張建興，張 宇，曹智慧，陳世峰

（1.許繼電源有限公司，許昌 461000；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074；3.上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437）

風能和太陽能等可再生能源發(fā)電、燃氣分布式電源、充電式電動汽車等新能源技術已成為我國能源領域的發(fā)展重點，這些新能源技術的推廣應用必須有電網(wǎng)的支持，但是這些新能源設備的運行都具有不穩(wěn)定和不連續(xù)，并網(wǎng)運行會給電網(wǎng)運行的安全和調(diào)度帶來很大的負面影響。采用儲能技術可以彌補新能源發(fā)電的隨機性、波動性，并實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電更安全更可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)；同樣儲能技術也可以解決電動汽車充電的隨機性、波動性問題，有效調(diào)節(jié)電動汽車充電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，為新能源汽車的大規(guī)模推廣提供基礎。儲能技術還可以將電網(wǎng)在負荷低谷時的電力儲存起來到電網(wǎng)負荷高峰時放電，緩解目前電網(wǎng)目前面臨的電力供應巨大的峰谷差壓力?？傊畠δ芗夹g可以提高電網(wǎng)設備的利用效率，減少備用電廠的建設，為國家節(jié)約輸配電設備巨額投資。

1 大規(guī)模電池儲能技術簡介

大規(guī)模儲能技術主要有物理儲能、電磁儲能（包括超導儲能等）和化學電池儲能三大類，其中化學電池儲能技術比較成熟，是目前大規(guī)模儲能領域的主要研究和應用方向。目前適合作為大規(guī)模儲能的蓄電池有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和礬液流電池等。其中鉛酸電池的應用較早，并且技術成熟、價格低廉、安全可靠，但是使用壽命較短、功率密度低、運行維護費用高，很難滿足大規(guī)模儲能發(fā)展的要求，特別是鉛酸電池的制造、使用和報廢回收都可能造成環(huán)境污染，因此進一步發(fā)展的潛力不大。而鋰離子電池、鈉硫電池和釩液流電池及技術在安全性、能量轉換效率和經(jīng)濟性等方面已經(jīng)取得重大突破，產(chǎn)業(yè)化應用的條件日趨成熟，被認為是未來儲能技術發(fā)展的主要方向之一。

1.1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)

與其他蓄電池相比，鋰離子電池的儲能密度高、儲能效率高、循環(huán)壽命長，近年來發(fā)展很快，已經(jīng)廣泛地應用在各種手提移動設備例如手機、相機、筆記本電腦和平板電腦中，也是目前新能源汽車的電動汽車的主要電源。鋰離子電池也非常適合作為大規(guī)模儲能元件，美國較早開展了動力型磷酸鐵鋰電池的研究，并相繼建設了兆瓦級的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的示范應用，主要用于電力系統(tǒng)的頻率和電壓控制以及平滑風電等。我國是鋰離子電池生產(chǎn)大國，近年來鋰離子電池技術的研究及產(chǎn)品化速度加快，涌現(xiàn)出了中航鋰電、天津力神、杭州萬向、北京盟固利等一批鋰動力電池生產(chǎn)企業(yè)，并相繼建設了多個兆瓦級的鋰電池儲能電站。與其他一些大容量蓄電池相比，鋰電池的技術相對成熟，因此我國近期內(nèi)的大規(guī)模儲能系統(tǒng)中鋰電池的應用將會比較廣泛。

1.2 鈉硫電池儲能系統(tǒng)

鈉硫電池能量密度和轉換效率高，是一種能夠同時適用于功率型儲能和能量型儲能的蓄電池，自2003年起，日本和美國相繼建設了多個兆瓦級的鈉硫電池儲能電站。不過鈉硫電池的制造比較困難，對電池材料、電池結構要求高，因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時對運行條件的要求苛刻，必須維持在300～350℃，需要附加供熱設備來維持溫度。另外，電池運行的控制也比較困難，例如在線測量充放電狀態(tài)不能做到很準確，必須周期性地進行離線度量；安全性相對也稍差。由于鈉硫電池產(chǎn)品的制造比較困難，目前只有日本NGK公司的鈉硫電池產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。前幾年，上海市電力公司與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開發(fā)出大容量鈉硫電池，其關鍵技術和關鍵工藝已取得重大突破，但是關鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距，國內(nèi)鈉硫電池儲能技術和應用在短期內(nèi)還很難取得突破。

