胡澤春，丁華杰，宋永華，張放

(1.清華大學電機系，北京市100084；2.國家電力調度控制中心，北京市100031)

能源互聯(lián)網背景下儲能應用的研究現(xiàn)狀與展望

胡澤春1，丁華杰1，宋永華1，張放2

(1.清華大學電機系，北京市100084；2.國家電力調度控制中心，北京市100031)

大規(guī)模新能源發(fā)電和眾多分布式可再生能源接入電網給電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。儲能是電力系統(tǒng)實現(xiàn)高比例新能源發(fā)電消納不可或缺的資源。首先簡要分析主要儲能類型的轉換原理、技術優(yōu)缺點、適用范圍，重點探討了熱能儲能以及電制氫氣、電制天然氣等儲能技術。在此基礎上，對能源互聯(lián)網背景下儲能系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、配用電以及多能源系統(tǒng)互聯(lián)中的研究現(xiàn)狀進行了梳理和分析。最后對儲能應用面臨的挑戰(zhàn)和主要研究方向進行了總結與展望。

儲能；新能源發(fā)電；能源互聯(lián)網；電動汽車

0 引 言

受化石能源危機和環(huán)境污染問題的驅動，世界各國正在大力推動可再生能源和清潔交通的發(fā)展。近些年，以風電和光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)展迅猛。截至2015年底，全球風電和光伏累計裝機容量已分別達到431.9 GW和227.0 GW[1]。其中，我國風電和光伏發(fā)電增長很快，裝機總容量分別為 145.1,43.1 GW，均居全球第1位。然而，隨著新能源發(fā)電容量的不斷增大，其隨機性、波動性對電網的經濟運行和安全穩(wěn)定帶來較大的壓力。雖然我國的風電和光伏發(fā)電總量占總發(fā)電量的比例只有4%左右，但多個地區(qū)已面臨非常嚴峻的新能源發(fā)電消納問題，棄風、棄光問題突出，造成了巨大的損失和負面影響。為實現(xiàn)電力系統(tǒng)對高比例新能源發(fā)電的消納，發(fā)展儲能是不可或缺的路徑。

在新能源發(fā)電大規(guī)模發(fā)展之前，對儲能技術及其在電力系統(tǒng)中的應用已進行了大量研究[2]。在新能源大規(guī)模發(fā)展和智能電網背景下，儲能系統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)受到了更為廣泛深入的關注與研究。里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中提出能源互聯(lián)網的概念。能源互聯(lián)網是基于互聯(lián)網理念和技術構建的融合能源與信息的新型開放系統(tǒng)[3]。能源互聯(lián)網的五大重要元素包括可再生能源、分布式發(fā)電、分布式儲能、能源互聯(lián)以及零排放交通。以可再生能源和互聯(lián)網為核心，能源互聯(lián)網在保障能源系統(tǒng)安全的前提下，最大限度地開發(fā)利用可再生能源，實現(xiàn)分布式發(fā)電和電動汽車的廣泛接入，提高能源利用的效率和用戶的便捷性[4]。構建能源互聯(lián)網能夠從系統(tǒng)角度解決社會能源單耗高、環(huán)境污染嚴重等問題，促進能源及其相關領域的科技創(chuàng)新，催生能源生產、消費、服務等新業(yè)態(tài)和商業(yè)模式[5]。

在能源互聯(lián)網背景下，新能源將逐漸成為發(fā)電主體，電動汽車將成為新興的重要用電負荷?？紤]到儲能系統(tǒng)具有靈活的充放電能力，有學者提出利用儲能系統(tǒng)存儲轉發(fā)的能力，構建包含電、氣、熱、氫的能源服務器和緩沖區(qū)，實現(xiàn)能量的“分組包交換”，從而構建與互聯(lián)網類似的能源互聯(lián)網結構[4]。在此架構之下，集中式或分布式的新能源發(fā)電資源、可控的負荷資源等通過儲能單元的緩沖進行互聯(lián)，這樣不僅能夠通過儲能減少對電網的沖擊，更能夠相互隔離，有效阻隔級聯(lián)故障[6]。由此可見，儲能技術作為連接電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、天然氣等化石燃料網絡的關鍵環(huán)節(jié)，將成為能源互聯(lián)網建設、發(fā)展的基礎。

