大規(guī)模儲能技術(shù)應用及問題

儲能技術(shù)概述

能源是人類生存的基礎，隨著人類生產(chǎn)、生活的高速發(fā)展，能源的需求量越來越大，對能源性能的要求也越來越高，導致環(huán)境污染也越來越嚴重。作為人類最便于使用的二次能源—電力，也隨著人類技術(shù)不斷發(fā)展進步，而不斷呈現(xiàn)出技術(shù)進步的需求，如對電力的安全性、穩(wěn)定性、持續(xù)性、經(jīng)濟性、便利性、清潔性等、提出了更高的需求。而這些更高的需求隨著儲能技術(shù)的發(fā)展有可能得到更好的解決。

目前廣泛應用的儲能技術(shù)主要分為四類：機械儲能、電磁儲能、電化學儲能 、相變儲能。機械儲能主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電磁儲能主要有超導電磁儲能、超級電容器儲能等；電化學儲能主要包括鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等；相變儲能主要有固—液相變、固—固相變儲能等。每種儲能技術(shù)都有其自身的特點，表1總結(jié)了主要幾種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點及應用。

隨著儲能技術(shù)研究的深入，儲能技術(shù)正朝著能量轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化、功率大型化和應用低成本化的方向迅速發(fā)展。大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展和應用將可能對電力系統(tǒng)帶來革命性的影響。將使電力—歷來只能即產(chǎn)即用的特殊商品，通過儲存使其具備一般商品的特性，從而對其電力生產(chǎn)經(jīng)營理念和運行管理模式產(chǎn)生巨大的變革。同時，只有儲能這一關(guān)鍵性技術(shù)的規(guī)?；l(fā)展，才能使風電、太陽能、潮汐能等間歇的、隨機的、低密度特性的可再生清潔能源得以更廣泛的、高效的利用，逐步成為替代傳統(tǒng)化石能源，并最終成為主導能源。

電池儲能技術(shù)應用領域及問題

大規(guī)模儲能的優(yōu)點在于，可以解決電力生產(chǎn)中的峰谷差困難；同時大規(guī)模儲能可以提高電力系統(tǒng)供電的可靠性；在系統(tǒng)故障停電時，儲能可以暫時供電、為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置贏得時間進行調(diào)整，避免系統(tǒng)失穩(wěn)而恢復正常運行；大規(guī)模儲能是新能源發(fā)電設備中必不可少的裝備、有了儲能裝置的配合，這些不穩(wěn)定的發(fā)電設備才有可能向用戶穩(wěn)定地供電；大規(guī)模儲能也可以使移動式、便攜式的設備得到快速的發(fā)展等。

長期以來，儲能一般采用小規(guī)模電池儲能和抽水儲能電站，限制了基于儲能技術(shù)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展；直到最近、電池技術(shù)獲得了突飛猛進的進步，使大規(guī)模儲能技術(shù)成為可能。下面將對基于電池儲能的應用領域作概括介紹。

表1　儲能系統(tǒng)的種類、特點及應用

新能源發(fā)電及電力調(diào)峰

近年來由于環(huán)境污染、傳統(tǒng)化石能源枯竭等問題，致使各國政府不斷推出鼓勵新能源發(fā)展的政策，使新能源得到飛速的發(fā)展，從而也導致大量出現(xiàn)棄風、棄光等事件的發(fā)生，而一般認為這是電網(wǎng)不配套引起的問題，但核心的問題是新能源的隨機性、間歇性等特點引起的。因為輸電網(wǎng)由于經(jīng)濟的原因不可能按新能源發(fā)電量的最大容量進行配套，導致新能源設備以最大容量發(fā)電時無法送出，而不發(fā)電時輸電網(wǎng)閑置、導致投資浪費。

而如果有效利用大規(guī)模儲能則可以根本解決這一問題，目前已有相關(guān)部門在研究和試驗這一方案。即在新能源大規(guī)模發(fā)電時將部分發(fā)電量采用儲能的方式進行儲存，而在發(fā)電量較小或沒有時、由儲存的電能提供，采用儲能技術(shù)的新能源發(fā)電主要有以下優(yōu)點：

