蘇小林，李丹丹，閻曉霞，譚逸雪

(山西大學電力工程系，太原市 030013)

儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用分析

蘇小林，李丹丹，閻曉霞，譚逸雪

(山西大學電力工程系，太原市 030013)

儲能是構建智能電網和能源互聯(lián)網的關鍵技術，是實現穩(wěn)定電網運行、優(yōu)化能量傳輸、利用清潔能源、改善電能質量等目標的重要手段。針對各種電力儲能，應用時間尺度與多維度性能指標進行技術分析和比較，指出了相應的應用場景、技術要求和待改進內容等；同時，分析、綜述了儲能在電力系統(tǒng)中的相關應用和優(yōu)化配置方法；最后，探討了全球能源互聯(lián)網對儲能的需求和面臨的挑戰(zhàn)。文中的分析結果和結論對于儲能應用具有非常積極的指導作用。

儲能；電力系統(tǒng)；新能源；配置；全球能源互聯(lián)網

0 引 言

隨著智能電網和能源互聯(lián)網的發(fā)展，電力系統(tǒng)對儲能的需求將日漸增大。儲能以其靈活的布置，智能的充電蓄能和放電供能，將會滲透到電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電等各環(huán)節(jié)，其多重運行效益和經濟價值將日益凸顯。儲能的時空轉移能量特性，也將會深刻地影響到電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行。

各國政府制定和出臺相關政策來扶持和推動儲能產業(yè)的發(fā)展,促進儲能技術不斷走向成熟。美國、德國、歐盟等發(fā)達國家對儲能技術均高度重視,從技術研發(fā)、商業(yè)化應用和市場推廣的角度給予資金激勵和政策支持。其中德國《支持分布式光伏儲能的新政》于2013年5月發(fā)布實施，2013年10月美國加州公共事業(yè)委員會通過了“儲能采購框架和設計項目”，確立了三大公共事業(yè)公司到2020年將完成1.325 GW儲能采購的目標。我國也相繼出臺了一些與儲能相關的法規(guī)、規(guī)劃和辦法，例如國務院辦公廳2014年11月份印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020)》中首次將儲能列為9個重點創(chuàng)新領域之一，要求科學安排配套儲能設施以切實解決棄風、棄光問題[1]。儲能已成為未來現代電力系統(tǒng)的前沿技術和重要課題。

儲能的規(guī)?；瘧?，將會沿著集中式儲能與分布式儲能相結合的路徑發(fā)展。在發(fā)展過程中，需要解決諸多的關鍵技術和市場運營模式。本文將從各類電力儲能的技術特性、應用需求和優(yōu)化配置等不同層面深入分析和探討儲能技術推廣和發(fā)展中所需研究和解決的問題。

1 電力儲能類型比較分析

1.1 電力儲能類型

電力儲能主要分為2類：直接儲能(能量以電場和磁場形式儲存)和間接儲能(電能轉換為化學能、機械能等形式)，如圖1所示。

圖1 儲能技術分類Fig.1 Classifition of energy storage technology

1.1.1 超導磁儲能

超導磁儲能(superconducting magnetic energy storage，SMES)是利用超導體電阻為零的特性制成的儲能裝置。SMES與其他儲能技術相比具有顯著的優(yōu)點：(1)由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高(高達80%～95%)；(2)釋放能量的速度快，通常只需幾ms；(3)采用SMES可使電網電壓、頻率、有功和無功功率易于調節(jié)[2]。

文獻[3]通過仿真驗證表明SMES可作為一個靈活調控的電源，能主動參與系統(tǒng)的動態(tài)行為，并能在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài)。文獻[4]提出雙橋SMES結構，通過電流型換流結構直接控制SMES與系統(tǒng)交換的無功電流來滿足系統(tǒng)的無功需求。并指出對于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性而言，SMES安裝在傳輸線中點不如安裝在動態(tài)負荷點處的效果好。文獻[5]研究表明超導儲能系統(tǒng)不僅可以進行電壓跌落補償，還能夠實現負載波動補償和有源濾波等功能，從而實現了統(tǒng)一電能質量調節(jié)。由此看出SMES可用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質。但超導磁儲能受制于超導材料技術，未來前景尚不明朗。