本文首先分類介紹主要儲能技術的原理、優(yōu)缺點以及適用的領域。其中，重點對熱能儲能系統(tǒng)以及電制氫氣、電制天然氣儲能系統(tǒng)進行分析。在此基礎上，對儲能系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、配用電以及多能源系統(tǒng)互聯(lián)中的研究現(xiàn)狀進行梳理和分析，并展望儲能應用主要的挑戰(zhàn)和重點的研究方向。

1 主要儲能類型的發(fā)展現(xiàn)狀

電能可以轉換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)存儲，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學和熱能儲能四大傳統(tǒng)類型。近些年隨著技術的發(fā)展，誕生了電制氫、電制天然氣等新的儲能形式[7]。本節(jié)對主要的儲能技術進行簡要的介紹。

1.1 物理儲能

物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等形式。其中，抽水蓄能是目前電力系統(tǒng)中應用最為廣泛、循環(huán)壽命周期最長、容量最大的一種儲能技術，通過水泵將下水庫的水抽送到上水庫存儲電能，通過上水庫水流沖擊水輪機組發(fā)電釋放能量。抽水蓄能電站技術成熟可靠，單位容量成本相對較低，在各國電力系統(tǒng)中不僅發(fā)揮了削峰填谷、黑啟動、調頻調相等作用，還能夠優(yōu)化電源結構、有效提高電網消納新能源發(fā)電的能力。其缺點是受地理條件的制約，選址困難且建設周期較長；一般距離用電負荷較遠，輸電損耗較大。

壓縮空氣儲能電站在充電時用電力壓縮空氣并將其儲藏在高壓密封設施內，放電時釋放高壓氣體驅動燃氣輪機發(fā)電[8]。但其能量密度較低，并受巖層等地形條件的限制。近幾年，研究人員進一步優(yōu)化熱力循環(huán)，改變介質及其狀態(tài)，開發(fā)出先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)、超臨界壓縮空氣儲能等多種新型的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。這些新系統(tǒng)具有儲能規(guī)模大、效率高、不需要大的儲存裝置等優(yōu)點[9]，可用于消納新能源、削峰填谷、頻率調節(jié)等。

飛輪儲能系統(tǒng)由一個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐機構組成。飛輪充電時運行于電動機狀態(tài)，發(fā)電時運行于發(fā)電機狀態(tài)。飛輪儲能的突出優(yōu)點在于運行維護需求小、設備壽命長、環(huán)境友好，適用于高功率、短時間的場合。其缺點主要在于受材料性能制約，單個飛輪的容量難以做大。

1.2 電磁儲能

電磁儲能系統(tǒng)包括超導磁儲能和超級電容器等。超導磁儲能單元的能源來自于超導線圈中電流產生的磁場[10]。存儲的能量能夠近乎瞬時地通過功率變換系統(tǒng)釋放至電力系統(tǒng)，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進行充放電。超導磁儲能具有快速響應特性、極高的儲能效率、極長的循環(huán)壽命和較大的功率等顯著優(yōu)點，適用于暫態(tài)穩(wěn)定控制和電能質量提升等場景，但目前造價非常昂貴，仍處于研發(fā)和示范運行階段。

超級電容器采用多孔的碳或其他表面積很大的材料做電極，正負極板距離極小，可提高容量達2個數(shù)量級。其與常規(guī)電容器相比具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或者更高的耐壓能力。其優(yōu)點在于壽命長、效率高、功率密度大，缺點在于放電時間短、自放電率較高，且價格昂貴，因此主要用于需要快速響應的場合，如功率因數(shù)調整、無功電壓支撐等。

1.3 電化學儲能

電化學儲能將電能轉化為化學能存儲，主要是利用氧化還原化學反應。在氧化和還原反應的可逆過程中，離子的轉移帶來電荷的流動，最終實現(xiàn)電能的儲存和釋放。具體形式包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等。

鉛酸電池是最古老也最廣泛使用的電化學裝置，其總體投資規(guī)模在化學儲能中是最小的，自放電率低、維護成本低，但是壽命短、存在環(huán)境污染問題。鋰離子電池環(huán)境污染小，同時充放電效率高、壽命長，能量和功率密度高，但目前價格偏高，不耐受過充過放，對溫度較敏感，需要多重保護機制，電池管理系統(tǒng)復雜。

