丁志康　王維俊　米紅菊　張國平　劉華

摘????? 要：新能源發(fā)電是目前全球能源發(fā)展的主流方向，但由于間歇性大和可控性差等問題，其發(fā)展一直受到制約。在改善其電能輸出穩(wěn)定性的過程中，儲能技術(shù)得到較大規(guī)模的應(yīng)用，進而也獲得了重要的發(fā)展契機。針對現(xiàn)有常見的儲能技術(shù)進行了簡介，并分析了各自的優(yōu)缺點;對混合儲能技術(shù)的現(xiàn)狀進行了介紹，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用實例及優(yōu)缺點;對國內(nèi)外儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析對比，總結(jié)出了我國在新型儲能技術(shù)方面的劣勢與近年來取得的研究成果;總結(jié)分析出了當(dāng)前儲能技術(shù)發(fā)展亟須解決的4個問題，并結(jié)合實際做了展望。

關(guān)? 鍵? 詞：新能源;儲能;混合儲能;現(xiàn)狀;分析

中圖分類號：TQ083⁺.1??????? 文獻標(biāo)識碼： A? ????文章編號： 1671-0460（2020）07-1519-04

Current Situation and Analysis of Energy Storage

Technology in New Energy Power Generation System

DING Zhi-kang 1， WANG Wei-jun 2， MI Hong-ju1， ZHANG Guo-ping1， LIU Hua1

（1. Army Logistic University of PLA， Chongqing 400000， China; ??2. Academy of Military Sciences， Beijing 100000， China）

Abstract： New energy power generation is the mainstream direction of global energy development， but its development has been restricted due to big intermittency and poor controllability. In the process of improving the stability of its power output， energy storage technology has been applied in a large scale， and has also obtained an important development opportunity. In this paper， the existing common energy storage technologies were introduced， and the advantages and disadvantages were analyzed; the current situation of hybrid energy storage technology was introduced， and the corresponding application examples and advantages and disadvantages were given; the development status of domestic and foreign energy storage technology was analyzed and compared， and the disadvantages of new energy storage technology in China and the research achievements in recent years were summarized. At last， four problems in the current energy storage technology development were summarized and analyzed， and development trend was prospected in combination with the actual situation.

Key words： New energy; Energy storage; Hybrid energy storage; Current situation; Analysis

當(dāng)前，全球氣候變暖、大氣污染、酸雨蔓延、水體污染、臭氧層破壞、固體廢物污染等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，這對國際能源形勢的改變產(chǎn)生了較為深遠的影響。新能源異軍突起，由于其具有清潔低碳、資源豐富、分布廣泛等優(yōu)點，目前已成為各國能源發(fā)展的主流方向。但新能源發(fā)電系統(tǒng)間歇性大和可控性差等問題，也一直嚴(yán)重制約其發(fā)展^[1]。在改善新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性的過程中，儲能技術(shù)得到較大規(guī)模的應(yīng)用，進而也獲得了重要的發(fā)展契機。

儲能技術(shù)具有削峰填谷的重要作用^[2]。在產(chǎn)能高峰期時，可以將未消耗的一部分電能儲存起來，待產(chǎn)能低峰期出現(xiàn)時，再將電能釋放，用于減輕波動，保證母線電壓的變化能夠維持在一定安全范圍內(nèi)，使得電網(wǎng)或者負載正常運行。儲能技術(shù)在國民經(jīng)濟生產(chǎn)生活中占據(jù)著重要地位，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)輸電、供配電、汽車制造、軌道交通、航天航空等領(lǐng)域。但囿于材料、性能、制造技術(shù)、政策限制等多方面的原因，儲能技術(shù)的發(fā)展還有極大的上升空間^[3]。

1 ?現(xiàn)狀及優(yōu)缺點

1.1? 儲能技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)缺點

目前，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中常見的儲能技術(shù)主要有化學(xué)儲能技術(shù)、磁場儲能技術(shù)、電場儲能技術(shù)以及機械儲能技術(shù)等。其中，化學(xué)儲能技術(shù)以鋰離子電池、鉛酸蓄電池為主，液流、鈉硫、鎳氫電池等技術(shù)的研究也取得了極大的突破。磁場儲能技術(shù)主要是指超導(dǎo)儲能。電場儲能技術(shù)主要包括電解電容儲能和超級電容儲能。機械儲能技術(shù)則以抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等為代表^[4]。各類儲能技術(shù)簡介及優(yōu)缺點如表1所示^[5]。

1.2? 混合儲能技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，受制于材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝等因素，尚未出現(xiàn)一種儲能技術(shù)能夠同時具有功率密度高、能量密度高、儲能效率高、循環(huán)壽命長、成本費用低等優(yōu)點，尤其是無法兼顧高能量密度和高功率密度。因此，以混合儲能系統(tǒng)作為解決辦法的方案較為常見。