1.1.2 超級電容器

與常規(guī)電容器相比，超級電容器由于使用特殊材料制作電極和電解質，在介電常數、存儲容量和耐壓能力方面均具有較高水平的提升。正常工作時，超級電容器內部不發(fā)生任何化學變化，充放電過程具有良好的可逆性，因此充放電次數可達到數10萬次[6]。其最大特點在于具有非常高的功率密度，適用于短時間高功率的負載平滑和改善電能質量場合，特別是在配電網中維持電網穩(wěn)定、抑制電壓波動和瞬時斷電供電等方面的作用正逐步體現出來。

1.1.3 抽水蓄能

抽水蓄能(pumped hydro storage，PHS)是電力系統(tǒng)中應用最廣泛、循環(huán)壽命周期最長、容量最大的一種儲能技術。抽水蓄能電站按照一定的容量建造，其容量達到百MW、甚至上千MW，例如廣州抽蓄電站的容量高達2 400 MW，相當于一座大型火電廠[7]。目前世界上抽水蓄能機組總裝機容量超過1億kW，日本、美國和中國的裝機規(guī)模處于前3位。

抽水蓄能電站可獲得削峰填谷帶來的靜態(tài)效益，在實際電力系統(tǒng)運行中，PHS還承擔著多種動態(tài)任務，因此應關注動態(tài)、靜態(tài)相結合的綜合效益。有學者將抽水蓄能電站與風力發(fā)電相結合，研究聯(lián)合調度運行并網情況下對電網風電穿透率、潮流分布、靜態(tài)穩(wěn)定性、經濟效益等方面的改善作用[8-9]。

1.1.4 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能(compressed-air energy storage, CAES)技術是目前除抽水蓄能外唯一一種單體容量可以超過百MW的高效儲能技術。壓縮空氣儲能電站具有存儲時間長、資本損耗較小、建設投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站的優(yōu)勢，并且可實現模塊化組建。CAES主要用于峰谷電能回收調節(jié)、平衡負荷、頻率調制、發(fā)電系統(tǒng)旋轉備用等。特別適用于解決大規(guī)模集中新能源發(fā)電的平滑輸出問題[10-11]。

近日由國家電網公司支持，清華大學研發(fā)了“非補燃壓縮空氣儲能”技術。該技術的優(yōu)點是：(1)系統(tǒng)配置靈活，系統(tǒng)效率可達70%以上；(2)投資成本低；(3)適用于大規(guī)模儲能和分散式儲能，不發(fā)電時可作調峰使用；(4)碳排放為0；(5)可以提供天然的冷、熱、電三聯(lián)供；(6)可以在電網電壓不足時提供自然支撐調壓。該技術獲得中美發(fā)明專利受理，已在安徽蕪湖建成500 kW的示范項目，并且連續(xù)18個月運行效果良好。中國可以大規(guī)模部署自主研發(fā)的該項儲能技術。

1.1.5 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)(flywheel energy storage system，FESS) 通過對飛輪轉速的調節(jié)，實現儲能裝置與電網的能量交換。飛輪系統(tǒng)主要分為機械軸承的低速飛輪和磁懸浮軸承的高速飛輪2種，低速飛輪由于自放電率高的制約，主要作功率型應用，適用于系統(tǒng)穩(wěn)定控制；高速飛輪適合長期儲能，進行峰谷調節(jié)等儲能應用。由于FESS具有壽命長、瞬時功率大、沒有環(huán)境污染的特性，用飛輪儲能系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)不間斷電源(例如化學蓄電池)將成為趨勢[12]。

在調頻應用方面，飛輪儲能系統(tǒng)的響應時間為ms級，同時滿足向上調頻和向下調頻的電力需求，通常被認為具有雙倍調頻收益。因此國際上大多數研究機構將飛輪儲能技術的最終應用目標定位為電力調峰、調頻[13]。

1.1.6 電化學儲能

近年來，電池儲能發(fā)展速度很快，是最具應用潛力的一類儲能技術。電池儲能其特點在于功率和能量可根據不同應用需求靈活配置、響應迅速、控制精確以及帶電損耗低，建設規(guī)模一般在kW至百MW級別，常用于電力系統(tǒng)分散式的小容量場合，有望率先進入商業(yè)化發(fā)展階段。未來需要在電池材料、制造工藝、系統(tǒng)集成及運行維護等方面實現技術突破，降低制造和運行成本。