液流電池將正負極電解液分開，各自循環(huán)。液流電池能夠100%深度放電，循環(huán)壽命長。由于其電解液存儲在2個獨立的容器中，可以通過增加電解液的量或提高電解質的濃度達到增加電池容量的目標，因此額定功率和容量相互獨立[11]。液流電池系統(tǒng)主要應用于電站調峰、不間斷電不間斷電源(uninterruptable power system，UPS)和可再生能源的接入。

鈉硫電池是以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。其能量密度很高，具有大電流、高功率放電以及短時過載等能力，自放電及副反應很弱，充放電效率可高達90%。目前，鈉硫電池已經成功用于削峰填谷、應急電源、風力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出以及提高電力質量等方面。但其工作溫度較高，加熱保溫裝置大大提高了成本，同時有一定的安全風險。

1.4 熱能儲能

熱能儲能是將電能與熱能互相轉換的裝置，歷史悠久、使用場合廣泛。熱能儲能按照工作溫度分為高溫儲能(儲熱)與低溫儲能(儲冷)，可進一步分為工業(yè)制冷(低于-18 ℃)、建筑制冷(0～12 ℃)、建筑制熱(25～50 ℃)、工業(yè)制熱(高于175 ℃)。一般把物質內能隨溫度升高而增大的部分稱為顯熱，把相變的熱效應稱為潛熱，把化學反應的熱效應稱為化學反應熱，把溶液濃度變化的熱效應稱為溶解熱或稀釋熱。目前便于大規(guī)模使用的有顯熱和潛熱2類。

顯熱儲能技術是利用比熱容較大的物質(如水、巖石、土壤等)，在物質形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化會吸收或放出熱量的性質進行儲能。潛熱一般是在物質相變時才有，這種相變一般包括：固體物質的晶體結構發(fā)生變化；固、液相間的相變；液、氣相間的相變；固、氣相間的相變。

固-液相變儲能材料分為無機類(無機水合鹽)和有機類(高級脂肪烴類、脂肪酸及其衍生物)，其具有較高的相變潛熱，但是會產生液體，其封裝成本和適用性都受到很大限制，因此常用的相變儲能為固-固儲能。固-固儲能材料主要有高分子類交聯(lián)儲能材料、層狀鈦鈣礦吸附相變儲能材料復合體系、多孔基體復合相變儲能材料等。由于固-固儲能體積變化小，對容器的要求較低。

熱儲能一般用于為用戶提供冷、熱負荷。例如采

用空調蓄冷技術能夠在用戶側提供削峰填谷服務。利用低谷電驅動電動制冷機制冰，白天用電高峰期將冷量釋放出來。蓄熱技術還可以用來回收電爐的煙氣余熱及廢熱，能夠節(jié)約能源。在發(fā)電側則大規(guī)模地用于熱電聯(lián)產機組和光熱電站[12]，如果與核電站配合運行可以使核電站按基本負荷運行，對燃料元件的損害就可以降到最低。

1.5 制氣儲能

因為新能源發(fā)電消納的需要，電能和化石能源的相互轉化也成為研究的熱點。氫氣、天然氣等化石能源大規(guī)模存儲的技術相對于電能更加成熟。因此，電力制天然氣[13-14]以及電力制氫氣[15]逐漸成為新興的儲能形式。和傳統(tǒng)的電力儲能不同，制得的氫氣或天然氣一方面可以用來發(fā)電，以供應電網的高峰負荷，另一方面可以直接進入輸氣管道或封裝出售，參與氫氣市場和天然氣市場的流動。制氣儲能最大的優(yōu)勢在于將電能以化石能源的形式存儲和輸送，能夠有效減少電網的擴建需求。

1.5.1 電制氫氣儲能

氫氣是一種蓄能密度很高的物質，具有熱值高、環(huán)保、無碳排放等優(yōu)點，是優(yōu)質的二次能源。常用的制氫方法有礦物燃料制氫法、電解水制氫法、熱化學制氫法、生物質制氫法等。其中，礦物燃料制氫法，尤其是天然氣蒸汽轉制法是最經濟的生產方法，但是該方法對化石燃料有著供應的要求。電解水制氫是一種成熟的制氫方法，其優(yōu)點在于制氫純度高，缺點在于成本很高，其中電費占整個制氫生產費用的絕大部分，一般而言很難和礦物燃料制氫法競爭。但是對于可再生能源豐富的地區(qū)，電解水不僅可以制得廉價的氫氣，還可以實現(xiàn)資源的再生利用，因此利用新能源電解水制氫被認為是最有前景的技術之一[16]。

