電網規模化儲能應用研究綜述

王一飛，楊 飛，徐 川

（1.中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州221000；2.國網浙江省嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

0 引言

隨著全球傳統化石能源日益枯竭及用電需求不斷增加，以風能、太陽能等可再生能源為代表的分布式發電（distributed generation，DG）得到大量應用［1］。DG以其投資少、發電方式靈活、環境污染小等優點，廣泛用于配電網，特別是一些地區存在大量分散性負荷，DG可以就近建設，有效減少線路傳輸過程中的功率損耗，提高系統運行的經濟性。但風能、太陽能等資源受制于環境，使得出力具有間歇性和隨機性［2］，發電功率與負荷難以維持平衡，影響電網的安全運行，導致出現棄風、棄光現象，限制了DG的發展［3］。截至2019年12月底統計全國各省棄風、棄光情況，其中，新疆、蒙西、甘肅地區棄風情況嚴重，新疆棄風率為14%、蒙西棄風率為9%、甘肅棄風率為7.6%，其他省份均低于5%；西藏、新疆、青海地區棄光情況嚴重，西藏棄光率為24.1%、新疆棄光率為7.4%、青海棄光率為7.2%，其他省份均低于5%。

為解決這一問題，在DG并網過程中，通常加裝儲能裝置來平抑出力波動、削峰填谷。這將有助于打破DG接入配電網帶來的瓶頸問題，提高對新能源的消納能力，同時可以提升電能質量，減小線路網損，提高電力系統運行的穩定性和經濟性［4-6］。儲能裝置主要分為能量型和功率型兩種。能量型儲能容量大，成本低，但響應速度慢，且過充過放會嚴重影響使用壽命，無法完成調峰調頻的任務。功率型儲能響應速度快，充放電效率高，生命周期長，多用于削峰填谷和平抑DG出力波動，但成本投入高，容量小。能量型和功率型儲能在工作特性及應用場合中存在明顯差異，因此工程中采用混合儲能來進行優化，例如儲能電池與超級電容器構成混合儲能系統，在能量需求較大的情況下，可通過儲能電池補充能量，在短時大功率情況下，可利用超級電容器充放電。不僅彌補傳統缺陷，同時也顯著提高了性能優勢。

隨著新能源發電比例的日益增加和儲能技術的迅速發展，儲能已經應用到電力產業的各個環節，特別是在電網側發揮了重要作用，2018年新增投運的電網側儲能規模達到206.8 MW，居各種儲能類型之首。國外儲能技術應用起步較早，儲能技術的應用由起初的用戶側逐漸轉為電網側發展。美國是儲能實現規模化應用較早的國家，通過建立儲能數據庫，對儲能工程進行跟蹤監測，設立專門機構并制定相關政策來推動儲能技術的商業化應用。美國西南部主要采用光伏配置儲能系統，通過ITC 即光伏投資稅收抵免政策來推動儲能規模化應用，根據光伏發電的比例來相應地抵免稅收，降低投資成本，提高儲能工程的經濟性。

文章首先介紹儲能技術的分類，比較各自的特點及應用場景，指出目前各儲能技術的研究熱點，然后結合規模化儲能技術的典型示范應用案例，針對關鍵儲能技術進行分析，歸納研究儲能系統優化配置方法，總結儲能運行模式及核心設備研發關鍵技術，最后對儲能技術應用于配電網的研究進行總結和展望。

1 儲能技術分類及應用場景

根據技術原理，儲能主要有機械儲能、電化學儲能、電磁儲能。其中，機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能；電化學儲能包括經典電池儲能、液流電池儲能；電磁儲能包括超導磁儲能、超級電容器。

1.1 機械儲能

抽水蓄能電站廣泛用于工業生產中，包括上池和下池，機組像常規水輪機一樣發電，同時可當水泵將下池水抽到上池。當電力系統處于低負荷運行，機組用做水泵運行，在上池蓄水；處于高負荷時，機組像常規水輪機一樣運行，為電網提供電能，實現低儲高發、削峰填谷［7-8］。兩個水池之間的高度差在70 m～600 m，其效率在70%～80%，但是，抽水蓄能電站對地理條件要求很嚴格，建設周期很長，初始投資大，并會導致一系列生態和移民問題。

壓縮空氣儲能是一種在電網低谷負荷時利用電能壓縮空氣，將空氣高壓密封在儲氣罐中，在電網高峰負荷時將壓縮空氣釋放從而推動汽輪機進行發電的儲能方式［9-11］。這種儲能方式整體結構復雜，制造成本高，工作效率在30%～40%，經濟性較差，未得到規模的商業化應用［12］。

飛輪儲能是通過加速飛輪至極高速度的方式將能量以旋轉動能的形式儲存于系統中。由能量守恒定律可知，當釋放能量時，飛輪轉速下降；而進行儲能過程時，飛輪轉速會較之前有所升高。飛輪儲能可在短時間內輸出較大能量，具有極高的功率密度，儲能效率在95%左右，但工作過程中飛輪和軸承上的摩擦損失很高，需要復雜的冷卻過程，為改進這個缺點，可使用帶超導體的磁力軸承或無軸承電機。該儲能裝置由于輸出響應速度快，達到分鐘級，多用于電力系統調峰調頻［13-15］。

1.2 電化學儲能

電化學儲能主要通過可充電電池來實現。目前常用的儲能電池有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鈉硫電池、液流電池等［16-17］。