鉛酸電池是使用最成熟的蓄電池儲能技術，具有價格低廉、安全可靠等優(yōu)點，廣泛應用于電廠、電站的備用電源和電能質量調節(jié)。但由于能量密度低、循環(huán)壽命短和不可深度放電等因素限制了其在調節(jié)能量平衡方面的應用。新近研究開發(fā)的超級電池將鉛酸電池儲能容量大的優(yōu)勢和非對稱型超級電容功率密度高、循環(huán)壽命長的特點相融合，主要用于電力系統(tǒng)備用和短時功率型工況。目前在世界范圍內已建成幾個MW規(guī)模級別的超級電池示范工程[14]，主要支持并網新能源發(fā)電，運行中體現出超級電池快速跟蹤新能源爬坡率，平滑功率波動的能效，而且相比現用的氣體存儲器可提供更好的調制服務。值得一提的是，這種改進電池具有降低大容量儲能(MW·h級)成本的潛力。

鋰電池綜合循環(huán)效率最高(約為85%),在現代電池業(yè)中得到廣泛應用。在“十二五”規(guī)劃國家高技術研究發(fā)展計劃中，鋰電池是目前重點研究發(fā)展的儲能技術之一[15]。近年來鋰電池在電力系統(tǒng)備用電源及電網調頻方面的應用備受關注，磷酸鐵鋰電池在電動汽車動力電池體系中最具發(fā)展前景。隨著技術發(fā)展和規(guī)?；瘧?，鋰電池成本具有大幅降價空間。對國內多家鋰電池生產廠商進行調研的結果表明，2012年鋰電池成本下降30%，2015年下降50%，2020年有望下降70%[16]。

鈉硫電池(NaS)是全球范圍內安裝容量最多的化學電池，其大容量和快速輸出脈沖功率的能力使NaS電池可以同時用于電能質量調節(jié)和負荷的削峰填谷調節(jié)。但出于防腐、隔熱以及安全等方面的考慮，NaS電池結構復雜，制造和運行成本高，因而其成本在大規(guī)模儲能中不具有優(yōu)勢。加之國內外NaS電池的生產廠家較少，不利于形成價格競爭格局[17]。因而鈉硫電池是否能夠實現商業(yè)化的關鍵在于可靠性、安全性以及成本。

液流電池中技術最成熟的是全釩液流電池，電池中存儲的能量和功率可以單獨調節(jié)，易于實現規(guī)?；瘍δ堋５娊庖壕哂懈叨雀g性，必須使用特制膜,導致其成本十分昂貴。新近由耶魯大學的研發(fā)團隊研發(fā)的以有機聚合物和無害鹽溶液為基礎的電池系統(tǒng)，具有方便處理、安全且環(huán)保的特點，能夠以更低的成本，達到傳統(tǒng)液流電池系統(tǒng)的效果。該電池在第1次檢測中能夠承受105次電力循環(huán)，而不損失電池容量，非常適合作為大型風力發(fā)電廠和光伏電站的儲能設備。

1.2 儲能類型的技術比較

儲能種類的選擇既取決于滿足系統(tǒng)瞬時功率平衡所需的短時功率，也取決于長期電源總輸出電能與負荷需求的差值能量。不同應用場合對儲能系統(tǒng)的時間尺度和技術性能要求不同。

1.2.1 基于應用時間尺度的比較

儲能在電力系統(tǒng)中可以看成是一種具有不同時間尺度靈活響應特性的電源。根據放電時間的長短分為短期、中期和長期[18]。不同的存儲場合對儲能的響應速度和存儲時間要求有較大差別。例如電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制要求響應時間在ms級至min級，電能質量調節(jié)要求時間尺度小于1 s，這就需要采用具有快速響應能力的功率型儲能，如超級電容器、超導磁儲能、飛輪儲能等。用于能量優(yōu)化管理的應用如電力調峰、頻率調節(jié)和系統(tǒng)備用等要求儲能裝置足夠大的容量和較長的存儲時間，需采用能量型儲能技術(CAES、PHS、大容量電池)。而支持可再生能源接入與穩(wěn)定輸出對儲能系統(tǒng)的容量、功率、時間尺度要求比較寬泛，需根據發(fā)電系統(tǒng)實際情況選擇。表1詳細、綜合地描述了儲能在電力傳輸環(huán)節(jié)中對應不同時間尺度的應用。