1.3 礬液流電池儲能系統(tǒng)

全釩液流電池（VRB）系統(tǒng)由澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）發(fā)明，20世紀末，日本住友電工（SEI）、加拿大VRB Power Systems等公司進行全釩液流電池儲能系統(tǒng)的研究及商業(yè)化開發(fā)。全釩液流電池儲能系統(tǒng)具有電池工作壽命長（充放電循環(huán)可以超過16 000次）、蓄電容量大、能量轉換效率高，而且可以頻繁充放電和深度放電，充放電的均勻性好，用于蓄能電站系統(tǒng)設計靈活、選址自由、安全環(huán)保，維護費用也比較低。全釩液流電池的功率容量理論可達百兆瓦級，理論儲能容量可達到百兆瓦時級，并且功率響應速度為10 ms級。在輸出功率為數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦，儲能容量數(shù)小時以上級的規(guī)?；潭▋δ軋龊?，液流電池儲能具有明顯的優(yōu)勢，已成為大規(guī)模儲能領域的重要技術之一。不過，同鈉硫電池相比，液流電池目前離大規(guī)模商用的目標更遠。

2 應用需求及現(xiàn)狀

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側對都有應用大規(guī)模儲能的需求。

2.1 發(fā)電側

隨著全球傳統(tǒng)能源的日益緊缺及使用傳統(tǒng)能源帶來的生態(tài)環(huán)境巨大壓力，以風力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為世界各國的發(fā)展重點，但是風力發(fā)電和光伏發(fā)電具有波動性和間歇性，大規(guī)模并網(wǎng)運行會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和負荷調(diào)配帶來很多問題，特別是當并網(wǎng)運行的風力發(fā)電和光伏發(fā)電的規(guī)模超過一定比例以后，對局部電網(wǎng)產(chǎn)生明顯沖擊，嚴重時會引發(fā)大規(guī)模惡性事故。國外有關研究表明，如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內(nèi)，還可以依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術以及增加水電、燃氣機組等手段保證電網(wǎng)安全；但如果所占比例達到20%甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。

利用儲能設備把不穩(wěn)定的風能、太陽能發(fā)電儲存起來然后平穩(wěn)輸出，可以消除風能、太陽能發(fā)電波動性對電網(wǎng)穩(wěn)定性的危害，彌補風能、太陽能發(fā)電的間隙性對電網(wǎng)負荷調(diào)配的影響，還可以提供快速的有功支撐，增強電網(wǎng)調(diào)頻能力，使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。因此分布式發(fā)電站的儲能已經(jīng)成為新能源開發(fā)的核心技術之一。按2010年國家電網(wǎng)對清潔能源做出的預計，到2020年，我國風電裝機和太陽能發(fā)電裝機將分別達到150 GW和20 GW，按20%的容量配置儲能，僅可再生能源發(fā)電領域就有34 GW的儲能市場需求。

2.2 電網(wǎng)側

電網(wǎng)側安裝儲能系統(tǒng)可以平衡電網(wǎng)的供需，起到移峰填谷的作用。推廣中的新能源電動汽車需要通過充電站從電網(wǎng)中補充電能，為了緩解電動汽車充電的不確定性，也需要在電網(wǎng)側安裝儲能設備。