通常采用的電解水制氫儲能系統(tǒng)能夠在發(fā)電部分輸出富余時，使用電解水制氫并儲存氫氣；在發(fā)電部分功率不足時，氫氣和氧氣發(fā)生反應，發(fā)出電力供給負載使用。由于氫氣在發(fā)電過程中不會發(fā)生燃燒反應，不受卡諾循環(huán)限制，因此其能量轉化效率理論上比電池儲能高。同時，制氫儲能的日常維護工作量少，維護周期比電池儲能長[17]。

1.5.2 電制天然氣儲能

在電制氫氣的基礎上，研究人員提出了電制天然氣的概念，如圖1所示[18]。首先通過使用電力制備氫氣，氫氣可以封裝出售，注入天然氣管網或專用的管道，也可以用于發(fā)電。同時，可使用產生的氫氣與二氧化碳合成甲烷，并將生成的甲烷注入管網中輸送到終端用戶。

圖1 電制天然氣示意圖Fig.1 Power-to-gas concept

電制天然氣的最大優(yōu)勢在于其雙向連接了電網和天然氣網，能夠將電力以天然氣的形式存儲和運輸，利用現(xiàn)有的天然氣存儲和運輸基礎設施為電力系統(tǒng)的運行提供靈活性[19]。這樣可避免新增基礎投資(如增設電力線路)，同時解決了新能源消納的問題。

2 儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網中的應用

作為能源互聯(lián)網的重要元素之一，儲能系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多種能源的融合運轉，確保綜合能效的最大化[20]。具體而言，物理儲能、電磁儲能和電化學儲能本質上均為電力儲能，即電能在富余時轉化為其他形式的能量，在需要時再轉化為電能。而熱能儲能和制氣儲能則是“跨系統(tǒng)”的儲能形式，熱能和氫氣、天然氣等能源盡管也可以轉化為電能，但是更多地直接滿足熱負荷和化工負荷。因此，物理儲能、電磁儲能和電化學儲能一般僅用于電力系統(tǒng)，而熱能儲能和制氣儲能可實現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的互聯(lián)。

2.1 輔助消納新能源

2.1.1 提升新能源發(fā)電的電網友好性

儲能系統(tǒng)具有靈活的充放電能力，配置于風電場或光伏電站中能夠平滑新能源出力[21]，減少其對電網的沖擊[22-24]。對于單臺風機，將儲能系統(tǒng)配置于風電機組背靠背換流器的直流端，通過一定的控制策略能夠有效緩解風機出力波動[25]。對于風電場，文獻[26]提出使用超級電容器和鋰電池組成的混合儲能系統(tǒng)平滑其出力。文章采用了基于小波分解的控制算法，有效降低了風電場在1 min和30 min內的出力波動。文獻[27]研究了風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有功控制策略，同時評估了儲能系統(tǒng)的容量對該發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性的影響。文獻[15, 19]研究了使用制氫儲能和制天然氣儲能平滑風電出力。

儲能系統(tǒng)能夠快速地四象限調節(jié)，因此可靈活地與電網雙向交換無功。文獻[28]研究了在輸電網中

投運儲能系統(tǒng)以平抑由風電場造成的電壓波動。文獻[29]采用了模糊邏輯策略對風電場配置的儲能進行控制。研究表明，配置儲能可有效地提升電網的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，進而能夠提高風電場的接入容量。未來對儲能輔助新能源并網控制的研究將著重于儲能有功和無功功率的優(yōu)化控制[30]，通過多目標的控制方案降低儲能的使用成本。

2.1.2 提升新能源發(fā)電的市場競爭力

配置儲能系統(tǒng)能夠提升新能源在電力市場中的競爭力。在各國逐漸降低新能源發(fā)電補貼的前提下，提高新能源在電力市場中的收益能夠保證投資者對新能源開發(fā)的積極性。風電、光伏等新能源由于預測精度較低、可控性較差，在電力系統(tǒng)運行中會面臨由于出力偏差而導致的經濟懲罰[31]。如何通過儲能系統(tǒng)提高新能源發(fā)電收益、減小懲罰成為重要的研究課題。文獻[32-33]基于國內電力體制探索了風電-儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行的新模式，并提出對應的隨機優(yōu)化模型。新的運行模式不僅能夠使新能源出力跟隨負荷，還能提高風電場的經濟效益。