1.2.2 基于多維度性能的比較

各種儲能技術在其能量密度和功率密度、儲能效率、使用壽命、環(huán)境特性以及成本性能方面均有不同的表現，各種儲能技術的主要優(yōu)缺點、有待改進方面及總投資成本[19-21]見表2。

通過上述對儲能技術的分析和比較可以總結以下幾點。

(1)任何一種儲能技術均存在一定的缺點和局限性，且由于本身固有特性對其進行改進存在技術和成本方面的困難。因此對不同性能的儲能有機組合則可以規(guī)避單體儲能不足，最大化發(fā)揮各種儲能的優(yōu)點，兼顧應用需求、成本和效率多個方面。因此，應用復合儲能是有必要的，這也成為儲能研究的一個新熱點。

表1 基于應用時間尺度的儲能技術比較
Table 1 Comparison of energy storage technologies based on application time scale

表2 基于多維度性的儲能技術比較Table 2 Comparison of energy storage technologies based on multi dimension performance

復合儲能是能量型和功率型儲能的組合，主要形式為超級電容結合電池類儲能(鉛酸電池、鋰電池和液流電池)，利用超級電容允許頻繁充放電的特性優(yōu)化蓄電池的充放電過程，通過對2種儲能方式的協(xié)調控制，使電網獲得更優(yōu)越的技術性能和更高的經濟指標。另一類常用混合儲能系統(tǒng)由飛輪儲能或SMES與微型壓縮空氣儲能聯(lián)合使用，以ms級響應能力應對緊急情況，同時可提高電能儲存量，使系統(tǒng)具有很好的負載適應能力。有研究結果表明，復合儲能并未導致成本的提升，相反在經濟性上比單一儲能有優(yōu)勢[22]。復合儲能的應用是大勢所趨。

(2)目前儲能成本較高。美國電力科學研究院(electric power research institute，EPRI)列出當前各種儲能技術的成本。其中，壓縮空氣儲能的成本最低，為60～125 $/(kW·h)，其他的儲能技術成本都遠遠高于壓縮空氣儲能，見表2。并且EPRI顯示目前市場對主要儲能應用的目標價值平均為200 $/(kW·h)，可以看出當前市場提供的儲能成本與此有很大差距。儲能投資過高導致ESS接入系統(tǒng)后盈利區(qū)間及利益較小，因此成本依然是限制儲能發(fā)展的瓶頸。

(3)從技術發(fā)展水平看，各種儲能技術成熟度參差不齊。抽水儲能和壓縮空氣儲能技術已經實用化；超導儲能和飛輪儲能技術成熟度還有待提高,離商業(yè)化應用還有相當大的距離；對于化學儲能技術，目前技術的發(fā)展呈百花齊放局面，液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力儲能的主流技術。

2 電力儲能應用分析

我國電力資源和負荷分布不均勻，用電高峰時出現輸配電線路阻塞、供電緊張的情況，而用電低谷時有些電源密集而電網結構薄弱地區(qū)則會存在較為嚴重的“窩電”現象,嚴重影響了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。實現區(qū)域電網互聯(lián)可以緩解上述問題。同時又引發(fā)新的運行問題，譬如區(qū)間功率振蕩。電力儲能技術突破了傳統(tǒng)電能即發(fā)即用的限制，適用于多種應用領域，以解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用主要在以下幾個方面。

2.1 能量管理

近年來電力負荷峰谷差日益增大,給發(fā)電和調度帶來困難。從建設成本和環(huán)境保護的角度出發(fā)，通過新增發(fā)輸配電設備來滿足高峰負荷的需求變得越來越困難。利用高效的大規(guī)模儲能系統(tǒng)實現“削峰填谷”，減小負荷峰谷差，實現發(fā)電和用電間的解耦,緩解相應的電源和電網建設，最大限度地提高電力設備的綜合利用效率。并且低儲高發(fā)實現套利,積極推動電力交易商業(yè)化。

電動汽車儲能可為電力系統(tǒng)提供巨大的儲能潛力。通過電動汽車與電網互動，使大容量的電動汽車蓄能電池變?yōu)橐环N可利用的備用電源，通過車網融合V2G理念，引導用戶有序充電，輔助電網調峰、調頻等應用。