1）城市調(diào)峰儲能電站 隨著生活經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，白天用電高峰和夜間用電低谷之間的負荷差，以及季節(jié)性的峰谷差也越來越大。特別是我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的大中型城市，到了夏天用電高峰季節(jié)電力供應的缺口大，電網(wǎng)不得不對一些企業(yè)進行限電，有些地方甚至要拉閘停電，給相關企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。由于發(fā)電廠的建設規(guī)模必須與高峰用電相匹配，從建設成本和資源保護的角度出發(fā)，通過新增發(fā)、輸、配電設備來滿足日益增長的高峰負荷的需求變得越來越困難。隨著峰谷差的加大發(fā)電設備的負荷率快速下降，谷期時間段上電力設備效率降低、產(chǎn)能閑置，企業(yè)的經(jīng)濟效益也受到嚴重影響?？梢哉f，目前電力和能源的供需矛盾已成為制約我國國民經(jīng)濟穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。電網(wǎng)側的儲能電站，可以在電網(wǎng)負荷低谷的時候作為負荷從電網(wǎng)獲取電能充電，在電網(wǎng)負荷峰值時向電網(wǎng)輸送電能，有效緩解電網(wǎng)的供需矛盾，減少新建作為備用容量的發(fā)電廠的壓力，滿足日益增長的高峰負荷的需求。以上海市為例，2004～2006年間，全市每年尖峰負荷只有183.25 h，但是為了滿足這么短時間的用電需要，電網(wǎng)側的相關投資每年就超過200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。采用大容量儲能技術應對同樣的尖峰負荷投資會成倍減少，而且儲能設施效率高不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放，因此節(jié)能減排效果顯著。抽水蓄能電站也是目前電網(wǎng)側常用的蓄能設施之一，但是抽水蓄能電站的建設必須受地理條件的限制無法普及，采用常用大容量蓄電池建設電網(wǎng)側蓄能站占地少、建設規(guī)模靈活，其效果是其他調(diào)峰措施無法比擬的。

2）電動汽車充換儲電站 隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，汽車已經(jīng)作為居民最常用的交通工具，每年的用能和汽油消耗量不斷增加，汽車運行的排放也已經(jīng)成為很多城市的環(huán)境污染主要來源，因此采用清潔能源的新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車勢在必行。特別是近年來我國的汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，家用汽車不斷普及，但是我國的石油資源匱乏，石油供應對外依存度大并且還在逐年增長，因此必須發(fā)展新能源汽車特別是電動汽車。近年來我國政府相繼出臺了一系列政策大力支持發(fā)展清潔能源、推動新能源汽車的發(fā)展。電動車必須充電，電動車的普及必須依靠電網(wǎng)的電動汽車充電站的服務，電動汽車充電站可以為電動車提供充電或者更換電池服務。從換電站目前的試點運行來看，換電池模式可以大幅減少電動汽車的電能補充時間，可對電池的充放電進行優(yōu)化控制，有效提高電池的使用壽命，降低車輛的購置成本。另外，電池使用一段時間后性能下降到一定程度后已不適合作為電動車的動力電池，但通過檢測篩選并按一定規(guī)則進行分組輔以有效的充放電控制技術可以進行梯次利用用于儲能。將儲能電站與電動汽車充換電站統(tǒng)一建設，采用電動汽車的動力電池進行梯次利用，既可以滿足電動汽車能源供給，提高電池利用效率，又可為電網(wǎng)提供增值服務，并節(jié)約占地及建設成本?？梢灶A見，電動汽車充換儲電站將是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分。國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)和中石化均制定了相關規(guī)劃，“十二五”期間年投資額度超過百億元。

2.3 用戶側需求

電網(wǎng)供電的可靠性對于用戶很重要，電網(wǎng)停電可能給用戶帶來巨大經(jīng)濟損失。2006年，上海電網(wǎng)用戶平均用電可靠性為99.973%，即每戶每年停電約2.324小時，按用戶裝接容量35 000 MVA，95%的停電電量轉移到其他時段繼續(xù)創(chuàng)造產(chǎn)值估算，上海電網(wǎng)2006年總停電電量約為400萬kWh，減少GDP產(chǎn)值約1億元（上海每1 k Wh電量約創(chuàng)造25元GDP）。為了提高用電的可靠性，電網(wǎng)的用戶特別是大型企業(yè)或者對電力供應的可靠性要求特別高的單位例如醫(yī)院、銀行以及高檔商業(yè)大樓和賓館等，都有必要也有可能根據(jù)需要建設自己的儲能站。儲能單元在智能電網(wǎng)架構中將承擔越來越重要的角色，未來在高新技術園區(qū)、大型居民小區(qū)將可能安裝較多的儲能設備以實現(xiàn)能源的高效利用。