在歐美電力市場環(huán)境下，文獻[34-36]等提出了儲能系統(tǒng)配合新能源在日前市場上的報價策略。通過預測次日的電價和風功率出力生成多個隨機場景，采用隨機優(yōu)化的方法確定儲能系統(tǒng)的次日出力計劃。目標函數(shù)一般為最大化收益期望，約束中可以采用機會約束限制風電出力不足的風險[33]。大型的儲能系統(tǒng)可以發(fā)揮其市場力影響最終的成交價格，文獻[37]研究了儲能系統(tǒng)配合可再生能源作為日前市場價格制定者的報價策略。文獻[38-42]等研究了新能源發(fā)電和儲能系統(tǒng)在實時市場中的最佳控制策略。常用的控制策略包括線性控制策略、動態(tài)規(guī)劃策略、基于備用容量的控制策略等。文獻[43]將日前和實時2個市場結合起來，在日前上報策略中考慮實時控制策略，提出了整合的風-儲上報及控制策略，進一步提高整體的經濟效益。同時，利用風電等新能源預測精度隨時間臨近不斷提高的特點，文獻[44-46]研究了考慮日內市場的滾動優(yōu)化模型。通過不斷地修正出力計劃，減小出力偏差，從而提高整體的經濟效益。圖2為滾動優(yōu)化策略示意圖。

2.2 參與電力系統(tǒng)優(yōu)化調度

由于儲能系統(tǒng)的能量受限，對于其參與電力系統(tǒng)優(yōu)化調度的研究重點考慮其能量耦合約束。文獻[47]提出了理想儲能系統(tǒng)的一般模型，建立了其參與機組組合的確定性和隨機優(yōu)化模型。文獻[48]采用分支定界結合內點法求解含儲能的機組組合問題，研究儲能對含風電系統(tǒng)機組組合的影響。含儲能的最優(yōu)潮流(optimal power flow，OPF)模型需考慮多個負荷斷面。文獻[49]建立了考慮儲能參與的OPF模型，通過忽略無功潮流將OPF轉化為凸優(yōu)化問題。文獻[50]在OPF半正定規(guī)劃模型研究的基礎上，建立了考慮儲能系統(tǒng)的OPF模型，并證明在引入儲能之后仍能滿足對偶間隙為0的條件。文獻[51]改進了儲能模型，并對剩余能量約束進行了松弛與自適應調整。

圖2 在日前、日內和平衡市場中風電-儲能的滾動優(yōu)化策略示意圖Fig.2 Illustration of rolling optimization strategies that union of wind farm and energy storage applies in day-ahead, intraday and real-time markets

由于電池、飛輪等類型儲能的功率能夠快速調整，是優(yōu)越的調頻資源，其控制策略是研究的熱點。文獻[52]針對安裝儲能的風電場，提出了風儲聯(lián)合參與電網一次調頻的模糊邏輯控制策略。文獻[53]考慮電池的能量限制，提出其動態(tài)可用自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)概念并根據(jù)區(qū)域控制偏差大小調整儲能的功率輸出。文獻[54]對儲能參與AGC提出了二類控制策略，并采用實際電網數(shù)據(jù)進行了比較和分析。圖3示意了將區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)高低頻分量分解，由儲能承擔變化較快的高頻分量的AGC控制策略。

圖3 儲能承擔高頻分量的AGC控制策略示意圖Fig.3 Schematic illustration of AGC control strategy that energy storage response to high-frequency component

近幾年，美國通過修改市場規(guī)則，允許儲能參與調頻輔助服務市場[55]。文獻[56]研究能量市場和輔助服務市場聯(lián)合優(yōu)化，最大化儲能調頻可用容量的方法。另外，文獻[57]對儲能系統(tǒng)的容量價值開展了研究。

2.3 部署儲能提高傳輸能力和穩(wěn)定性

文獻[58]針對智利電網風電送出阻塞的情況，研究儲能對減小棄風/阻塞的作用，考慮了傳統(tǒng)機組爬坡速率的限制。文獻[59]研究抽蓄電站和電網升級的協(xié)調規(guī)劃問題，考慮棄風損失最小、社會成本最低等目標，采用多目標優(yōu)化方法求解。美國電科院的研究[60]重點考慮了儲能對于緩解N-1條件下電網熱極限約束的作用，認為鉛酸電池較有吸引力；而對于提高電網穩(wěn)定性，認為超導磁儲能具有明顯優(yōu)勢。文獻[61]對應用超導儲能裝置提高電網暫態(tài)穩(wěn)定性進行了研究。文獻[62]提出了采用儲能提高交流互聯(lián)電網穩(wěn)定控制的方法。文獻[63]采用飽和控制理論，提出了提高電網穩(wěn)定性的儲能系統(tǒng)容量配置方法。