2.2 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定是電網安全運行的首要條件，種種隨機性的擾動(負荷突變、雷電、設備故障等)都會造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定(功角振蕩、電壓失穩(wěn)、系統(tǒng)頻率偏移等)。將儲能系統(tǒng)安裝在發(fā)電機機端或系統(tǒng)重要節(jié)點處，擾動發(fā)生時,通過運行過程中控制儲能充放電時間及有功、無功功率交換，快速平抑系統(tǒng)的振蕩。通過協(xié)調配合使系統(tǒng)中的自動調節(jié)和安穩(wěn)裝置有時間進行調整，避免系統(tǒng)失穩(wěn)。文獻[23]在單機無窮大系統(tǒng)上，比較分析了SMES對應不同設定的切除時間時發(fā)電機功角響應情況，驗證了SMES可以增加故障后極限切除時間，從而阻尼系統(tǒng)振蕩以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

2.3 提高電網對新能源的接納能力

隨著大規(guī)模風力發(fā)電和太陽能發(fā)電并入電網，其隨機性和波動性的特性對電網的穩(wěn)定運行造成很大負面影響。為保證這些新能源可靠供電,附加儲能裝置對其進行緩沖，可有效削弱新能源對電網的沖擊，以提高大容量風電場或光伏電站接入能力，提升分布式發(fā)電和微電網的可控性和可調性，促進可再生能源開發(fā)和利用。隨著新能源在電網中滲透率的提高，如果能利用資源的多樣性和地域分布特點，結合系統(tǒng)需求側響應調節(jié)，使可再生能源發(fā)電量與儲能容量形成互補，則能夠大量減少系統(tǒng)發(fā)電備用和儲能需求量。

2.4 提供調頻服務

儲能技術不論應用在電網還是新能源發(fā)電中，盈利方式除了在電力市場中套利外，還有一個重要的價值是為電網運行提供輔助服務，尤其調頻服務是所有輔助服務中收益潛能最大的[23]。在新能源大量接入以及傳統(tǒng)機組發(fā)展受限的情況下，儲能系統(tǒng)參與電力調頻已逐漸被業(yè)界人士認識和重視起來。儲能的快速響應特性使其比傳統(tǒng)調頻電源精確、高效[24]，通過動態(tài)有功控制調整出力、平抑電源或者負荷波動，維持系統(tǒng)頻率處于允許區(qū)間。

在調頻服務方面，美國擁有相對成熟的市場。受益于2011年頒布的FERC 755 號令[25]，儲能作為調頻資源正逐步通過合理的投資回報價值在美國電力市場中迅速實現商業(yè)化。國內儲能與風電場聯(lián)合運行參與電網調頻的運行方式目前尚處于示范階段，如張北風光儲輸示范基地的風、儲聯(lián)合系統(tǒng)。儲能與火電廠聯(lián)合運行，參與電網自動發(fā)電控制調頻已實現商業(yè)化，如2013年北京石景山熱電廠MW級儲能系統(tǒng)(2MW鋰電池)已經掛網運行。

2.5 改善電能質量

發(fā)生短期電能質量問題時，關鍵在于儲能快速響應系統(tǒng)動態(tài)變化，實現有功調節(jié)和無功控制，降低電壓波動和閃變，消除電壓暫降和暫升，改善功率因數，保證用戶供電質量。同時儲能裝置還可作為敏感負載和重要設備的不間斷電源。在諸多電能質量問題中，經常出現并對用戶經濟損失最大的是電壓暫降。文獻[26]分析了SMES抑制電壓暫降的原理，并明確了采用儲能的必要性。目前解決電壓暫降問題集中在儲能單元配合動態(tài)電壓恢復器DVR和靜止無功補償裝置STATCOM，其中快速儲能單元可以由超級電容器、飛輪儲能裝置和超導磁儲能裝置實現。文獻[27]和[28]分別提出了使用超級電容器和飛輪儲能裝置的DVR設計模型?；趦δ艿碾娔苜|量環(huán)節(jié)裝置不僅具有優(yōu)異的電能質量控制性能，而且在經濟上也會越來越合理。