微電網(wǎng)是集發(fā)電和用電為一體的微型配用電網(wǎng)；微電網(wǎng)采用就地發(fā)電就地使用的形式，不僅可以減少電力輸配損耗提高能源利用效率，而且可以減少用戶對電網(wǎng)的依賴性，提高用電的可靠性和安全性，是今后智能電網(wǎng)的又一個重要組成部分。不過，作為大電網(wǎng)的一種補充，微電網(wǎng)的運行必須依托大電網(wǎng)，因此實質(zhì)上還是電網(wǎng)的一種特殊用戶。微電網(wǎng)中主要能量來源為社區(qū)中的分布式燃氣三聯(lián)供機組，也可以包括小型風機、小型光伏等分布式小型電源。特別是這些小型的太陽能、風能或者生物質(zhì)能發(fā)電設備不再與大電網(wǎng)直接聯(lián)系，有利于推廣應用。由于微電網(wǎng)中分布式電源的波動性和隨機性，以及微電網(wǎng)內(nèi)用戶負荷的不確定性，微電網(wǎng)內(nèi)也必須安裝儲能系統(tǒng)，用于平抑電源的波動，為用戶提供平穩(wěn)可靠的電源。微電網(wǎng)項目市場需求量非常巨大，尤其隨著國家、企業(yè)對可再生能源發(fā)電的重視，微電網(wǎng)的建設將會逐步展開。根據(jù)派克研究的一份最新報告《微電網(wǎng)實現(xiàn)技術》，世界各地微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電容量在未來6年將超5倍，從2012年的764 MW增至2018年的4 000 MW左右。

3 我國儲能技術應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國一些高校及科研院所很早就開展了儲能技術的研究，但是受市場需求、成本及體制政策的限制，我國的儲能技術發(fā)展不快，儲能技術和產(chǎn)品不成熟，目前在建或規(guī)劃的大多是電網(wǎng)公司或發(fā)電公司的示范工程，作為政府或公司的科研示范項目，集中在大型風儲電站、電動汽車充換儲電站、微電網(wǎng)等領域。在電力系統(tǒng)內(nèi)，兩大電網(wǎng)公司建設一些示范工程見表1。這些示范性儲能電站主要采用鋰離子動力電池，也有個別項目采用鈉硫電池，不同電池均處于測試驗證階段。根據(jù)已經(jīng)建設的儲能示范功能及其運行經(jīng)驗，目前大規(guī)模儲能系統(tǒng)的發(fā)展存在的主要問題，首先是技術路線不統(tǒng)一，各種儲能技術都處于發(fā)展階段，各種儲能方案競爭激烈，儲能設備缺乏產(chǎn)品技術標準，系統(tǒng)設計缺乏規(guī)范，系統(tǒng)拓撲、通信網(wǎng)絡、電池成組等關鍵設備及系統(tǒng)的設計缺少統(tǒng)一標準，而且項目缺乏的可行評估方法，項目的驗收困難。

我國目前從事儲能電池研制的廠商較多，都比較看好儲能產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展空間，但是儲能產(chǎn)業(yè)與電動汽車產(chǎn)業(yè)前期的發(fā)展類似，儲能產(chǎn)業(yè)明確還處于一個割裂發(fā)展的局面。電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期，電控、電池、電機分開研發(fā)，導致盡管各個企業(yè)級產(chǎn)品各自發(fā)展較好，但組裝在一起時卻出現(xiàn)問題，即沒有一個較大的從事系統(tǒng)集成的企業(yè)進行整合。我國的儲能產(chǎn)業(yè)目前也處于這個局面，從事動力電池的廠商一哄而上，項目招標電池廠商為主體，而缺乏熟悉電網(wǎng)和儲能產(chǎn)品、能夠針對電網(wǎng)需求對儲能產(chǎn)品進行集成的系統(tǒng)集成商。

根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，電網(wǎng)的儲能技術規(guī)模應用還需要較長的時間，近期內(nèi)的主要任務是示范應用，儲能產(chǎn)品的市場需求有限，特別是目前許多儲能產(chǎn)品和技術大多不成熟，產(chǎn)業(yè)化前景不明，項目的投資風險大。我國政府雖然也非常重視儲能技術的發(fā)展，但是還沒有出臺具體政策支持儲能行業(yè)，包括儲能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展規(guī)劃、運行監(jiān)管和審查體系的缺失，投資主體尚不明確。