2.4 分布式儲能資源與電動汽車V2G

分布式儲能主要包括安裝在配電網中的儲能系統(tǒng)、用戶側儲能系統(tǒng)和分散的電動汽車電池資源等。分布式儲能可以提升配電網運行的安全性和經濟性，從而提高配電網接納分布式電源的能力。目前主要的研究熱點在于分布式儲能的選址定容優(yōu)化和優(yōu)化運行策略。文獻[64]從減少阻塞成本、延緩配網升級和實現(xiàn)低儲高發(fā)套利3個方面分析了電池儲能系統(tǒng)的效益并建立了以收益最大化為目標的優(yōu)化模型。文獻[65]研究了包含分布式儲能和分布式電源的需求側管理問題，提出了一種非合作博弈情景下的分布式優(yōu)化算法。文獻[66]則研究了在家庭安裝儲能且與配電網運營商共享的情景下，如何優(yōu)化分布式儲能的運行以同時滿足家庭用戶節(jié)約用電費用和保證低壓配電網安全運行的需求。

大量分布式儲能資源通過聚合，可以向電網提供可觀的儲能容量。隨著電動汽車的發(fā)展，電動汽車參與電網削峰填谷[67]、調頻服務[68]等成為研究的熱點。對電動汽車充放電與新能源發(fā)電配合，文獻[69]在配電網層面進行了研究。電動汽車與電網互動(V2G)消納新能源發(fā)電的潛力巨大，但目前面臨電池技術、市場手段與調控技術、接口標準等多方面的挑戰(zhàn)。另一類具有潛力的儲能資源是分布式熱負荷[70-71]，在控制策略方面已有較多文獻發(fā)表，但其與新能源發(fā)電配合面臨與V2G類似的挑戰(zhàn)。圖4示意了多類型分布式儲能資源參與電網運行優(yōu)化、提高新能源發(fā)電消納能力的控制構架。該構架包括輸電網、配電網和本地資源3個層級，在時序上包括日前計劃、日內滾動優(yōu)化和實時控制3個階段。其中二級控制中心可以是配電網調度部門，也可以是集中商。該構架還可包括分布式電源和其他類型的可控負荷資源。

圖4 多類型分布式儲能資源的協(xié)調控制構架示意圖Fig.4 Schematic illustration of coordinated control architecture for multi-type distributed energy storage resources

2.5 多能源系統(tǒng)互聯(lián)與協(xié)調運行

隨著新能源在發(fā)電資源中占比的不斷增加，供需不匹配的情況將日益嚴重[10]。通過電能和化石能源、熱能的相互轉化，不僅能夠有效吸納新能源，緩解電網壓力，更能充分利用現(xiàn)有基礎設施資源，提高能源系統(tǒng)整體的安全性和利用效率。

2.5.1 電-氣協(xié)調

近年來，新興的制氣儲能能夠利用多余的電能(主要來自于新能源)制造氫氣、天然氣等，產生的化石能源不僅可以應用到其他工業(yè)場合，還能夠反向發(fā)電。如圖5所示，氫氣通過輸、配氫網絡能夠和電網緊密耦合，在發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)為電網提供支持。

圖5 氫能源網絡與電力網絡耦合示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrogen network coupled with power systems

文獻[72]提出了自備電廠且氫氣就地利用、自備電廠且氫氣外輸利用、直供且氫氣就地利用、自備電廠且氫氣接入天然氣管網4種模式，分析了制氫的經濟性。文獻[15]研究了風電和電解制氫儲能聯(lián)合運行模式，算例分析表明，兩者協(xié)調生產不僅能夠提高風電在電力市場中的收益，還能夠通過使用可再生能源降低電解氫的生產成本。文獻[73]首次構建了風電-氫儲能與煤化工多能耦合系統(tǒng)的基本架構，不僅就近為高耗能的煤化工產業(yè)用戶供電，最大限度地利用了可再生風能源，還能有效緩和新能源直接并網對電網的沖擊，同時最大限度地減少了煤化工生產過程中的原料煤和能源煤的消耗，提高了整體的社會效益。文獻[13]以英國實際系統(tǒng)為例，從技術、經濟、環(huán)境等方面評估了電制天然氣儲能對英國電網和天然氣網絡的增強作用。研究表明，電制天然氣儲能系統(tǒng)不僅提高了各自網絡運行的靈活性，更減少了能源網絡的投資需求。

