磁控制可以有效地抑制系統(tǒng)發(fā)生的局部振蕩，但是對于大型復雜互聯電力系統(tǒng)中出現的區(qū)域間多模式低頻振蕩問題，最有效控制點可能位于遠離發(fā)電機組的某條輸電線路上，而PSS必須通過發(fā)電機組的勵磁控制才能起作用，遠離系統(tǒng)的最有效控制部位，常常難以達到滿意的控制效果。儲能技術的應用可以為這個問題的解決提供一條非常簡捷有效的途徑。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速度足夠快，就可以實現任何情況下系統(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。由于這種電力系統(tǒng)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，由于這種控制裝置所產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)變化對控制器控制效果的影響，因此裝置的參數整定非常容易，控制器對于系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的魯棒性也非常好[34]。化石能源的使用還會帶來嚴重環(huán)境污染，并使氣候異常。能源供應不足已成為全球經濟發(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)替代新能源和儲能技術，減少人類對化石資源的依賴，已成為業(yè)界和科技界研究的熱門課題。在可再生能源中，特別引起業(yè)界關注的是風能和太陽能。一是來源豐富，取之不盡、用之不竭，二是它們在利用過程中無環(huán)境污染或污染很小。但是它們也存在共同的缺陷，即間歇性、不穩(wěn)定性和不可控性，為保證供電的均衡和連續(xù)，儲能成為風光發(fā)電系統(tǒng)的關鍵配套部件[5]。因此，在利用太陽能和風能的同時，必須重視儲能技術的開發(fā)。近年來，特別是在《可再生能源法》出臺之后，我國風電和太陽能光伏產業(yè)發(fā)展速度驚人，業(yè)內專家表示，中國大規(guī)模發(fā)展新能源仍存在技術瓶頸，主要是因為風電、太陽能發(fā)電的接入技術、發(fā)電的間歇性問題需要成熟的儲能技術加以解決。能源局《我國風電發(fā)展情況調研報告》指出，隨著風電裝機容量迅速增加，風電并網對電能質量和電力系統(tǒng)運行安全的影響已初步顯現，目前部分地區(qū)規(guī)模并網的風電機組已經對電網系統(tǒng)電壓、頻率和穩(wěn)定性等產生了影響。因此，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量。當今社會對能源和電力供應的質量與安全可靠性要求越來越高，傳統(tǒng)的大電網供電方式由于自身的缺陷已經不能滿足這種要求。在大型互聯電力系統(tǒng)中，局部事故易擴散，而且集中式大電網不能靈活跟蹤電力負荷的變化。目前，大電網與分布式發(fā)電相結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、提高系統(tǒng)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[6]。分布式發(fā)電是指直接布置在配電網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存配電網的經濟運行。分布式發(fā)電包括微型燃氣輪機、燃料電池、可再生能源如太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等?；谙到y(tǒng)穩(wěn)定性和經濟性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數量的電能，用以應付突發(fā)事件。隨著電力電子學、材料學等學科的發(fā)展，現代儲能技術已經得到了一定程度的發(fā)展，在分布式發(fā)電中已經起到了重要作用。比如：改善電能質量、維持系統(tǒng)穩(wěn)定；在分布式電源不能發(fā)電期間向用戶提供電力；提高分布式發(fā)電單元擁有者的經濟效益。電動汽車以電為動力，能夠實現運行時“零排放”、噪音低，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。隨著石油資源日趨緊張，節(jié)能減排壓力的不斷增大，電池技術不斷發(fā)展，電動汽車的經濟性能的不斷地提高，以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并已經成為普遍共識[7]。近年來，我國電動汽車發(fā)展呈加速趨勢，國家科技部、財政部、工信部等部委紛紛出臺政策鼓勵電動汽車應用，各地方政府也紛紛出臺配套措施。