2.6 緩解線路阻塞,提高功率傳輸容量

新能源和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)受益于儲能，輸電系統(tǒng)也將受益于合理布局的儲能。電網在恰當位置配置一定容量的儲能裝置，線路無擁塞時儲存電能，阻塞發(fā)生時提供響應能量滿足本地供電需求，緩解輸電線路的阻塞情況，顯著調高線路傳輸容量[3]。儲能裝置結合先進的電力電子設備，有助于減少輸配電網絡傳輸容量損耗，可獲得因減緩或者替代新建輸電線路而產生的巨大經濟效益。

3 儲能優(yōu)化配置分析

正因為高昂的成本嚴重制約了儲能的應用空間，長期以來工程人員一直在關注如何優(yōu)化配置儲能，即合理地選擇儲能的安裝位置和儲能容量，使其在考慮經濟性的前提下滿足工程需要。儲能的配置研究主要集中在2個方面：(1)基于優(yōu)化傳統(tǒng)機組和電網經濟運行；(2)結合分布式發(fā)電或大規(guī)模新能源并網研究。

針對優(yōu)化電源/電網運行，配置目標主要有提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力(阻尼系統(tǒng)振蕩、提高電壓穩(wěn)定性、改善電壓分布、提高暫態(tài)穩(wěn)定性)、降損節(jié)能(降低網損、結合優(yōu)化潮流減少發(fā)電機組燃料消耗)以及考慮經濟效益(電能價格套利、增強輸電能力、延緩電網升級投資)等方面，一般研究結合儲能性能指標要求，選取上述其中一個或幾個目標進行優(yōu)化配置。

有關儲能提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的配置方法大致有如下幾種：仿真探索方法、留數法、特征向量法、靈敏度分析方法，近年來將遺傳算法、Tabu算法等智能算法也引入到大規(guī)模復雜電力系統(tǒng)的儲能優(yōu)化布局中。文獻[29]假設將一定容量的SMES連接在發(fā)電機母線處，建立暫態(tài)性能評價指標，采用TS禁忌搜索算法在含水電廠、風機和抽水蓄能電站的標準系統(tǒng)進行布局優(yōu)化，結果表明在總容量相同的情況下，分布式儲能較集中式儲能提高暫態(tài)性能的效果好。文獻[30]在文獻[29]的基礎上，首先采用遺傳算法依次確定不同SMES儲能容量對應的最優(yōu)布局，再對上述結果的性能指標值的大小進行排序，從而確定系統(tǒng)最佳儲能容量。從仿真結果中還可以看出當分布式SMES的容量較小時，多數儲能選擇配置在功率振蕩較大的同步發(fā)電機母線處，而當儲能容量大到一定程度時，優(yōu)化的結果是大部分儲能選擇在風機母線處。文獻[31]基于暫態(tài)能量函數理論優(yōu)化分布式儲能系統(tǒng)布局，并以經濟費用最小和狀態(tài)偏離值最小作為目標，進行多目標優(yōu)化儲能容量。關于提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的定容問題，目前主要有2個難點：一是如何將穩(wěn)定性的定性問題轉化成定量指標進行研究；二是儲能容量在動態(tài)電力系統(tǒng)中的量化問題。

儲能在新能源中的配置研究大多針對具體應用場合，集中在大規(guī)模新能源并網、分布式發(fā)電、微網等，應用形式包含風儲、光儲、風光儲以及帶儲能的獨立供電系統(tǒng)。其優(yōu)化配置與新能源本身的發(fā)電特性和發(fā)電數據的典型性密切相關，通過建立不同的優(yōu)化模型，采用優(yōu)化算法計算得到儲能系統(tǒng)的功率、容量。配置目標主要從平滑系統(tǒng)功率輸出、控制系統(tǒng)成本、增加社會效益幾方面出發(fā)，約束條件多考慮儲能自身特性(SOC、最大充/放電功率)、網內功率平衡、電壓限值等條件。

