儲能技術的發展及分析

滕詠哮 韓 靜

（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 儲能技術在電力系統中的應用

儲能技術已被視為電網運行過程中“采——發——輸——配——用——儲”六大環節中的重要組成部分。系統中引入儲能環節后，可以有效地實現需求側管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術的應用必將在傳統的電力系統設計、規劃、調度、控制等方面帶來重大變革。

2 儲能技術原理及特點

儲能系統一般由兩大部分組成：由儲能元件(部件)組成的儲能裝置；由電力電子器件組成的電網接入系統。主要實現能量的儲存、釋放或快速功率交換。

儲能系統的容量范圍寬，從幾十千瓦到幾百兆瓦；放電時間跨度大，從毫秒級到小時級；應用范圍廣，貫穿發輸變配用電系統。

儲能系統的主要作用如下：（1）用于電力調峰，解決用電矛盾；（2）用于用戶側，提高供電可靠性；（3）用于可再生能源優化，推動可再生能源開發應用；（4）用于電力系統穩定控制，提高電網安全性。

大規模儲能技術是對傳統“即發即用”的電力模式的革命性突破，它可以減少用于發電設備的投資，提高電力設備的利用率，安裝在用電設備附近可以降低線損，安裝在大城市附近可以提高供電可靠性。

3 儲能技術研究現狀

電能儲存的形式可分為四類：機械儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等）、電磁儲能（如超導電磁儲能等）和相變儲能（如冰蓄冷等）。

長久以來，電力系統中儲能技術的研究集中于大規模儲能技術以解決系統調峰問題。近來，儲能電池、超級電容器、超導電磁儲能和高效率飛輪等中小規模儲能技術取得長足的進步，有力拓展了儲能技術的應用范圍。憑借這些不同規模的儲能技術，其應用可貫穿電力系統發輸變配用電各個環節，以全面提升電力系統的運行效率、可靠性、電能質量和資產價值。

4 電力儲能方式和發展現狀

4.1 壓縮空氣儲能電站

壓縮空氣儲能電站 (compressed air energy storage，CAES)是一種調峰用燃氣輪機發電廠，主要利用電網負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓力7.5MPa的高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發電。CAES儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數高，壽命長，可以冷啟動、黑啟動，響應速度快，主要用于峰谷電能回收調節、平衡負荷、頻率調制、分布式儲能和發電系統備用。

4.2 超導磁儲能系統

超導磁儲能系統 (superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導體制成的線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉換，具有響應速度快，轉換效率高、比容量/比功率大等優點，可以實現與電力系統的實時大容量能量交換和功率補償。SMES可以充分滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節、提高系統穩定性和功率輸送能力的要求。

4.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統由高速飛輪、軸承支撐系統、電動機/發電機、功率變換器、電子控制系統和真空泵、緊急備用軸承等附加設備組成。谷值負荷時，飛輪儲能系統由工頻電網提供電能，帶動飛輪高速旋轉，以動能的形式儲存能量；出現峰值負荷時，高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發電，經功率變換器輸出電流和電壓。飛輪儲能功率密度大，效率高，循環使用壽命長，無污染，維護簡單，可連續工作，主要用于不間斷電源/應急電源、電網調峰和頻率控制。

4.4 電池儲能系統

電池儲能系統主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電。

鉛酸電池在高溫下壽命縮短，比能量和比功率較低，但價格便宜，構造成本低，可靠性好，技術成熟，已廣泛應用于電力系統。然而，其循環壽命較短，且在制造過程中存在一定的環境污染。

鈉硫和液流電池被視為新興的、高效的且具廣闊發展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池儲能密度高，體積小，系統效率高，單體壽命長，可根據用途和建設規模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負荷。液流電池電化學極化小，能夠 100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨立，并可根據設置場所的情況自由設計儲藏形式及隨意選擇形狀。

4.5 抽水蓄能電站

抽水儲能電站投入運行時必須配備上、下游兩個水庫，負荷低谷時段抽水儲能設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負荷高峰時抽水儲能設備工作于發電機的狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電。抽水儲能主要應用于調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動和提供系統的備用容量，還可以提高系統中火電站和核電站的運行效率。

4.6 超級電容器儲能

超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于電荷層間距非常小，加之采用特殊電極結構，電極表面積成萬倍增加，從而產生極大的電容量。

5 儲能技術發展前景

隨著新能源（風能、太陽能、燃料電池等）的日益普及,，以及電網調峰、提高電網可靠性和改善電能質量的迫切需求，電力儲能系統的重要性日益凸顯。因此，電力儲能技術的應用前景非常廣闊。采用大規模儲能裝置，可以減少和延緩用于發、輸、變、配電設備的投資，提高現有電力設備的利用率和供電可靠性，降低發電煤耗、供電線損。

儲能系統一旦形成規模效應,將從以下幾個方面產生經濟效益：

5.1 有效提高現有發輸配用電設備的利用率，改變電力建設的增長模式

以上海為例,目前上海的發電系統和輸配電系統均按照每年的最高用電負荷對發電容量和輸配電容量進行規劃和建設。同時，上海的負荷特性呈現明顯的大都市特性，晝夜峰谷差日益擴大，目前日負荷率約50%～60%。儲能系統一旦形成規模效應,可以通過儲能系統提高發電和輸配電環節的設備利用率，減少相應的電源和電網建設費用。這將徹底改變現有電力系統的建設模式，促進其從外延擴張型向內涵增效型轉變。

5.2 降低發電企業和電網企業的運行成本，減少用戶的用電費用

儲能系統的運行維護相對簡單，投入后可大量節約電廠和電網的運行維護費用，無論是電廠還是電網，運行維護都相對復雜，而儲能系統可大量節省運行維護的費用。為保證低谷負荷時候的電力平衡，大型火電機組大多要減至最低出力，小型機組更是需要日開夜停，“兩班制”運行。儲能系統大規模應用后，低谷負荷情況下，可以啟動儲能裝置進行儲能，機組可以運行在比較經濟的出力區間，從而獲得較高的經濟效益。

5.3 減少停電損失

實現分布式儲能后，電網發生故障和檢修的部分情況下，用戶可以通過儲能系統保證供電，用戶用電的安全可靠性大大提高，停電次數（時間）和停電損失大幅減少，經濟效應和社會效應明顯。

目前，電力儲能系統推廣應用的最大障礙在于國外少數企業的技術壟斷，由此造成其價格高企。要推動電力儲能系統在電網中的規模化應用：一靠，掌握自主知識產權，使其價格大幅下降；二靠，政府的政策鼓勵和資金推動。如果能實現電力儲能系統國產化，使其成本達到或接近應用水平，那么隨著峰谷電價差的逐步加大和對電能質量要求的日益提高，被壓抑的電網對電力儲能系統的需求將迅速得到強勁釋放。