李彥哲等^[6]提出了一種由含氫儲能和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，主要用于優(yōu)化風(fēng)/光/儲-微電網(wǎng)的運行。經(jīng)過HOMERPro軟件仿真分析，得出以下結(jié)論：該混合儲能系統(tǒng)使微電網(wǎng)總凈現(xiàn)值成本和平均化能源成本均得到下降，減少了能源的浪費，提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟性;但氫氣不穩(wěn)定，運行過程中，易發(fā)生安全事故，并且單獨考慮儲能成本，仍然較高。

鄧匯娟等^[7]建立了一種由超導(dǎo)儲能和蓄電池組成的混合儲能模型，主要用于平滑風(fēng)電功率波動。經(jīng)過仿真分析，得出以下結(jié)論：該混合儲能系統(tǒng)能夠較好地平抑風(fēng)電功率的波動，有效地減少電池的充放電次數(shù)及放電深度;但模型復(fù)雜，且預(yù)期經(jīng)濟成本較高。

韓舒淇等^[8]建立了一種由風(fēng)電制氫與超級電容組成的混合儲能模型，主要用于解決風(fēng)電機組出力波動導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰壓力較大、棄風(fēng)率較高的現(xiàn)象。經(jīng)過PSCAD/EMTDC仿真分析后，得出以下結(jié)論：接入該混合儲能系統(tǒng)后，風(fēng)電機組出力可控且友好，大大削減了對電網(wǎng)沖擊;但氫儲能分系統(tǒng)運行壽命無法保證，系統(tǒng)運行成本較高。

文獻^[9]提出了一種由化學(xué)儲能和抽水蓄能組成的混合儲能系統(tǒng)，主要用于提升微電網(wǎng)對可再生能源利用率。經(jīng)過MATLAB/simulink仿真分析后，驗證了該系統(tǒng)的可行性，但控制系靈敏度和穩(wěn)定度較低，并且抽水蓄能電站建設(shè)成本較高。

曹智^[10]提出了一種由蓄電池和壓縮空氣儲能組成的混合儲能系統(tǒng)，主要用于平衡風(fēng)功率和風(fēng)電場預(yù)測功率之間的偏差。經(jīng)過MATLAB仿真分析后，得到以下結(jié)論：該混合儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命長，儲能周期長，在經(jīng)濟性上有較明顯的優(yōu)勢;但控制系靈敏度和穩(wěn)定度較低，并且壓縮空氣儲能裝置的建設(shè)對場地要求較高，不具有普適性。

在各種混合儲能系統(tǒng)的提法中，由超級電容和蓄電池組合成的混合儲能系統(tǒng)提法較多，并廣泛應(yīng)用于汽車制造、船舶航行、軌道交通運行、微電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化、新能源發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域，具有較強的工程應(yīng)用價值^[11]。

祝逍臨和張純江等^[12-13]提出了一種由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)。其中，祝逍臨

等^[12]提出的系統(tǒng)主要用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中。在對儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理分析后，對系統(tǒng)主電路與控制策略進行了設(shè)計，最后通過仿真分析，得到以下結(jié)論：儲能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點，并減小了系統(tǒng)對超級電容的容量要求;但控制較為復(fù)雜。張純江等^[13]提出的系統(tǒng)主要用于解決在光伏發(fā)電量和負載需求量接近的情況下，系統(tǒng)頻繁切換蓄電池的充放電狀態(tài)，導(dǎo)致船舶啟動時，低電壓穿越能力較差的問題。利用MATLAB/simulink軟件搭建仿真模型，經(jīng)計算后得到以下結(jié)論：超級電容器的容量沒有得到完全的利用;超級電容單獨工作時，則可以充分發(fā)揮其快充快放的優(yōu)勢，減少了系統(tǒng)頻繁切換蓄電池充放電的次數(shù);母線電壓恢復(fù)至正常值的速度稍有變快，但未見較大優(yōu)勢。

1.3? 國外儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

以美國、日本、德國等為代表的發(fā)達國家，對新型儲能技術(shù)較為重視。在化學(xué)儲能、超級電容儲能、超導(dǎo)儲能等領(lǐng)域的研究發(fā)展處于較為領(lǐng)先的地位^[14]。美國能源部已將儲能技術(shù)定位為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，并制訂了一系列的稅收優(yōu)惠和補貼獎勵政策，用于支持儲能技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在2011年，美國就在西弗吉尼亞州建成了當(dāng)時世界上最大的鋰離子電池儲能項目，并投入運營。該電池儲能系統(tǒng)規(guī)模為32 MW，用于匹配98 MW的風(fēng)力發(fā)電。日本則在液流電池、鈉硫電池和改性鉛酸電池等儲能技術(shù)方面進行了大量的研究探索，尤其是在鈉硫電池領(lǐng)域已獲得重大突破，擁有了大量的專利技術(shù)。而在眾多歐洲的發(fā)達國家中，德國在推動儲能產(chǎn)業(yè)方面的動作較大，尤其是對光伏儲能進行了高額補貼^[15]。

