駱妮，李建林

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市昌平區(qū)102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市海淀區(qū)100192）

近幾十年來，電能存儲(chǔ)技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。電能的存儲(chǔ)是伴隨著電力工業(yè)發(fā)展一直存在的問題，其實(shí)到現(xiàn)在為止也沒有一種非常完美的儲(chǔ)能技術(shù)，但經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，一些比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用。儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)有很多，節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。比如火電廠要求以額定負(fù)荷運(yùn)行，以維持較高的能源轉(zhuǎn)換效率和品質(zhì)，但用電量卻隨時(shí)間變化，如果有大容量、高效率的電能存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰，對(duì)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能是至關(guān)重要的。另外，由于分布式發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比例越來越高，基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲(chǔ)一定數(shù)量的電能，用以應(yīng)付突發(fā)事件。隨著電力電子學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)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。

在新能源技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，如果能在風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等新能源發(fā)電設(shè)備中都配備有儲(chǔ)能裝置，首先，通過儲(chǔ)能元件對(duì)機(jī)組的出力曲線進(jìn)行調(diào)整，可以解決新能源發(fā)電自身出力隨機(jī)性、不可控的問題，減小新能源出力變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊；其次，可以在電力充沛時(shí)儲(chǔ)存電能，在負(fù)荷高峰時(shí)釋放電能，達(dá)到削峰填谷、減少系統(tǒng)備用需求的作用[1]。儲(chǔ)能與大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合是可再生能源的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的作用是在風(fēng)力強(qiáng)時(shí)，除了通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向負(fù)荷供電外，將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量在儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存起來在風(fēng)力弱或無風(fēng)時(shí)，再將儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)荷供電。通過對(duì)來自可再生能源的電能的儲(chǔ)存與釋放，將會(huì)使廉價(jià)的不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高價(jià)值的產(chǎn)品。此外，電網(wǎng)負(fù)荷有高峰和低谷特性，電力系統(tǒng)的負(fù)荷有峰有谷，用電能儲(chǔ)存系統(tǒng)調(diào)節(jié)電力負(fù)荷很有必要。尤其在風(fēng)力發(fā)電廠，由于風(fēng)有時(shí)候起，有時(shí)候停，所以高效、安全、可行性高的儲(chǔ)能方法和裝置對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場顯得尤為重要[2-3]。

此外，電池儲(chǔ)能技術(shù)為解決電力供應(yīng)鏈的燃料、發(fā)電、輸電、配電和用電等問題、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展提供了全新的途徑。近年來隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施，儲(chǔ)能已經(jīng)逐漸成為電力生產(chǎn)的第六環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照存儲(chǔ)具體方式可分為機(jī)械、電化學(xué)、電磁、和熱力儲(chǔ)能四大類型。其中機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鎳氫、鎳隔、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能；熱力儲(chǔ)能包括熔鹽儲(chǔ)能和熱電儲(chǔ)能等。本文介紹幾種典型儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)以及各自的國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)。

1.1 抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應(yīng)用的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。抽水蓄能電站比鋰離子電池有更好的投資效益比。因?yàn)殇囯x子電池的價(jià)格現(xiàn)在仍然比較貴。從蓄能的觀點(diǎn)看，抽水蓄能電池也許比鋰離子蓄能電池在充放電過程中要多損失一些能量。鋰離子電池的充放電效率可以做到90%、85%，抽水蓄能可能是80%，也許75%。但是抽水蓄能電站不僅可以吸收光伏發(fā)電加風(fēng)電發(fā)出的電力，而且可以多接收來自天空的“天落水”增加發(fā)電能力。所以抽水儲(chǔ)能的“蓄能”效益，實(shí)際上比鋰離子還高。抽水蓄能電站和太陽能、風(fēng)能相結(jié)合，專門保證高峰用電的供應(yīng)，從電力的調(diào)配上最為合理。因?yàn)樗馨l(fā)電的最大優(yōu)勢，在于要發(fā)電就發(fā)電，不發(fā)電就不發(fā)電，啟動(dòng)和關(guān)閉閘門都比較容易。目前，全世界共有超過90 GW的抽水儲(chǔ)能機(jī)組投入運(yùn)行，約占全球總裝機(jī)容量的3%，但限制抽水蓄能電站更廣泛應(yīng)用的重要制約因素是地理位置受限程度大，建設(shè)工期長，工程投資較大。