1）可以將新能源發(fā)電設備向電網(wǎng)輸出的電能流動變得更加平穩(wěn)，減小對電網(wǎng)的沖擊；

2）可以降低輸電網(wǎng)的容量、改善電網(wǎng)性能、提高經(jīng)濟性；

3）避免棄電事件發(fā)生、提高新能源發(fā)電設備的利用率和經(jīng)濟性；

4）在新能源發(fā)電設備不發(fā)電時，可利用儲能系統(tǒng)儲存的電量參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰，提高新能源發(fā)電廠商的經(jīng)濟效益，降低新能源的發(fā)電成本。

科學界預測2050年人類的太陽能利用可以占總能源供應的50%，如果沒有經(jīng)濟可行的大規(guī)模儲能技術(shù)，這個愿望不可能實現(xiàn)！因而儲能技術(shù)在新能源發(fā)電、電力調(diào)峰中的應用具有無限的發(fā)展前景，這不僅對新能源發(fā)電設備及發(fā)電廠商是非常有利的，同時對電網(wǎng)的性能和投資的經(jīng)濟性也是非常有利的，更重要的是可以改變?nèi)祟愰L期對化學能源的依賴、轉(zhuǎn)而依靠永不枯竭的新能源。

電動汽車及電力調(diào)峰

目前出于各種原因，各國政府都在積極的鼓勵發(fā)展電動汽車，因而電動汽車呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展趨勢。電動汽車發(fā)展方向主要包括混合動力汽車與純電動汽車兩種類型?；旌蟿恿ζ囀窃谄囂幱诩铀倩虼筘摵晒r時，電機起電動機的作用輔助驅(qū)動車輪，補充燃油發(fā)動機動力輸出的不足，提高整車的動力性能；而當汽車處于減速或小負荷工況時，電機起發(fā)電機的作用，將發(fā)動機的輸出功率轉(zhuǎn)換為電能儲存在電池中，從而保持燃油發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)，達到節(jié)能減排的目的?；旌蟿恿ζ囯m然能在一定程度上達到節(jié)能減排的目的，但由于儲存容量較小，且結(jié)構(gòu)復雜，不能達到節(jié)能以及環(huán)保的最終要求，因而電動汽車最終發(fā)展方向是純電動汽車。

純電動汽車完全采用電池儲存的能量驅(qū)動汽車行駛，在制動時回收能量，達到節(jié)約能量的目的。發(fā)展純電動汽車主要存在以下優(yōu)點：

1）因為采用純電動驅(qū)動，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都較混合動力簡單，因而可以減少資源的消耗和制造的成本；

2）行駛中、純電動汽車完全零排放，從而保護環(huán)境；

3）純電動汽車的電池容量較大，可利用電網(wǎng)負荷低谷時進行充電，可減少電動汽車使用成本，更有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟、平穩(wěn)、高效運行；

4）當電動汽車不經(jīng)常使用時，可利用電池在電力負荷低谷時充電、負荷高峰時進行放電，達到削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟、平穩(wěn)運行的目的；同時也有利于避免電池長期處于過壓或欠壓的狀態(tài)，有利于提高電池的使用壽命；還可為使用者帶來一定的經(jīng)濟收益，減少電動汽車的使用成本。

城市電網(wǎng)、智能電網(wǎng)的儲能

目前、電力的生產(chǎn)、傳輸、配電和使用都是同時進行的，但由于負荷具有波動性，致使輸配電網(wǎng)絡在負荷高峰時不能及時的給負荷供電，負荷低谷時出現(xiàn)輸配電線路利用率較低的問題。為解決這種矛盾，目前采用相對成熟的抽水蓄能技術(shù)，其功率和儲能容量規(guī)模可以做的很大，對于控制電網(wǎng)穩(wěn)定和安全及新能源的接入都能發(fā)揮巨大的作用，但抽水儲能存在地勢需求的影響、一般建在遠離負荷中心的地方，當負荷高峰時需要長距離的輸電線路傳輸至負荷中心，致使效率較低、并且響應速度較慢等缺點。有研究表明，僅僅依靠單一的儲能技術(shù)很難同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、成本、動態(tài)響應等性能指標；如果同時采用電池儲能技術(shù)與抽水蓄能技術(shù)相結(jié)合，可以取得較好的技術(shù)和經(jīng)濟性能。