堅強智能電網的建設將大大促進電動汽車的發(fā)展。堅強智能電網包括建成完善的電動汽車配套充放電基礎設施網絡，形成科學合理的電動汽車充放電站布局，充放電站基礎設施滿足電動汽車行業(yè)發(fā)展和消費者的需要，電動汽車與電網的高效互動得到全面應用。電動汽車的發(fā)展，將進一步開拓售電市場，提高電能占終端能源消費的比重；通過峰谷電價差等政策引導用戶采用適當的的充電模式（夜間充電、白天使用），積極開發(fā)V2G（Vehicle to Grid，即車輛到電網）技術，降低需求側峰谷差，提高電力供需平衡和電力設備負荷效率，從而創(chuàng)造巨大的經濟效益。然而與傳統(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。其中儲能技術是阻礙電動汽車產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，儲能技術的發(fā)展必將帶動電動汽車產業(yè)的更大發(fā)展。2儲能技術原理與常用的儲能方式儲能系統(tǒng)一般由兩大部分組成：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接入裝置。儲能裝置主要實現能量的儲存、釋放或快速功率交換。電網接入裝置主要實現以下功能：(1)充放電控制；(2)交流直流雙向變換、直流直流變換；(3)功率調節(jié)和控制；(4)運行參數檢測和監(jiān)控；(5)安全防護等。電網接入裝置實現儲能裝置與電網之間的能量雙向傳遞與轉換，實現電力調峰、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[89]。儲能系統(tǒng)的容量范圍寬，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)模電力儲能技術的研究和應用才剛剛起步，是一個全新的課題，也是國內外研究的一個熱點。全球儲能技術主要有物理儲能（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[8]。物理儲能中最成熟也是世界應用最普遍的是抽水蓄能，主要用于電力系統(tǒng)的調峰、填谷、調頻、調相、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，其能量轉換效率在7085%之間。抽水蓄能電站的建設周期長而且受地形限制，當電站距離用電區(qū)域較遠時輸電損耗較大。壓縮空氣技術早在1978年就實現了應用，但由于受地形、地質條件制約，沒有大規(guī)模推廣。飛輪蓄能利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化為機械能存儲起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。飛輪蓄能的特點是壽命長、無污染、維護量小，但能量密度較低，一直是作為蓄電池系統(tǒng)的補充[10]。化學儲能種類比較多，技術發(fā)展水平和應用前景也各不相同。蓄電池儲能是目前最成熟、最可靠的儲能技術，根據所使用化學物質的不同，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電源系統(tǒng)，已在小型風力、光伏發(fā)電獨立系統(tǒng)以及中小型分布式發(fā)電獲得廣泛應用，但鉛是重金屬污染源，鉛酸電池不是未來的發(fā)展趨勢。鋰離子、鈉硫、氫鎳電池等先進蓄電池成本較高，大容量儲能技術還不成熟，產品的性能目前尚無法滿足儲能的要求，其經濟性也無法實現商業(yè)化運營。大規(guī)模燃料電池投資大、價格高，循環(huán)轉換效率較低，目前尚不宜作為商業(yè)化的儲能系統(tǒng)。液流儲能電池系統(tǒng)具有能量轉換效率較高，運行、維護費用低等優(yōu)點，是高效、大規(guī)模并網發(fā)電儲能、調節(jié)的首選技術之一。液流儲能技術早已在美國、德國、日本和英國等發(fā)達國家示范性應用，我國目前尚處于研究開發(fā)階段。超級電容器是上世紀80年代興起的一種新興儲能器件，由于使用特殊材料制作電極和電解質，這種電容器的存儲容量是普通電容器的201000倍，同時又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量速度快的優(yōu)點，目前已經不斷應用于諸如高山氣象站、邊防哨所等電源供應場合[1113]。超導磁儲能系統(tǒng)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換，具有響應速度快，轉換效率高、比容量／比功率大等優(yōu)點，可以充分滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。