4 儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和促進措施

美國政府已將大規(guī)模儲能技術定位為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術，在美國能源部制定的關于智能電網(wǎng)資助計劃中，儲能技術項目超過了其他所有項目，達19個，資金支持力度也最大，2010年上半年已撥款20億美元用于支持包括大規(guī)模儲能在內(nèi)的電池技術研發(fā)。根據(jù)2009年通過的《儲能法案》，美國對大容量儲能投資將提供20%的投資稅抵扣。在奧巴馬新頒布的新能源政策中要求所有新能源項目必須配備儲能技術方案。加州對符合技術要求、與風電或燃料電池配套建設的儲能系統(tǒng)提供2美元／瓦的額外補貼。日本政府為了鼓勵大容量儲能技術的推廣應用，除直接支持前期研發(fā)外，近年來還扶持了大量示范性項目，歐盟各國、韓國等也都設立專項經(jīng)費支持儲能技術的研究與開發(fā)。

近年來我國的新能源特別是風力發(fā)電和光伏發(fā)電快速發(fā)展，同時也暴露出我國能源產(chǎn)業(yè)在接納新能源方面準備上的很多不足，特別是電網(wǎng)規(guī)劃與電源發(fā)展脫節(jié)、電網(wǎng)的發(fā)展跟不上新能源發(fā)展的需要；包括對儲能技術進步以及儲能在新能源發(fā)展中的特殊作用認識不足，儲能技術的發(fā)展沒有很好地體現(xiàn)在電網(wǎng)、電源的發(fā)展規(guī)劃中，導致儲能技術的發(fā)展遠跟不上新能源的需要。隨著可再生能源的普及應用、電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及智能電網(wǎng)的建設，電網(wǎng)側、發(fā)電端、用戶方面儲能需求不斷增加，各種儲能技術都面臨巨大的發(fā)展機遇。我國的十二個五年規(guī)劃，已經(jīng)把儲能作為一種支撐電網(wǎng)建設的先進技術給予關注，明確了我國今后儲能技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，儲能產(chǎn)業(yè)也引起了諸多投資者的關注，業(yè)內(nèi)專家預測“中國的儲能產(chǎn)業(yè)將在5～10年之內(nèi)出現(xiàn)爆炸性的增長”。

我國的儲能產(chǎn)業(yè)有著較好的前景，建議相關部門盡早整合我國的儲能技術和產(chǎn)品研發(fā)力量，引導相關企業(yè)進行有序研發(fā)，帶領儲能行業(yè)健康良性發(fā)展，為儲能技術的大規(guī)模推廣奠定良好的基礎。為了加快儲能行業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程，政府應盡快完善和落實各種支持措施，包括制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、財稅政策、電價政策、儲能電價政策，幫助企業(yè)采用投資主體多元化方式組織融資。政府還可以組織相關部門成立行業(yè)監(jiān)督管理機構，推進標準體系建設和制定配套標準規(guī)范，提高示范工程推廣力度。企業(yè)應該進一步推進研發(fā)示范，通過示范項目積累技術經(jīng)驗，企業(yè)還要加快儲能設備產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程，努力創(chuàng)新提高設備國產(chǎn)化率，提高儲能設備的質(zhì)量降低儲能系統(tǒng)的投資成本，提高電網(wǎng)儲能的經(jīng)濟效益。

4 結論

儲能技術作為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分，在電網(wǎng)的發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側都有巨大的應用需求。特別是世界目前正處在一個新能源革命時期，風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源、新能源電動汽車的等都必須依靠儲能技術的支撐才能的大規(guī)模利用和推廣，因此儲能產(chǎn)業(yè)有非常好的發(fā)展前景。但是目前電池儲能行業(yè)的發(fā)展處于起步階段，許多儲能電池技術和產(chǎn)品還不成熟，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到多種制約，政府必須進行積極引導和給予政策支持。與發(fā)達國家相比，我國的儲能技術研發(fā)相對落后、產(chǎn)業(yè)發(fā)展無序、研發(fā)力量有待整合，特別是政府對儲能技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進措施不多。因此建議政府借鑒國外先行國家的經(jīng)驗和做法，加強發(fā)展我國蓄能技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持力度，相關企業(yè)應當積極創(chuàng)新，努力實現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化，為我國智能電網(wǎng)建設和可再生能源利用提供更多更好的儲能設備先進產(chǎn)品。