文獻[32]提出用有功功率偏差率來定性分析儲能系統(tǒng)平滑風電場輸出功率的效果，基于PSO算法計算最小容量。文獻[33-35]考慮負荷特性對儲能容量的影響。文獻[33]分析儲能系統(tǒng)配置容量與其改善負荷波動水平之間的關系，確定用于松弛調峰瓶頸的大規(guī)模儲能系統(tǒng)容量。文獻[34]以“削峰填谷”和“平滑負荷”作為負荷控制的優(yōu)化目標，將成本與負荷控制相結合，得到合理的儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結果。文獻[35]分析基于沖擊負荷特性的儲能功率/容量研究。還有研究基于衡量發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性(負荷缺電率[36]、供電損失率、能量浪費率)考慮儲能配置。文獻[37]以棄電能量損失及儲能電池成本之和最小為目標函數進行容量優(yōu)化。有些文獻按照滿足一定置信水平的配置原則進行配置，實現系統(tǒng)性能和經濟性之間的合理折中。

在含新能源的電力系統(tǒng)中，儲能的容量優(yōu)化除了考慮減小并網時對大電網的沖擊和最大化獲得效益外，還應考慮接入儲能對降低網絡損耗、改善電能質量等方面的影響，應兼顧儲能系統(tǒng)帶來的綜合效益。

圍繞混合儲能配置，多以混合儲能系統(tǒng)成本最小為目標，也有在此基礎上結合其他性能指標開展多目標優(yōu)化的研究，在約束條件和求解方法上與單一儲能大同小異，通過理論分析和數值仿真對比其相對于單一儲能的技術優(yōu)越性。當前研究中具有代表性的混合儲能協(xié)調控制方法是采用濾波器進行混合儲能的功率分配，由能量型補償低頻分量，功率型補償高頻分量，進而得到不同的充放電功率指令，并根據荷電狀態(tài)修正該指令。近年來有學者采用雨流計數法計及充放電深度建立混合儲能的全壽命周期模型，將儲能裝置成本延伸到安裝、運行、維護、失效報廢等整個壽命周期過程中，使優(yōu)化結果更符合工程實際。當前混合儲能研究聚焦在確定濾波器分界頻率的方法上。文獻[38]采用遺傳算法確定分界頻率，文獻[21]基于多孔算法多尺度分解提取不平衡分量中的趨勢分量和隨機分量。除了合理的配置方法外，儲能系統(tǒng)數學模型的精確性、復合儲能元件的連接方式以及協(xié)調運行策略對儲能容量的優(yōu)化至關重要。因此，有關復合儲能的協(xié)調控制策略、經濟規(guī)劃和優(yōu)化調度有待更深入的研究。

4 全球能源互聯(lián)網背景下儲能的應用

日漸興起的全球能源互聯(lián)網是全新的全球能源配置平臺，旨在優(yōu)化各種能源合理配置,提升能源利用效率，實現全系統(tǒng)的能量管理。在全球能源互聯(lián)網框架下，“一極一道”會設立若干風電、太陽能等可再生能源發(fā)電基地，則要求選擇適宜的大規(guī)模儲能技術解決新能源并網問題,突破資源限制，實現能源共享；在輸配電領域迫切需要儲能技術解決調頻、調峰問題，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；對于用戶端，通過儲能技術優(yōu)化使用電價，滿足重要負荷的供電可靠性和電能質量要求，同時通過熱儲能或相變儲能為用戶提供供冷、供熱綜合服務，這點區(qū)別于智能電網只針對電力儲能的要求。能源互聯(lián)網的興起將顯著推動儲能需要，為儲能提供了廣闊的發(fā)展空間。

全球能源互聯(lián)網的發(fā)展對儲能提出了4個方面的要求：(1)長壽命，必須具有較長的循環(huán)壽命(至少15年)才具有使用價值。建立于電磁技術上的儲能裝置循環(huán)壽命相對較長，機械儲能的壽命主要取決于機械部件的壽命，電化學儲能壽命相對較短。(2)高功率密度，保證儲能系統(tǒng)能夠應對電能質量、系統(tǒng)穩(wěn)定等突發(fā)狀況。(3)高能量密度，體積能量密度影響占地面積和空間，質量能量密度則反映了對設備載體的要求。在電動汽車充電站及城市商業(yè)設施對土地資源要求較高的場合，儲能電源要求體積、質量越小越好。(4)低成本，成本關系到儲能技術是否能夠推廣應用。儲能技術正朝著快速、高效、低成本的方向發(fā)展。