我國抽水蓄能電站面臨高速發(fā)展契機(jī)。目前，我國已建成抽水蓄能電站20余座，占全國總裝機(jī)容量的1.73%。而一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機(jī)占比在5%～10%水平，其中日本2006年抽水蓄能裝機(jī)占比即已經(jīng)超過10%。我國抽水蓄能電站目前占比明顯偏低，隨著國內(nèi)核電及大型火電機(jī)組的投建，近年來國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)明顯加速。目前在建規(guī)模達(dá)到約1 400萬kW，擬建和可行性研究階段的抽水蓄能電站規(guī)劃規(guī)模分別達(dá)到1 500萬kW和2 000萬kW，如果以上項(xiàng)目順利投產(chǎn)，2020年我國抽水蓄能電站總裝機(jī)容量將達(dá)到約6 000萬kW。典型的抽水儲(chǔ)能示范工程有惠州抽水儲(chǔ)能電站、十三陵抽水儲(chǔ)能電站等。惠州抽水儲(chǔ)能電站是目前我國最大的抽水儲(chǔ)能示范工程，裝機(jī)容量為2 400 MW，年發(fā)電量45.62億度，抽水耗電量60.03億kW·h。十三陵蓄能電廠是華北電網(wǎng)最大的抽水蓄能電廠，建在風(fēng)景秀麗的十三陵水庫旁，北京市中心30余km，共裝有4臺(tái)200 MW混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，為華北電網(wǎng)提供可靠的調(diào)頻、調(diào)峰、緊急事故備用電力，為保證首都的政治供電發(fā)揮很重要的作用。

1.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能的原理是電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)物體的機(jī)械能，然后進(jìn)行能量存儲(chǔ)。在儲(chǔ)能階段，通過電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；在能量釋放階段，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使飛輪減速，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪系統(tǒng)運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，其特點(diǎn)是沒有摩擦損耗、風(fēng)阻小、壽命長、對(duì)環(huán)境沒有影響，幾乎不需要維護(hù)，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障，是目前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。缺點(diǎn)是能量密度比較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)用很高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，主要應(yīng)用于為蓄電池系統(tǒng)作補(bǔ)充。在美國，10年前現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣，風(fēng)險(xiǎn)投資的大量介入，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)獲得了成功應(yīng)用。風(fēng)電、太陽能發(fā)電本身所固有的隨機(jī)性、間歇性特點(diǎn)，決定了其范圍化成長必定會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和體系平安運(yùn)轉(zhuǎn)帶來明顯影響，必需要有先進(jìn)的儲(chǔ)能手藝作支持。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展到一定程度后，能在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問題，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風(fēng)電和太陽能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)，減少溫室氣體排放。

目前，已經(jīng)開發(fā)出大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并應(yīng)用于航空以及UPS領(lǐng)域以Beacon Power為領(lǐng)先水平的研究機(jī)構(gòu)正在致力于飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便將其用于長過程儲(chǔ)能服務(wù)（多達(dá)幾個(gè)小時(shí)），同時(shí)降低其商用成本。已有2 kW/6 kW·h的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于通信設(shè)備供電，采用飛輪組（flywheel Farm Approach）可以實(shí)現(xiàn)輸出功率為兆瓦級(jí)、持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時(shí)的儲(chǔ)能裝置。機(jī)械式飛輪系統(tǒng)也已形成系列產(chǎn)品，如Active Power公司CleanSource系列、Pentadyne公司AvSS系列、Beacon Power公司的25 MW系列。隨著新材料的應(yīng)用和能量密度的提高，其下游應(yīng)用逐漸成長，處于產(chǎn)業(yè)化初期[4]。