但近10年來，其他國家也開始意識到儲能技術(shù)的重要性，紛紛加快了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局和技術(shù)的發(fā)展，美國、日本等發(fā)達國家的優(yōu)勢地位開始逐漸下降。據(jù)德國萊茵TüV與中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）聯(lián)合發(fā)布的《2018儲能系統(tǒng)白皮書》預(yù)測：到2026年，美國、中國、印度將成為全球電網(wǎng)側(cè)儲能安裝規(guī)模最大的前三個國家。這也說明，在儲能技術(shù)方面，國內(nèi)外的差距已經(jīng)越來越小^[16]。

1.4? 國內(nèi)儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在抽水蓄能這一傳統(tǒng)儲能技術(shù)中，擁有較大優(yōu)勢，按照總裝機容量來看，我國以32.0 GW位列全球第一，日本和美國次之。表2展示了全球運行抽水蓄能項目總裝機容量前10的國家。

但我國在新型儲能技術(shù)領(lǐng)域，和其他發(fā)達國家相比， 起步較晚^[17]，目前仍處于積極探索和建設(shè)示范工程的初級階段。根據(jù)美國能源部于2016年8月16日更新的全球儲能數(shù)據(jù)顯示，我國儲能項目累計裝機總?cè)萘窟_到32.1 GW，其中抽水蓄能裝機容量就高達32.0 GW，電化學(xué)儲能和熱儲能裝機容量均為0.05 GW，其余儲能項目數(shù)據(jù)未統(tǒng)計^[18]。從上述數(shù)據(jù)中，可以看出我國在新型儲能技術(shù)方面的劣勢。

為改善這一問題，我國政府部門也制訂了一系列的優(yōu)惠政策，包括降低稅收、提高補貼、減少審批流程、鼓勵科研立項等措施，尤其是在“十三五”規(guī)劃的百大工程項目中，就有多個與儲能技術(shù)相關(guān)的項目。

目前，我國已建成了一大批具有代表性的儲能示范項目。圖1為“張北風(fēng)光儲示范工程“，在儲能技術(shù)上，示范應(yīng)用了磷酸鐵鋰電池、鉛酸鋰電池、全釩液流電池、鉛炭電池以及超級電容等多種技術(shù)路線^[19]。

圖2為“魯能海西州多能互補示范工程”，該項目是國內(nèi)最大的發(fā)電側(cè)電化學(xué)儲能項目，于2018年12月25日順利并網(wǎng)發(fā)電，其中磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)裝機容量達到50 MW^[20]。

除此以外還有“大連液流電池儲能調(diào)峰電站”、“長沙微網(wǎng)分布式新能源儲能節(jié)能國家級示范基地”、“二連浩特風(fēng)電+光伏+光熱+儲能示范基地”、“河南電網(wǎng)100兆瓦電池儲能示范工程”等大規(guī)模儲能電站示范項目?？梢哉f，我國新型儲能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進入了快車道，與發(fā)達國家之間的技術(shù)差距正在逐漸減小^[21]。

2? 待解決問題

目前，多數(shù)儲能技術(shù)在理論上已經(jīng)較為成熟，但在實踐過程中，成本、壽命等短板問題就凸顯出來了。經(jīng)過分析，可總結(jié)出有以下問題亟須解決：

1）降低儲能系統(tǒng)的建設(shè)成本和運行維護成本;

2）延長儲能系統(tǒng)的運行壽命;

3）改進優(yōu)化儲能系統(tǒng)的控制算法，提高系統(tǒng)運行的可靠性和輸出的穩(wěn)定性;

4）提高儲能系統(tǒng)的安全性。

針對上述問題，可以考慮從以下兩個方面著手解決：

1）政府加強引導(dǎo)。通過政策扶持、鼓勵研發(fā)、資金投入、簡化審批等手段，吸引更多科研機構(gòu)和企事業(yè)單位進入儲能領(lǐng)域。

2）行業(yè)規(guī)范制定。基于我國儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，行業(yè)內(nèi)部制定科學(xué)嚴(yán)謹?shù)囊?guī)范，使整個產(chǎn)業(yè)得以有序、高效的發(fā)展，進而營造出一種良性的競爭氛圍。

3? 展 望

目前，國內(nèi)外學(xué)者已提出多種合理可行的儲能技術(shù)，其中大多數(shù)技術(shù)也已運用到了工程實踐之中，但仍暴露出了不少問題。隨著新能源發(fā)電的規(guī)模不斷擴大，為保證電網(wǎng)或負載的正常運行，大力研究與發(fā)展儲能技術(shù)是勢在必行的方向。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（項目編號：2016YFC0305001）;國家科技支撐計劃課題資助（項目編號：2014BAC01B05）。

收稿日期： 2020-01-31

作者簡介：丁志康（1996-），男，湖北省武漢市人，碩士，研究方向：電氣工程。E-mail：dzk.marco.reus@foxmail.com。

通訊作者： 王維俊（1964-），女，湖北省武漢市人，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力保障裝備和多能源發(fā)電技術(shù)。