全球能源互聯(lián)使源網分布不均的矛盾更加突出,根據可再生能源發(fā)電基地和負荷中心分布情況合理配置儲能是極為關鍵的一步[39]。在大型清潔能源發(fā)電基地，考慮電站裝機規(guī)模、資源波動特性等因素，可選擇功率型電池和能量型CAES/氫儲能混合配置，且在光伏電站配備大容量熱儲能。在輸電網絡附近，可尋找特高壓線路與洲際天然氣管網交匯點，通過氫儲能技術，將氫氣通過天然氣管網送入負荷中心。在各大洲的負荷中心，應當考慮電網和用戶的實際需求確定配置方案。

總體來看，儲能作為能源互聯(lián)網的重要組成部分，已成為電力行業(yè)發(fā)展的前瞻性技術之一。隨著微網與電動車的興起，儲能的需求市場巨大，但儲能產業(yè)的發(fā)展仍然面臨著多方面的嚴峻挑戰(zhàn)。

(1)技術前景尚不明確。除抽水蓄能已得到大規(guī)模應用外，其他儲能方式大多處于實驗示范階段甚至起步研究階段，其技術成熟度、可靠性、經濟性尚需進一步驗證，用戶對各類型儲能技術的選擇需經市場進一步考驗。因此，儲能技術的產業(yè)化和大范圍推廣應用還需經歷一個較長的過程。我國目前仍沒有明確提出儲能的技術發(fā)展路線，導致至今沒有重點突破領域。從未來發(fā)展看，全釩液流電池、鋰電池和鉛炭電池是值得重點關注的大容量儲能類型。

(2)經濟性挑戰(zhàn)。因為儲能技術尚處于初期發(fā)展階段，存在成本過高的問題。在現有電價機制和市場環(huán)境下，單就儲能技術的成本而言，遠不能滿足商業(yè)化應用的要求。研制大規(guī)模推廣的儲能技術，不僅要從儲能技術本身出發(fā)，不斷提高性能、大幅降低成本，還要深入探索儲能技術在電力市場的應用方式，結合技術、投資、金融多個領域形成創(chuàng)新的商務模式。

(3)市場機制不健全。北美、日本已經制定一系列較完善的儲能規(guī)劃、投資扶持和激勵補貼政策，形成各自的運行機制，有力地促進了各種儲能技術示范工程運行和商業(yè)化推廣。目前,國內已出臺一些地區(qū)性規(guī)定，提供了一些發(fā)展機會和市場模式，但距離整體產業(yè)的健康發(fā)展還有很大差距，已有的相關政策均依附于新能源和分布式發(fā)電，迄今為止仍沒有頒布國家層面的專門針對儲能的政策。迫切需要建立適合我國電力市場和儲能產業(yè)發(fā)展的扶持政策。

5 結 語

儲能技術的廣泛應用是推動社會經濟可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，必將給傳統(tǒng)的能源結構帶來根本性變革，其應用勢在必行。今后仍需科研工作者就儲能本體研發(fā)、經濟規(guī)劃、優(yōu)化控制以及與現有控制設備的協(xié)調控制幾個方面加大研究力度，同時亟需政府從市場和政策層面引導和扶持儲能產業(yè)的推廣和應用。

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(編輯 張媛媛)

Application Analysis of Energy Storage Technology in Power System

SU Xiaolin, LI Dandan, YAN Xiaoxia, TAN Yixue

(Department of Electric Power Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013, China)

Energy storage is a key technology to build up smart grids and energy internet, and the important means to achieve the stable operation of grid, the optimization of energy transfer, the application of clean energy and the improvement of power quality. For various electrical energy storage, this paper focuss on technical analysis and comparison research based on its application time scales and multi-dimensional performance indexes, then presents the corresponding application scenarios, technical requirements and contents to be improved. Meanwhile, this paper analyzes and reviews the related application and the optimal allocation methods of the energy storage in power system. Finally, this paper illustrates the energy storage demands and challenges under the background of the global energy internet. The analysis results and conclusions act as a very positive guidance for the energy storage application.

energy storage; power system; new energy; configuration; global energy Internet

TM 711, TM 911

A

1000-7229(2016)08-0024-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.004

2016-01-08

蘇小林(1963)，男，工學博士，教授，本文通訊作者，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、智能電網等；

李丹丹(1992)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、儲能技術；

閻曉霞(1963)，女，工學學士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制；

譚逸雪(1992)，女，碩士研究生，研究方向為儲能在電力系統(tǒng)中的應用。