1.3 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣技術(shù)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮的空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電[5-6]。壓縮空氣蓄能電站有許多優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)電網(wǎng)負(fù)荷率，提高了經(jīng)濟(jì)性，使系統(tǒng)中大型發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)減小，提高了可靠性。和抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲(chǔ)能站址選擇靈活，不需建造地面水庫，地形條件容易滿足。壓縮機(jī)由電網(wǎng)供電的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此汽輪機(jī)的輸出功率全部用于發(fā)電，其發(fā)電功率是常規(guī)燃汽輪機(jī)電站的3倍。同時(shí)由于大量能量儲(chǔ)存在空氣和燃料中，與抽水蓄能電站相比，有很高的能量密度。壓縮空氣蓄能電站在壓縮空氣瞬間即可使用，在無照明的條件下也可以啟動(dòng)而且啟動(dòng)快，3分鐘即可從空載達(dá)到額定出力，提高了系統(tǒng)的靈活性，適于作旋轉(zhuǎn)備用。壓縮空氣蓄能電站可以積木式地組裝，可以實(shí)現(xiàn)模塊化。一座220 MW的電站可用25～50 MW的小型壓縮空氣蓄能電站積木式地逐年擴(kuò)建發(fā)展。最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)建于德國。另一個(gè)成功案例是1991年建于美國亞拉巴馬州的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，它把壓縮空氣儲(chǔ)存在地下450 m的廢鹽礦中，可以為110 MW的汽輪機(jī)連續(xù)提供26 h的壓縮空氣。壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)受地形制約，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。目前隨著分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)于8～12 MW微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)開始關(guān)注。

2009年壓縮空氣儲(chǔ)能被美國列入未來10大技術(shù)，德、美等國有示范電站投入運(yùn)營，如1978年德國亨托夫投運(yùn)的290 MW的壓縮空氣蓄能電站，美國電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）研發(fā)的220 MW的壓縮空氣蓄能電站?？傮w而言，目前尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性有待觀察。

1.4 鈉硫電池儲(chǔ)能

鈉硫電池在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫（S）；負(fù)極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池具有許多特色之處：一是比能量高，其理論比能量為760 Wh/kg，實(shí)際已大于100 Wh/kg；二是可大電流、高功率放電；三是充放電效率高，充放電電流效率幾乎100%。太陽能、風(fēng)能等新能源潔凈無污染，但由于受到地理，時(shí)間，天氣等因素影響，發(fā)電功率很不穩(wěn)定。給整個(gè)電網(wǎng)帶來不期而至的“洪峰”。鈉硫電池作為一種儲(chǔ)能電池。它的“蓄洪”性能非常優(yōu)異，它可以承受超過額定功率5~10倍的電流，在用電高峰時(shí)，可以將儲(chǔ)存的電能以穩(wěn)定的功率釋放到電網(wǎng)中。鈉硫儲(chǔ)能電池更大的作用還在于為整個(gè)電網(wǎng)“削峰填谷”。通過“削峰填谷”，可使每噸標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)的電多利用100度，可帶來經(jīng)濟(jì)效益480元。以上海市為例，預(yù)計(jì)到2015年，電網(wǎng)峰谷差可達(dá)16 000 MW，即使只將20%的“谷電”存儲(chǔ)起來，用于高峰時(shí)段，其經(jīng)濟(jì)效益就超過70億元。然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫，有一定安全隱患。

鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對(duì)成熟的儲(chǔ)能電池。其壽命可以達(dá)到使用10～15年。日本東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)開發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位，2002年開始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，2004年在Hitachi自動(dòng)化系統(tǒng)工廠安裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量是9.6 MW/57.6 MW·h。2007年日本年產(chǎn)鈉硫電池量已超過100 MW，開始向海外輸出。在國內(nèi)，國家電網(wǎng)公司同中科院上海硅酸鹽研究所合作，2008年完成電池模塊的研制，2009年攻關(guān)百千瓦級(jí)儲(chǔ)能設(shè)備，2010年實(shí)現(xiàn)世博會(huì)示范應(yīng)用，到2011年進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。該項(xiàng)技術(shù)極有可能成為首批電化學(xué)儲(chǔ)能電站的應(yīng)用技術(shù)。

