新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術現(xiàn)狀與分析

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，儲能技術得到較大規(guī)模的應用，進而也獲得了重要的發(fā)展契機。針對現(xiàn)有常見的儲能技術進行了簡介，并分析了各自的優(yōu)缺點;對混合儲能技術的現(xiàn)狀進行了介紹，并給出了相應的應用實例及優(yōu)缺點;對國內外儲能技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析對比，總結出了我國在新型儲能技術方面的劣勢與近年來取得的研究成果;總結分析出了當前儲能技術發(fā)展亟須解決的4個問題，并結合實際做了展望。

關? 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)境問題日益嚴重，這對國際能源形勢的改變產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，儲能技術得到較大規(guī)模的應用，進而也獲得了重要的發(fā)展契機。

儲能技術具有削峰填谷的重要作用^[2]。在產能高峰期時，可以將未消耗的一部分電能儲存起來，待產能低峰期出現(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，使得電網或者負載正常運行。儲能技術在國民經濟生產生活中占據著重要地位，已被廣泛應用于發(fā)輸電、供配電、汽車制造、軌道交通、航天航空等領域。但囿于材料、性能、制造技術、政策限制等多方面的原因，儲能技術的發(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)中常見的儲能技術主要有化學儲能技術、磁場儲能技術、電場儲能技術以及機械儲能技術等。其中，化學儲能技術以鋰離子電池、鉛酸蓄電池為主，液流、鈉硫、鎳氫電池等技術的研究也取得了極大的突破。磁場儲能技術主要是指超導儲能。電場儲能技術主要包括電解電容儲能和超級電容儲能。機械儲能技術則以抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等為代表^[4]。各類儲能技術簡介及優(yōu)缺點如表1所示^[5]。

1.2? 混合儲能技術現(xiàn)狀

當前，受制于材料技術和生產工藝等因素，尚未出現(xiàn)一種儲能技術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/光/儲-微電網的運行。經過HOMERPro軟件仿真分析，得出以下結論：該混合儲能系統(tǒng)使微電網總凈現(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，提高了微電網的經濟性;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]建立了一種由超導儲能和蓄電池組成的混合儲能模型，主要用于平滑風電功率波動。經過仿真分析，得出以下結論：該混合儲能系統(tǒng)能夠較好地平抑風電功率的波動，有效地減少電池的充放電次數(shù)及放電深度;但模型復雜，且預期經濟成本較高。

韓舒淇等^[8]建立了一種由風電制氫與超級電容組成的混合儲能模型，主要用于解決風電機組出力波動導致電網調峰壓力較大、棄風率較高的現(xiàn)象。經過PSCAD/EMTDC仿真分析后，得出以下結論：接入該混合儲能系統(tǒng)后，風電機組出力可控且友好，大大削減了對電網沖擊;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對可再生能源利用率。經過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)，主要用于平衡風功率和風電場預測功率之間的偏差。經過MATLAB仿真分析后，得到以下結論：該混合儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命長，儲能周期長，在經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，并廣泛應用于汽車制造、船舶航行、軌道交通運行、微電網調度優(yōu)化、新能源發(fā)電并網等領域，具有較強的工程應用價值^[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)結構與工作原理分析后，對系統(tǒng)主電路與控制策略進行了設計，最后通過仿真分析，得到以下結論：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，經計算后得到以下結論：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，對新型儲能技術較為重視。在化學儲能、超級電容儲能、超導儲能等領域的研究發(fā)展處于較為領先的地位^[14]。美國能源部已將儲能技術定位為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術，并制訂了一系列的稅收優(yōu)惠和補貼獎勵政策，用于支持儲能技術的研究和產業(yè)的發(fā)展。在2011年，美國就在西弗吉尼亞州建成了當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方面進行了大量的研究探索，尤其是在鈉硫電池領域已獲得重大突破，擁有了大量的專利技術。而在眾多歐洲的發(fā)達國家中，德國在推動儲能產業(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的重要性，紛紛加快了相關產業(yè)的布局和技術的發(fā)展，美國、日本等發(fā)達國家的優(yōu)勢地位開始逐漸下降。據德國萊茵TüV與中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟（CNESA）聯(lián)合發(fā)布的《2018儲能系統(tǒng)白皮書》預測：到2026年，美國、中國、印度將成為全球電網側儲能安裝規(guī)模最大的前三個國家。這也說明，在儲能技術方面，國內外的差距已經越來越小^[16]。

1.4? 國內儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國在抽水蓄能這一傳統(tǒng)儲能技術中，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領域，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示范工程的初級階段。根據美國能源部于2016年8月16日更新的全球儲能數(shù)據顯示，我國儲能項目累計裝機總容量達到32.1 GW，其中抽水蓄能裝機容量就高達32.0 GW，電化學儲能和熱儲能裝機容量均為0.05 GW，其余儲能項目數(shù)據未統(tǒng)計^[18]。從上述數(shù)據中，可以看出我國在新型儲能技術方面的劣勢。

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相關的項目。

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“張北風光儲示范工程“，在儲能技術上，示范應用了磷酸鐵鋰電池、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”，該項目是國內最大的發(fā)電側電化學儲能項目，于2018年12月25日順利并網發(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峰電站”、“長沙微網分布式新能源儲能節(jié)能國家級示范基地”、“二連浩特風電+光伏+光熱+儲能示范基地”、“河南電網100兆瓦電池儲能示范工程”等大規(guī)模儲能電站示范項目。可以說，我國新型儲能技術的發(fā)展已經進入了快車道，與發(fā)達國家之間的技術差距正在逐漸減小^[21]。

2? 待解決問題

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

1）降低儲能系統(tǒng)的建設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。通過政策扶持、鼓勵研發(fā)、資金投入、簡化審批等手段，吸引更多科研機構和企事業(yè)單位進入儲能領域。

2）行業(yè)規(guī)范制定。基于我國儲能產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，行業(yè)內部制定科學嚴謹?shù)囊?guī)范，使整個產業(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，國內外學者已提出多種合理可行的儲能技術，其中大多數(shù)技術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，為保證電網或負載的正常運行，大力研究與發(fā)展儲能技術是勢在必行的方向。

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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，博士生導師，研究方向：電力保障裝備和多能源發(fā)電技術。