2.5.2 電-熱協(xié)調

電能容易傳輸不易存儲，而熱能容易存儲而不易運輸。熱力系統(tǒng)相比電力系統(tǒng)是一個慣性很大的系統(tǒng)[74]。通過儲熱系統(tǒng)能夠有效地將電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)互聯(lián)，充分發(fā)揮兩者在存儲和傳輸方面的優(yōu)勢。更重要的是互聯(lián)后的兩個系統(tǒng)整合為一個慣性更大的系統(tǒng)，有助于保證自身的穩(wěn)定。

如圖6所示，熱能儲能系統(tǒng)能夠對電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的源、網、荷三端發(fā)揮其耦合效應。在電源側儲熱系統(tǒng)主要有2項應用，分別是應用于光熱電站和熱電聯(lián)產機組。儲熱系統(tǒng)是光熱電站的核心組件之一，可以保證光熱電站發(fā)電的連續(xù)性和可調度性，進而保證其可在高電價時段發(fā)電以提高經濟性[75]。儲熱系統(tǒng)應用于熱電聯(lián)產機組的主要作用是解耦熱電聯(lián)產機組的熱-電耦合特性，弱化其“以熱定電”的約束，提升機組的調節(jié)能力，進而提高電力系統(tǒng)的靈活性，以及新能源的消納能力[74]。

圖6 儲熱系統(tǒng)在電力-熱力系統(tǒng)源網荷三端的耦合效應Fig.6 Coupling effect of thermal storage on source, network, and load sides of power and thermal systems

在網側，通過儲熱系統(tǒng)的作用可以將風電等新能源就地消納，減少電力的外送容量。由于線路阻塞、調峰能力不足等原因，我國“三北”地區(qū)的風電限電損失較為嚴重。同時，我國供熱采暖一直以燃煤為主，煙塵、粉塵和SO2是構成我國大氣污染的主要因素。風電供暖對于解決我國的環(huán)境污染問題和“三北”地區(qū)的棄風限電問題具有極高的價值。除了保證優(yōu)先調度、建設外送線路外，我國有關部門在2011年后推動實行北方地區(qū)風電供暖[72]，有望有效緩解供暖污染和棄風問題。大容量的儲熱系統(tǒng)是風電供暖系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，能夠緩沖風電的出力波動，提供較為可靠的熱力供應[74]。

在負荷側，智能樓宇通過蓄冷空調技術進行電-熱耦合。當電價較低或樓宇安裝的分布式新能源多發(fā)時，蓄冷空調系統(tǒng)耗電蓄冷；在電價較高或樓宇安裝的分布式新能源少發(fā)時，蓄冷空調釋放冷氣，節(jié)約電能。負荷端智能樓宇利用蓄冷空調系統(tǒng)不僅能夠為電網提供可觀的調峰能力，還能就地消納分布式新能源。

3 總結與展望

本文結合各類儲能系統(tǒng)的技術、經濟特征，對能源互聯(lián)網背景下儲能系統(tǒng)應用的研究現(xiàn)狀進行了綜述和探討。儲能系統(tǒng)對于能源互聯(lián)網發(fā)展的促進作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)儲能有助于緩解發(fā)電-用電之間的不平衡，有助于電網進行阻塞管理，延緩輸變電設備的擴容投資，提高整體的社會效益。儲能還能夠為電網運行提供調峰調頻、無功支持和黑啟動等輔助服務。

(2)儲能有助于新能源的消納。儲能系統(tǒng)具有靈活的四象限運行能力，能夠平滑新能源出力、維持電壓穩(wěn)定，有助于新能源的友好并網。在風電場、光伏電站中配置儲能系統(tǒng)能夠提高新能源發(fā)電商在電力市場中的競爭能力，提高其經濟收益，促進新能源的投資和發(fā)展。

(3)儲能與電動汽車協(xié)同發(fā)展。隨著大規(guī)模電動汽車接入電網充電，其對電網的影響不容忽視。對快速充電設施，配置儲能系統(tǒng)能夠平滑負荷波動，減少并網沖擊；同時作為分布式的儲能資源，電動汽車能夠為電網提供多種輔助服務，協(xié)助消納分布式新能源，提高電網運行的經濟性和安全性。

