大規模儲能技術應用及問題

大規模儲能技術應用及問題

儲能技術概述

能源是人類生存的基礎，隨著人類生產、生活的高速發展，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，也隨著人類技術不斷發展進步，而不斷呈現出技術進步的需求，如對電力的安全性、穩定性、持續性、經濟性、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的發展有可能得到更好的解決。

目前廣泛應用的儲能技術主要分為四類：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。每種儲能技術都有其自身的特點，表1總結了主要幾種儲能技術的優缺點及應用。

隨著儲能技術研究的深入，儲能技術正朝著能量轉換高效化、能量高密度化、功率大型化和應用低成本化的方向迅速發展。大規模儲能技術的發展和應用將可能對電力系統帶來革命性的影響。將使電力—歷來只能即產即用的特殊商品，通過儲存使其具備一般商品的特性，從而對其電力生產經營理念和運行管理模式產生巨大的變革。同時，只有儲能這一關鍵性技術的規模化發展，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，逐步成為替代傳統化石能源，并最終成為主導能源。

電池儲能技術應用領域及問題

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

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

表1　儲能系統的種類、特點及應用

新能源發電及電力調峰

近年來由于環境污染、傳統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展的政策，使新能源得到飛速的發展，從而也導致大量出現棄風、棄光等事件的發生，而一般認為這是電網不配套引起的問題，但核心的問題是新能源的隨機性、間歇性等特點引起的。因為輸電網由于經濟的原因不可能按新能源發電量的最大容量進行配套，導致新能源設備以最大容量發電時無法送出，而不發電時輸電網閑置、導致投資浪費。

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

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

2）可以降低輸電網的容量、改善電網性能、提高經濟性；

3）避免棄電事件發生、提高新能源發電設備的利用率和經濟性；

4）在新能源發電設備不發電時，可利用儲能系統儲存的電量參與電力系統的調峰，提高新能源發電廠商的經濟效益，降低新能源的發電成本。

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%，如果沒有經濟可行的大規模儲能技術，這個愿望不可能實現！因而儲能技術在新能源發電、電力調峰中的應用具有無限的發展前景，這不僅對新能源發電設備及發電廠商是非常有利的，同時對電網的性能和投資的經濟性也是非常有利的，更重要的是可以改變人類長期對化學能源的依賴、轉而依靠永不枯竭的新能源。

電動汽車及電力調峰

目前出于各種原因，各國政府都在積極的鼓勵發展電動汽車，因而電動汽車呈現蓬勃的發展趨勢。電動汽車發展方向主要包括混合動力汽車與純電動汽車兩種類型。混合動力汽車是在汽車處于加速或大負荷工況時，電機起電動機的作用輔助驅動車輪，補充燃油發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，電機起發電機的作用，將發動機的輸出功率轉換為電能儲存在電池中，從而保持燃油發動機工作在最佳狀態，達到節能減排的目的。混合動力汽車雖然能在一定程度上達到節能減排的目的，但由于儲存容量較小，且結構復雜，不能達到節能以及環保的最終要求，因而電動汽車最終發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動汽車行駛，在制動時回收能量，達到節約能量的目的。發展純電動汽車主要存在以下優點：

1）因為采用純電動驅動，結構和控制系統都較混合動力簡單，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，從而保護環境；

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

4）當電動汽車不經常使用時，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，提高電網的經濟、平穩運行的目的；同時也有利于避免電池長期處于過壓或欠壓的狀態，有利于提高電池的使用壽命；還可為使用者帶來一定的經濟收益，減少電動汽車的使用成本。

城市電網、智能電網的儲能

目前、電力的生產、傳輸、配電和使用都是同時進行的，但由于負荷具有波動性，致使輸配電網絡在負荷高峰時不能及時的給負荷供電，負荷低谷時出現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，其功率和儲能容量規模可以做的很大，對于控制電網穩定和安全及新能源的接入都能發揮巨大的作用，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、動態響應等性能指標；如果同時采用電池儲能技術與抽水蓄能技術相結合，可以取得較好的技術和經濟性能。

目前，世界各國都在研究和建設堅強智能電網、雖然到目前為止，智能電網并沒有統一的定義，而一般認為智能電網應具有安全性、自愈性、 兼容性、交互性、高效性、優質性集成性、協調性等特點。而采用一種儲能技術很難全面滿足智能電網需求。為適應智能電網的發展，除發展抽水蓄能外還應大力發展能夠靈活布置的電池儲能技術。因為電池儲能相對于其他儲能技術具有以下優點：

1）易于靈活、分布式的布置、可盡可能的靠近負荷中心；

2）動態響應速度快，及時的滿足輸電線路和智能電網的調度需求；

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）可有效的提高電網的電能質量，滿足電網的調壓和調頻的需要。