目前，世界各國都在研究和建設堅強智能電網(wǎng)、雖然到目前為止，智能電網(wǎng)并沒有統(tǒng)一的定義，而一般認為智能電網(wǎng)應具有安全性、自愈性、 兼容性、交互性、高效性、優(yōu)質(zhì)性集成性、協(xié)調(diào)性等特點。而采用一種儲能技術(shù)很難全面滿足智能電網(wǎng)需求。為適應智能電網(wǎng)的發(fā)展，除發(fā)展抽水蓄能外還應大力發(fā)展能夠靈活布置的電池儲能技術(shù)。因為電池儲能相對于其他儲能技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1）易于靈活、分布式的布置、可盡可能的靠近負荷中心；

2）動態(tài)響應速度快，及時的滿足輸電線路和智能電網(wǎng)的調(diào)度需求；

3）可將電池儲能裝置安裝在負荷中心、在負荷低谷時儲能、高峰時釋放能量、不僅可最大限度的利用輸電線路，減少投資，提高經(jīng)濟性；同時可在同等輸電線路容量的條件下滿足更大的負荷需求，尤其對于沖擊性負荷，起到削峰填谷的作用；

4）可有效的提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，滿足電網(wǎng)的調(diào)壓和調(diào)頻的需要。

離網(wǎng)型系統(tǒng)的儲能

離網(wǎng)型系統(tǒng)主要應用在邊疆區(qū)、山區(qū)、海島、通訊基站和路燈等應用場所。離網(wǎng)型系統(tǒng)一般利用太陽能、小型風力發(fā)電機、小水電等電能，主要表現(xiàn)在這些電能具有間隙性、不穩(wěn)定性，同時又沒有大電網(wǎng)的支撐。一般一邊利用這些電能給負載供電，同時也給儲能系統(tǒng)充電；在發(fā)電斷續(xù)期間由儲能系統(tǒng)組給負載供電。因而儲能系統(tǒng)對于離網(wǎng)型系統(tǒng)是必不可少的組成部分，使用儲能系統(tǒng)不僅有助于保證負荷的連續(xù)供電；同時有利于小型發(fā)電系統(tǒng)的黑啟動等優(yōu)點。

電池儲能系統(tǒng)除主要應用于以上大功率、大容量的電力系統(tǒng)外，還廣泛的應用于便攜式移動設備；控制系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)、EPS系統(tǒng)等，具有非常廣泛的應用領域。、，

電池儲能技術(shù)應用需要研究的領域

隨著近年來電池儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，使大容量、大功率的電池儲能系統(tǒng)的廣泛應用成為可能。但在大規(guī)模應用之前還有很多的問題需要進一步的研究和解決。主要有以下幾方面。

大規(guī)模儲能系統(tǒng)管理、成組技術(shù)的研究

目前單節(jié)電池在儲能使用中，基本可以處于理想狀態(tài)，如手機電池、筆記本電腦等，可以比較好的實現(xiàn)剩余容量的檢測（SOC）、溫度的控制、過充過放控制、電池健康狀態(tài)（SOH）的測量、絕緣的監(jiān)測問題等。但作為大規(guī)模儲能系統(tǒng)使用時，如電力儲能、電動汽車、無線基站等，需要將大量的單節(jié)電池串并聯(lián)使用、以擴大容量、功率或電壓。這樣的使用會帶來大量的問題，如充放電的均衡性，溫度均勻性的控制，SOC和SOH的測量，整體性絕緣監(jiān)測，安全性問題等。

因而對于大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)，首先需要解決的是將單節(jié)電池如何科學合理的成組，只有電池成組后才能在使用中、能便捷的管理和維護。但電池成組串并聯(lián)的多節(jié)電池在制造或使用中，會出現(xiàn)個體差異，而這種差異導致性能越差的電池，其使用壽命衰減的越快，從而導致電池組的使用壽命遠小于單節(jié)電池的使用壽命，因而如何解決這種問題，是電池成組技術(shù)的關(guān)鍵。