(4)儲能系統(tǒng)有助于多種能源系統(tǒng)的互聯(lián)互通。成熟的儲熱技術和新興的電力制氫、電力制天然氣儲能可連接電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)與化石能源傳輸網絡，充分發(fā)揮各個系統(tǒng)的特點，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的優(yōu)勢互補。電力、熱力、天然氣網絡的互聯(lián)不僅能保證各個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，更有助于消納新能源、生產清潔燃料、減少碳排放，提高整體的能源利用效率。

然而，儲能系統(tǒng)充分發(fā)揮其效用還面臨著諸多挑戰(zhàn)，潛在的研究工作包含以下幾個方面。

(1)儲能系統(tǒng)的建模。目前，對于電力系統(tǒng)中儲能的建模已有一定的研究。但是電力儲能系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)乃至電制氫氣、天然氣系統(tǒng)有著很大的不同。如何構建適用于實際的規(guī)劃和運行控制的儲能模型是值得深入研究的方向。

(2)考慮多類儲能系統(tǒng)的協(xié)調規(guī)劃問題。能源互聯(lián)網背景下的規(guī)劃問題不僅要考慮電網，還需要考慮熱力網絡、天然氣網絡，乃至交通網絡等。如何在綜合建模的基礎上，充分協(xié)調各個系統(tǒng)的規(guī)劃，并在規(guī)劃中考慮各類儲能的交互影響將是一個極其復雜的問題。

(3)大量儲能的分布式控制問題。能源互聯(lián)網的發(fā)展將推動分布式發(fā)電和分布式儲能的快速發(fā)展。隨著發(fā)電和儲能單元數(shù)量的增長，傳統(tǒng)的集中式控制模式將不能滿足未來的發(fā)展要求。因此需要研究和開發(fā)新的能源管理系統(tǒng)和分布式控制策略，使其在保證電力以及熱力等系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經濟運行的前提下，能夠充分發(fā)揮各系統(tǒng)間的互補作用。

(4)儲能資源的商業(yè)模式和市場機制。儲能包含多種能源形式，其成本效益、價格響應等涉及的因素非常復雜?？紤]多種類型儲能的市場和價格機制是重要的研究方向，也是目前研究的薄弱環(huán)節(jié)。除研究規(guī)?；瘍δ転殡娋W提供輔助服務的市場和補償機制外，還需要基于微觀經濟學、機制設計等理論，研究分布式儲能資源參與大規(guī)模新能源消納和需求側用能優(yōu)化的商業(yè)模式和價格激勵機制。

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(編輯 劉文瑩)

Research Status and Prospect of Energy Storage Application under Energy Internet Background

HU Zechun1, DING Huajie1, SONG Yonghua1, ZHANG Fang2

(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.National Electric Power Dispatching and Control Center, Beijing 100031, China)

The integration of more and more large-scale renewable energy generation and distributed renewable energy generation brings new problems and challenges for the power system operation and planning. Energy storage is the indispensable resource to achieve the absorption of renewable energy generation with the high ratio integration. This paper firstly introduces main types of electric storage systems from the perspectives of energy conversion principles, technical advantages and disadvantages and applicable ranges, and mainly discusses thermal storage as well as power-to-gas and power-to-hydrogen storage. On this basis, this paper combs and analyzes the research status of energy storage in different sectors of power systems, i.e., power generation, transmission, distribution and demand sides, and multiple energy system interconnections under the background of energy internet. Lastly, this paper gives an outlook of the challenges and the corresponding research directions on the application of energy storage in the future.

energy storage; new energy power generation; energy internet; electric vehicle

國家自然科學基金項目(51477082)

TM 60

A

1000-7229(2016)08-0008-10

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.002

2016-04-27

胡澤春(1979)，男，博士，副教授，主要研究方向包括電動汽車、儲能技術應用、智能電網、電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與規(guī)劃、電力市場；

丁華杰(1989)，男，博士，主要研究方向為風電調度、風-光-儲聯(lián)合優(yōu)化運行；

宋永華(1964)，男，教授，英國皇家工程院院士，主要研究方向為智能電網、電力市場和低碳電力；

張放(1987)，男，博士，主要研究方向為儲能技術應用和大電網調度。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51477082)