離網型系統的儲能

離網型系統主要應用在邊疆區、山區、海島、通訊基站和路燈等應用場所。離網型系統一般利用太陽能、小型風力發電機、小水電等電能，主要表現在這些電能具有間隙性、不穩定性，同時又沒有大電網的支撐。一般一邊利用這些電能給負載供電，同時也給儲能系統充電；在發電斷續期間由儲能系統組給負載供電。因而儲能系統對于離網型系統是必不可少的組成部分，使用儲能系統不僅有助于保證負荷的連續供電；同時有利于小型發電系統的黑啟動等優點。

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

電池儲能技術應用需要研究的領域

隨著近年來電池儲能技術的不斷發展，使大容量、大功率的電池儲能系統的廣泛應用成為可能。但在大規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。

大規模儲能系統管理、成組技術的研究

目前單節電池在儲能使用中，基本可以處于理想狀態，如手機電池、筆記本電腦等，可以比較好的實現剩余容量的檢測（SOC）、溫度的控制、過充過放控制、電池健康狀態（SOH）的測量、絕緣的監測問題等。但作為大規模儲能系統使用時，如電力儲能、電動汽車、無線基站等，需要將大量的單節電池串并聯使用、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，整體性絕緣監測，安全性問題等。

因而對于大規模電池儲能系統，首先需要解決的是將單節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。但電池成組串并聯的多節電池在制造或使用中，會出現個體差異，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電池的使用壽命，因而如何解決這種問題，是電池成組技術的關鍵。

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（SOH）、溫度場監測、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，大規模儲能技術才能得到廣泛的應用。

儲能系統容量的選擇性研究

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

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航里程和動力，不斷的通過增加儲能系統的容量來實現，這樣在增加續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展的初衷—節能減排的目的。

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

新能源發電儲能系統接入方式的研究

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

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

第三種儲能系統的接入方式是將儲能系統直接接在電網上，即新能源發電設備已將電能轉變成符合電網的電能輸送到電網上，而儲能系統重新從電網上取電或向電網放電的方式。這種接入方式的優點是便于儲能系統的集中放置；且不一定要放置在發電設備附近的特點；同時這種方式有利于在新能源發電不足時，可讓儲能系統單獨參與電網的調峰；每個控制系統都是獨立工作，在技術上容易實現。缺點是每臺發電設備都需要將電能轉換成合格的交流電能輸送到電網的設備，需要多次的整流和逆變，使系統的效率降低，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、要考慮到技術的可行性、系統的可靠性、現場的特點、工程的造價等各個方面，應根據具體系統具體研究的原則、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能環保的交通工具，因為其消耗電力，無排放；動力能源的費用遠低于傳統動力的汽車等優點。但實際電動汽車的推廣卻遇到了問題，表面的現象是電動汽車使用的配套不完善，續航里程短、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，而這相當于整車價格的近一半。總體的使用成本遠高于傳統動力汽車，這無疑阻礙了使用者的積極性。同時、電動汽車是否節能環保，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電的，而這一過程一定會消耗資源、污染環境的，同時電池儲能系統的制造和拆解都會消耗大量資源和能源、同時也會對環境造成影響，至于是傳統動力還是電動力的汽車那種方式更優，需要進一步的分析，本文不做定論。

但無論是從經濟性還是環境友好性等方面考慮，如果能有效的延長儲能系統的生命周期，無疑可以提高采用儲能系統設備系統的競爭力的。提高儲能系統的生命周期，要加強儲能系統管理技術的研究、即電池的SOC、SOH等狀態、壽命監測管理技術的研究，確保儲能系統處于最優的使用狀態，避免錯誤的使用、影響系統的生命周期，同時又能對電池的健康狀態做出準確的判斷，對于有些場所不再適用的儲能系統，可以根據具體的性能使用在其他場所，可有效提高儲能系統的使用周期。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，降低儲能系統的使用成本，保護環境。但如何去實現哪種健康狀態的電池適用那種使用場所，需要進一步的研究。

總結

當前，整個能源領域的技術人員都在研究如何使能源的開發、使用更高效、低碳、經濟、安全，而儲能技術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是解決新能源并網接入、提高能源利用效率、提高電網運行效率、改變傳統的運載工具、保證電能質量等方面的重要途徑，而且具有無限的發展潛力。本文總結了目前大規模使用儲能的領域及特點，同時對儲能系統需要進一步研究的方面進行了歸納，希望有利于儲能技術研究的工程技術人員更好的研究，推動儲能技術更快的發展，相信未來的儲能技術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境服務。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.010