如何在電池組的使用過程中解決或避免這種由于電池個體差異、而導致的性能越差衰減越快的問題。因而需要進一步加強電池組的均衡性能、剩余容量（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）、溫度場監(jiān)測、整體絕緣性能、安全性能等問題的研究，只有當這一系列的問題得到較好的解決時，大規(guī)模儲能技術(shù)才能得到廣泛的應用。

儲能系統(tǒng)容量的選擇性研究

對于新能源發(fā)電、無論那種儲能系統(tǒng)的接入方式，理論上儲能系統(tǒng)的容量越大越好，但實際是不可行的；因而需要針對具體系統(tǒng)性能要求，工程造價的可行性、現(xiàn)場的特點等、綜合分析研究、確定合適的儲能系統(tǒng)容量。

同樣、對于電動汽車也存在這樣的問題。目前各汽車廠家為追求更大續(xù)航里程和動力，不斷的通過增加儲能系統(tǒng)的容量來實現(xiàn)，這樣在增加續(xù)航里程和動力的同時，也增加了汽車的自重，因而使單位能源做功的效率反而下降。違背了電動汽車的發(fā)展的初衷—節(jié)能減排的目的。

因而對任何一個采用儲能的系統(tǒng)都存在一個最佳的儲能容量，所以在使用儲能系統(tǒng)時，必須科學合理的確定儲能系統(tǒng)的容量，使其達到最佳效果。而如何確定儲能系統(tǒng)的容量需要進一步的研究。

新能源發(fā)電儲能系統(tǒng)接入方式的研究

目前對于太陽能發(fā)電，一般采用太陽能電池板吸收太陽能，轉(zhuǎn)換成直流電源；而儲能系統(tǒng)安裝在太陽能電池板和電網(wǎng)之間。此時需要在太陽能電池板和儲能系統(tǒng)間的DC/DC變換器保證太陽能電池板的最大功率追蹤，而在儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的DC/AC逆變器，不僅要根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令或電能參數(shù)的變化向電網(wǎng)輸送合格的交流電源，同時還要根據(jù)發(fā)電側(cè)的電流合理分配電能，一部分輸送電網(wǎng)，另一部分向儲能系統(tǒng)充電，當發(fā)電側(cè)電流不足時，由儲能系統(tǒng)放電，經(jīng)電網(wǎng)側(cè)DC/AC逆變器向電網(wǎng)供電。直驅(qū)型風力發(fā)電的原理與此類同，只是發(fā)電側(cè)是AC/DC變換、負責控制風輪的最佳風能利用系數(shù)；電網(wǎng)側(cè)是與太陽能相同的DC/AC逆變器，控制原理與太陽能的控制方式相同。而對于雙饋型風力發(fā)電、其儲能系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)，儲能系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)接發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，對于儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)或發(fā)電側(cè)所接的都是四象限變流器，保證功率的雙向流動，其控制方法較直驅(qū)型復雜，但儲能系統(tǒng)的作用是相同的。其他類型的新能源發(fā)電的儲能系統(tǒng)接入方式與此類同。這種接入方式是將儲能系統(tǒng)做成分布式的、放置在每個發(fā)電設備附近；這種接入方式，可避免單個儲能系統(tǒng)故障影響整個發(fā)電場、提高系統(tǒng)可靠性，同時也盡可能的避免了多次整流和逆變，因而效率較高。但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復雜，控制的難度很大。

另一種儲能系統(tǒng)的接入方式是將儲能系統(tǒng)做成集中式的，讓每臺發(fā)電設備向儲能系統(tǒng)輸送直流電源，而后由集中的逆變器負責向電網(wǎng)輸送電能和管理儲能系統(tǒng)。這種接入方式可減少逆變器的數(shù)量，易于控制，便于集中放置儲能系統(tǒng)，同時還可節(jié)省成本，但是一旦儲能系統(tǒng)故障容易影響整個發(fā)電場。