1.5 鋰離子電池儲(chǔ)能

鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膭?dòng)力電池體系。目前制約大容量鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用的最主要障礙是電池的安全性，即電池在過充、短路、沖壓、穿刺、振動(dòng)、高溫?zé)釠_擊等濫用條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全行為。其中，過充電是引發(fā)鋰離子電池不安全行為的最危險(xiǎn)因素之一。近年來鋰離子電池作為一種新型的高能蓄電池，它的研究和開發(fā)已取得重大進(jìn)展。但由于鋰離子電池是一個(gè)涉及化學(xué)、物理、材料、能源、電子學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，研制中還存在許多問題。運(yùn)用傳統(tǒng)的電化學(xué)研究方法結(jié)合現(xiàn)場、非現(xiàn)場的譜學(xué)方法等多種檢測手段，對(duì)鋰離子電池體系進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，將會(huì)有力地推動(dòng)鋰離子電池的研究和應(yīng)用。由于鋰離子電池具有重量輕、儲(chǔ)能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標(biāo)和主攻方向，全球已有20余家主流企業(yè)進(jìn)行車載鋰離子動(dòng)力電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機(jī)、NEC、東芝、美國江森自控公司等。能源的大規(guī)模儲(chǔ)存能力對(duì)于發(fā)展新能源至關(guān)重要，鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。首先，可以解決電網(wǎng)用電的峰谷調(diào)節(jié)難題；其次，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等清潔能源都是間斷性的能源，鋰電儲(chǔ)能設(shè)備配合上述清潔能源的使用，在發(fā)電時(shí)儲(chǔ)能，在間斷期間釋放能量，能有效地緩解我國能源緊缺的現(xiàn)狀。鋰離子電池將是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)市場前景最好，發(fā)展最快的一種二次電池。

1.6 液流電池儲(chǔ)能

液流電池的活性物質(zhì)可溶解分裝在兩大儲(chǔ)存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。此化學(xué)反應(yīng)為可逆的，因此可達(dá)到多次充放電的能力。此系統(tǒng)之儲(chǔ)能容量由儲(chǔ)存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積。由于兩者可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性大而且受設(shè)置場地限制小。液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，液流電池電化學(xué)極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實(shí)現(xiàn)快速充放電，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，全釩液流電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，能夠有效平滑風(fēng)能發(fā)電功率。在日本運(yùn)營的容量為4 MW的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2 MW的風(fēng)電場提供儲(chǔ)能，并已運(yùn)行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求[7]。

20世紀(jì)90年代初開始，英國Innogy公司即成功開發(fā)出系列多硫化鈉／溴液流儲(chǔ)能電堆，并建造了儲(chǔ)能電站，用于電站調(diào)峰和UPS。近十多年來，歐美日將與風(fēng)能／光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰?？梢哉f，以全釩液流電池為代表的液流電池在國外已經(jīng)買入產(chǎn)業(yè)化初期。國內(nèi)也做了一定的技術(shù)儲(chǔ)備，中科院電工所已經(jīng)完成100 kW級(jí)全釩液流電池系統(tǒng)部件研制與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，擬進(jìn)行示范工程實(shí)施；北京普能通過收購加拿大VRB Power公司成功獲得了國際領(lǐng)先的全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，目前正在國內(nèi)建設(shè)規(guī)模化生產(chǎn)基地。

1.7 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）利用超導(dǎo)體制成線圈儲(chǔ)存磁場能量，功率輸送時(shí)無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快（ms級(jí)），轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105 kW/kg）大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。目前，世界上1～5 MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100 MJ SMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行，5 GWh SMES已通過可行性分析和技術(shù)論證。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。和其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能仍很昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持系統(tǒng)低溫導(dǎo)致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費(fèi)用也相當(dāng)可觀[8]。

目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導(dǎo)磁儲(chǔ)能工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面開始發(fā)揮作用。

1.8 超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級(jí)電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成容量0.5～1 000 F、工作電壓12～400 V、最大放電電流400～2 000 A系列產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能量達(dá)30 MJ。但超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，目前，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作10年以上，因此超級(jí)電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級(jí)電容器安裝簡單，體積小，并可在各種環(huán)境下運(yùn)行（熱、冷和潮濕），現(xiàn)在已經(jīng)可為低功率水平的應(yīng)用提供商業(yè)服務(wù)。

各種儲(chǔ)能技術(shù)在其能量密度、功率密度和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)模等方面均具有不同的表現(xiàn)，而同時(shí)電力系統(tǒng)也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)各方面應(yīng)用提出了不同的技術(shù)要求，很少能有一種儲(chǔ)能技術(shù)可以完全勝任在電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。因此，必須兼顧雙方需求，選擇合適的儲(chǔ)能方式與電力應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)能否得到大規(guī)模應(yīng)用和推廣，首先應(yīng)該考慮基于該技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)成本、運(yùn)行及維護(hù)成本、運(yùn)行中安全和可靠性以及規(guī)模能力等因素，此外還需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)壽命、動(dòng)態(tài)性能和冗余調(diào)節(jié)能力等多方面因素。表1分別從額定功率、額定容量、特點(diǎn)及應(yīng)用場合方面詳細(xì)比較了抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能和鈉硫電池儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