和其它儲能技術相比，超導電磁儲能仍很昂貴，除了超導本身的費用外，維持系統(tǒng)低溫導致維修頻率提高以及產生的費用也相當可觀。目前，在世界范圍內有許多超導磁儲能工程正在運行或者處于研制階段。各種儲能技術的發(fā)展程度、系統(tǒng)規(guī)模及應用環(huán)節(jié)比較如圖1所示，各種儲能技術綜合比較如表1所示[8]。圖1 儲能技術的發(fā)展程度、系統(tǒng)規(guī)模及應用環(huán)節(jié)比較表1 儲能技術綜合比較儲能技術優(yōu) 點缺 點應用方向抽水蓄能大容量、低成本場地要求特殊、建設周期長削峰填谷、調頻調相、系統(tǒng)備用、黑啟動壓縮空氣儲能大容量、低成本場地要求特殊削峰填谷、調頻調相、系統(tǒng)備用、黑啟動飛輪蓄能技術成熟能量密度較低調峰、頻率控制、UPS、電能質量調節(jié)等鉛酸電池投資低、建設快壽命低、有污染電能質量、可靠性、頻率控制、黑啟動、UPS鋰電池大容量、高密度、高效率成本高各種應用鈉硫電池大容量、高密度、高效率成本高、安全隱患各種應用液流電池大容量、長壽命能量密度較低電能質量、可靠性、頻率控制、削峰填谷、能量管理超級電容器長壽命、高效率能量密度較低電能質量、輸配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、脈沖功率超導電磁儲能大容量成本高UPS、電能質量、輸配電系統(tǒng)穩(wěn)定性3儲能產業(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、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)展和對電力質量要求的不斷提高，儲能技術應用前景廣闊。國家電網公司近期確定的智能電網重點投資領域中包括了大量儲能應用領域，如發(fā)電領域的風光儲項目，配電領域儲能技術，電動汽車充放電技術等。儲能技術主要的應用方向有：風電與光伏互補系統(tǒng)組成的局域網，用于偏遠地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電；通信系統(tǒng)中作為不間斷電源和應急電能系統(tǒng)；風能和光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網電能質量調整；電力公司作為大規(guī)模電力存儲和負載調峰手段；電動汽車儲能裝置；國家重要部門作為大型后備電源等。隨著儲能技術的不斷進步，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將不斷涌現，必將帶動整個行業(yè)產業(yè)鏈的快速發(fā)展，創(chuàng)造巨大的經濟效益和社會效益。4促進大容量儲能產業(yè)發(fā)展的政策建議（一）將儲能與新能源發(fā)展同步規(guī)劃 按照實現整個電網系統(tǒng)安全運行和效率最優(yōu)的原則，在規(guī)劃新能源發(fā)電和電網輸送線路的同時，應提出相應的儲能解決方案，明確儲能發(fā)展的規(guī)模和建設區(qū)域等。 （二）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，但應盡量為電網削峰填谷和吸引儲能投資創(chuàng)造更大空間。 （三）規(guī)范新能源發(fā)電技術要求與并網管理 國家應出臺有關新能源并網的強制性技術標準，建立強制并網認證和檢測制度。實施新能源發(fā)電出力短期預測報告制度，提高短期預測能力和水平。完善全額收購制度，電網公司對符合入網要求的電能應及時全額接收，對電能質量差、發(fā)電預測誤差大的新能源發(fā)電可選擇性接收，并建立相應的懲罰機制。 （四）鼓勵投資主體多元化在理順投資回報機制、規(guī)范入網技術要求的前提下，應鼓勵發(fā)電商、電網公司、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儲能裝置。 （五）加緊安排多個儲能示范項目要通過實施若干個儲能示范項目為本國儲能企業(yè)提供重要的工程實踐機會，為未來大規(guī)模應用積累技術數據和運行經驗。在示范項目中，要結合考慮各類儲能技術的性能，在全面評價基礎上，根據具體用途選用合適的儲能技術。早期的示范項目可先與風電、太陽能發(fā)電相結合，探索風光儲一體化模式。電網公司是示范項目的重要組織者和建設者，國家主管部門應要求并支持電網公司組織多個示范項目。需要進一步明確的是，示范項目的技術來源應以本國企業(yè)為主，主要支持本國自主技術發(fā)展，不能在示范過程中用財政補貼去變相支持國外零部件商或整機廠。（六）加大對大容量儲能技術的研發(fā)投入，鼓勵儲能技