第三種儲能系統(tǒng)的接入方式是將儲能系統(tǒng)直接接在電網(wǎng)上，即新能源發(fā)電設備已將電能轉(zhuǎn)變成符合電網(wǎng)的電能輸送到電網(wǎng)上，而儲能系統(tǒng)重新從電網(wǎng)上取電或向電網(wǎng)放電的方式。這種接入方式的優(yōu)點是便于儲能系統(tǒng)的集中放置；且不一定要放置在發(fā)電設備附近的特點；同時這種方式有利于在新能源發(fā)電不足時，可讓儲能系統(tǒng)單獨參與電網(wǎng)的調(diào)峰；每個控制系統(tǒng)都是獨立工作，在技術(shù)上容易實現(xiàn)。缺點是每臺發(fā)電設備都需要將電能轉(zhuǎn)換成合格的交流電能輸送到電網(wǎng)的設備，需要多次的整流和逆變，使系統(tǒng)的效率降低，同時需要更多的設備、可靠性降低、工程造價較高。

目前這三種方式都在研究階段，具體采用哪種接入方式更合適、要考慮到技術(shù)的可行性、系統(tǒng)的可靠性、現(xiàn)場的特點、工程的造價等各個方面，應根據(jù)具體系統(tǒng)具體研究的原則、確定哪種接入方式更適合。

電池的梯級利用的研究

目前一般認為電動汽車是一種節(jié)能環(huán)保的交通工具，因為其消耗電力，無排放；動力能源的費用遠低于傳統(tǒng)動力的汽車等優(yōu)點。但實際電動汽車的推廣卻遇到了問題，表面的現(xiàn)象是電動汽車使用的配套不完善，續(xù)航里程短、導致使用不便引起的。實際是電動汽車使用一定年限后必須更換電池儲能系統(tǒng)，而這相當于整車價格的近一半?？傮w的使用成本遠高于傳統(tǒng)動力汽車，這無疑阻礙了使用者的積極性。同時、電動汽車是否節(jié)能環(huán)保，本文認為還需進一步商榷。因為電動汽車消耗的電力是需要發(fā)電的，而這一過程一定會消耗資源、污染環(huán)境的，同時電池儲能系統(tǒng)的制造和拆解都會消耗大量資源和能源、同時也會對環(huán)境造成影響，至于是傳統(tǒng)動力還是電動力的汽車那種方式更優(yōu)，需要進一步的分析，本文不做定論。

但無論是從經(jīng)濟性還是環(huán)境友好性等方面考慮，如果能有效的延長儲能系統(tǒng)的生命周期，無疑可以提高采用儲能系統(tǒng)設備系統(tǒng)的競爭力的。提高儲能系統(tǒng)的生命周期，要加強儲能系統(tǒng)管理技術(shù)的研究、即電池的SOC、SOH等狀態(tài)、壽命監(jiān)測管理技術(shù)的研究，確保儲能系統(tǒng)處于最優(yōu)的使用狀態(tài)，避免錯誤的使用、影響系統(tǒng)的生命周期，同時又能對電池的健康狀態(tài)做出準確的判斷，對于有些場所不再適用的儲能系統(tǒng)，可以根據(jù)具體的性能使用在其他場所，可有效提高儲能系統(tǒng)的使用周期。如作為電動汽車的動力電池在SOC降為80%時，已不再適用電動汽車、但可以作為蓄能裝置、進行梯度使用，可提高資源的利用率，降低儲能系統(tǒng)的使用成本，保護環(huán)境。但如何去實現(xiàn)哪種健康狀態(tài)的電池適用那種使用場所，需要進一步的研究。

總結(jié)

當前，整個能源領域的技術(shù)人員都在研究如何使能源的開發(fā)、使用更高效、低碳、經(jīng)濟、安全，而儲能技術(shù)的研究無疑是所有能源領域研究的一個切入點、更可能是一次歷史性的變革。因為研究與應用儲能技術(shù)是解決新能源并網(wǎng)接入、提高能源利用效率、提高電網(wǎng)運行效率、改變傳統(tǒng)的運載工具、保證電能質(zhì)量等方面的重要途徑，而且具有無限的發(fā)展?jié)摿Α１疚目偨Y(jié)了目前大規(guī)模使用儲能的領域及特點，同時對儲能系統(tǒng)需要進一步研究的方面進行了歸納，希望有利于儲能技術(shù)研究的工程技術(shù)人員更好的研究，推動儲能技術(shù)更快的發(fā)展，相信未來的儲能技術(shù)在能源變革中具有舉足輕重的地位，更好地為人類的生活和保護環(huán)境服務。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.010