表1 應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)比較Tab.1 Comparison of energy storage technology in electric power system

2 儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)靈活用電，互動(dòng)用電的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能化使用能源，解決能源危機(jī)的重要技術(shù)發(fā)展方向，也是發(fā)展智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)工作。因此，有必要開展先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展研究。

儲(chǔ)能技術(shù)目前在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括電力調(diào)峰、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高供電質(zhì)量等。能量存儲(chǔ)技術(shù)可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法。這種方法在早期的電力系統(tǒng)中已經(jīng)有所應(yīng)用，例如在19世紀(jì)后期紐約市的直流供電系統(tǒng)中，為了在夜間將發(fā)電機(jī)停下來，采用了鉛酸蓄電池為路燈提供照明用電。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，抽水儲(chǔ)能電站被用來進(jìn)行電網(wǎng)的調(diào)峰。抽水蓄能電站在夜晚或者周末等電網(wǎng)負(fù)荷較小的時(shí)間段，將下游水庫的水抽到上游水庫，在電網(wǎng)負(fù)荷峰值時(shí)段，利用上游水庫中的水發(fā)電，補(bǔ)充峰荷的需求。液流電池可以用于電站調(diào)峰和UPS，等等[9-11]。

總結(jié)起來，儲(chǔ)能裝置在電網(wǎng)中所發(fā)揮的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）削峰填谷

儲(chǔ)能發(fā)揮削峰填谷的作用，改善了電力系統(tǒng)的日負(fù)荷率，使發(fā)電設(shè)備的利用率大大提高，從而提高電網(wǎng)整體的運(yùn)行效率。電力生產(chǎn)過程的連續(xù)性，要求發(fā)、輸、變、配電和用電在同一瞬間完成，因此發(fā)電、供電、用電之間必須隨時(shí)保持平衡。并且，電力系統(tǒng)必須有一定的發(fā)電備用容量。電力的需求在白天和黑夜、不同季節(jié)間存在巨大的峰谷差，從建設(shè)成本資源保護(hù)的角度出發(fā)，通過新增發(fā)輸配電設(shè)備來滿足高峰負(fù)荷的需求變得越來越困難，用戶對(duì)供電的可靠性和調(diào)峰的要求也越來越高。如今，豐富的可再生能源和分布式資源卻得到越來越多的應(yīng)用，這些特點(diǎn)使得分散的儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性日益增加。如果能夠建立起既經(jīng)濟(jì)又反應(yīng)快速的調(diào)峰電站和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，以便將低谷電能轉(zhuǎn)化為高峰電能，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負(fù)荷調(diào)節(jié)的有效途徑，也是電力工業(yè)市場化的前提。同時(shí)，還可以減少電網(wǎng)對(duì)發(fā)電設(shè)備的投資，提高電力設(shè)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(jì)效益和社會(huì)效益[12-13]。

2）提供應(yīng)急電源，提高可靠性，改善電能質(zhì)量

在發(fā)生突發(fā)事故和電網(wǎng)崩潰時(shí)，為防止醫(yī)院、消防、通信、銀行等重要負(fù)荷區(qū)電力中斷，儲(chǔ)能設(shè)備將充當(dāng)不間斷電源/應(yīng)急電源，可為電網(wǎng)恢復(fù)爭取時(shí)間，避免損失擴(kuò)大。同時(shí)，可以借助于電力電子變流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無功控制，快速平衡系統(tǒng)中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率，減小擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，改善用戶電能質(zhì)量[14]。文獻(xiàn)[15]介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用，詳細(xì)給出超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在PSCAD下建模仿真說明了其在解決分布式發(fā)電電能質(zhì)量等問題方面有很好的效果。文獻(xiàn)[16]研究了采用DSTATCOM／BESS來提高電能質(zhì)量的問題，結(jié)果表明，該儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)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(dòng)性，改善電壓暫降、電壓電流波形畸變及閃變等，適用于解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器的串并聯(lián)混合型補(bǔ)償方案，該方案通過并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與系統(tǒng)的功率交換以平滑風(fēng)電輸出功率，通過串聯(lián)系統(tǒng)有效改善供電電壓可靠性，抑制電壓暫降。

3）一次調(diào)頻，改善電網(wǎng)特性

將儲(chǔ)能設(shè)備與先進(jìn)的電能轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的快速控制，改善電網(wǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性[18]。儲(chǔ)能裝置具有轉(zhuǎn)換效率高且動(dòng)作快速的特點(diǎn)，能夠與系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行有功、無功的交換。因此，儲(chǔ)能裝置可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡(luò)線功率流動(dòng)。研究表明，儲(chǔ)能裝置的投入可以有效改善系統(tǒng)頻率，解決旋轉(zhuǎn)備用不足的問題。文獻(xiàn)[11]以風(fēng)能為例，提出將風(fēng)能等可再生能源作為超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）裝置的充電電源，為可再生能源的使用提出一個(gè)新的思路。SMES裝置具有轉(zhuǎn)換效率高且動(dòng)作快速的特點(diǎn)，能夠與系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行有功、無功的交換。因此，SMES裝置可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡(luò)線功率流動(dòng)。仿真結(jié)果證明，SMES裝置的投入可以有效改善系統(tǒng)頻率，解決旋轉(zhuǎn)備用不足的問題。文獻(xiàn)[19]研究了采用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)改善頻率穩(wěn)定性問題，仿真結(jié)果表明，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在文中既定的條件下使得系統(tǒng)的最大頻率偏差降低，有效改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，且超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越大系統(tǒng)頻率偏差越小。

4）滿足可再生能源系統(tǒng)的需要

受自然條件限制，可再生能源發(fā)電具有很大的隨機(jī)性，直接并入電網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的沖擊，增加系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。因此，通過研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電、光伏發(fā)電機(jī)組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。儲(chǔ)能技術(shù)將在平抑、穩(wěn)定風(fēng)能發(fā)電或太陽能發(fā)電的輸出功率和提升新能源的利用價(jià)值方面發(fā)揮重要作用。風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電設(shè)備的輸出功率會(huì)隨環(huán)境因素變化，儲(chǔ)能裝置可以及時(shí)地進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放，保證供電的持續(xù)性和可靠性。在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的變化會(huì)使原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降。應(yīng)用儲(chǔ)能裝置是改善發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時(shí)增加了分布式發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)的饋電，并可以提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。而一些可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，受環(huán)境因素的影響較大，因此無法制訂特定的發(fā)電規(guī)劃。如果配置能量儲(chǔ)存裝置，就可以在特定的時(shí)間提供所需的電能，而不必考慮此時(shí)發(fā)電單元的發(fā)電功率，只需按照預(yù)先制定的發(fā)電規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。文獻(xiàn)[20-23]分別研究了超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑風(fēng)電場有功輸出的性能及相關(guān)控制策略，結(jié)果表明，超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效改善風(fēng)電輸出功率及系統(tǒng)的頻率波動(dòng)。文獻(xiàn)[24，25]針對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)了附加頻率控制環(huán)節(jié)，分別通過對(duì)轉(zhuǎn)子和風(fēng)輪機(jī)的附加控制，使得DFIG對(duì)系統(tǒng)的一次調(diào)頻有所貢獻(xiàn)。針對(duì)這些控制方案將降低風(fēng)電機(jī)組效率的缺陷，文獻(xiàn)[26]提出了采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行，通過對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制，實(shí)現(xiàn)平滑風(fēng)電輸出功率、參與電網(wǎng)頻率控制的雙重目標(biāo)，并通過仿真驗(yàn)證了方案的可行性。

3 結(jié)語

綜述了世界范圍內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)，包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能、鋰離子電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等，介紹了各種儲(chǔ)能技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及儲(chǔ)能技術(shù)在提高可再生能源利用率以及電力系統(tǒng)各個(gè)方面的應(yīng)用前景。儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)解決電力系統(tǒng)的供電壓力，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量提供了新的思路和有效的技術(shù)支持。也正因?yàn)槿绱?，目前世界各國，特別是發(fā)達(dá)的國家，都在積極開展各方面的儲(chǔ)能研究，并將其用于電力系統(tǒng)的實(shí)際。我們應(yīng)該充分利用我國電力工業(yè)大發(fā)展的良好機(jī)遇，積極開展這一領(lǐng)域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。

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