鉛酸電池應用歷史悠久，儲能成本低，可靠性好，效率較高，廣泛用于交通運輸、電力等部門。但鉛酸電池循環壽命短，能量密度低，充電速度慢，而且對環境影響大。目前對鉛酸電池的研究主要集中在循環壽命短的問題上，研究人員通過將碳加入鉛酸電池中，可將電池壽命提升一個數量級以上，提高了電池的工作性能。

鋰離子電池早期極大地推動移動電子設備的發展，具有高能量密度、高工作電壓、充電效率高、循環壽命長、無污染等優點，隨著國家政策的扶持及新能源發電在電網的高滲透率，鋰離子電池規模化用于電網儲能系統，主要用于風光互補系統，提高DG 消納能力。但鋰離子電池存在很大的安全性問題，低溫性能差，過充過放能力差［18］。鋰電池負極材料作為電池產業中的關鍵材料，成本占鋰離子電池的25%左右。目前國內外研究重點在鋰電池的負極材料上，最新研究的碳基SnO2復合材料可以進一步提升電池充放電的穩定性，材料的比容量更高，是有潛力替代石墨的電池負極材料，也是目前鋰電池負極材料領域研究的熱點。

隨著鋰離子電池的需求量不斷增加，而鋰的儲量有限且分布不均，導致性價比不高，而鋰電池的安全問題同樣不可忽視，這就制約了鋰離子電池在儲能行業的發展。鈉具有與鋰相似的物理化學性質，同時鈉儲量十分豐富，約占地殼儲量的2.64%，分布廣泛、提煉簡單。鈉離子電池因具有低成本、高安全性等優勢，在大規模儲能配置中有較大潛力［19-21］。然而，鈉離子電池嚴重缺乏可與鋰離子電池中石墨負極作用相當的低壓負極材料，在已報道的鈉離子電池電極材料中，層狀鈦基材料被認為是十分有前途的候選材料，因為它們固有的較大的中間層間距可快速插入Na+，然而，與碳負極的超低電壓相比，大多數鈦基負極的嵌入電壓平臺通常在0.5～1.0 V。華中科技大學李會巧教授課題組首次通過固相法合成了一種三斜相結構的Na2Ti3O7，與傳統的單斜相結構相比，三斜相Na2Ti3O7保持相似的低電位平臺，Na+傳輸通道更平滑通暢，層狀結構更穩定，循環穩定性大大提高［22］。

鈉硫電池起初是由福特電動汽車提出的，隨著進一步研究，發現鈉硫電池具有高功率密度和能量密度、低成本、溫度穩定等特性，然而，高溫運行下的鈉硫電池存在腐蝕問題和安全隱患，這成為制約其在大規模儲能應用中的主要障礙，目前正在研究通過改變鈉硫電池的結構來降低工作體系溫度，進一步提高工作性能［23］。

液流電池是通過可溶性電對在惰性電極上產生電化學反應而進行能量儲存與釋放的一類電池。與傳統電池不同，液流電池具有相對獨立的功率和容量，可據需求分別進行調整。它具有功率大、容量大、壽命長、安全性高等特點，但同時存在關鍵材料制約和實際成本偏高等問題［24］。目前，液流電池的研究主要集中在電極材料、電解液和隔膜材料等方面，對電極材料經表面改性來提升電化學活性和使用壽命。在適當提高電解液濃度的基礎上，向電解液中加入吡啶、明膠或硫酸鈉等添加劑是目前電解液研究的主要方向之一。隔膜材料是影響電池壽命的重要部件，研究人員采用誘導接枝法對隔膜進行改性，再經氯磺酸磺化處理得到改性陽離子膜，化學穩定性和使用壽命得到提升。

1.3 電磁儲能

電磁儲能主要有超導磁儲能、超級電容器兩類。超導磁儲能是利用超導線圈作為儲存電磁能的載體。由于超導體電阻為零，因此能量轉換過程中無損耗，效率極高。因此超導磁儲能具有效率高、響應速度快、有功和無功率輸出可靈活控制、使用壽命長、污染小等優點，但是高昂的成本制約了規模化應用，據研究表明：高溫超導材料會極大降低超導磁儲能系統的成本，簡化運行條件，提高其性能和壽命。目前超導磁儲能的研究主要以仿真實驗和小型樣機為主，尚未規模化應用，日本研制了1 kW/6 kJ 級的微型樣機，并進行了模擬實驗研究。英國利用下垂控制方法延長儲能系統26%的使用壽命。中國科學院成功研制了世界首臺在風電場并網運行的超導磁儲能裝置，該裝置采用了2種高溫超導帶材混合繞制的結構，充分發揮了各自優勢，具有先進的技術性，已經在甘肅省玉門市低窩鋪風電場并網運行，運行結果表明該系統能有效提高風電并網的可靠性，提升電網的電能質量。因此，隨著高溫超導材料技術的不斷成熟，超導磁儲能有望推動未來儲能技術的發展和革新［25］。

超級電容器是一種介于傳統電容器和電池之間的特殊電源，工作期間不進行化學反應，這種儲能過程可逆，可多次進行反復充電放電。相比蓄電池而言，超級電容器作為新型儲能裝置具有適應環境能力強、溫度特性好、使用壽命長、可快速充電等諸多優點。超級電容器在電力系統中多用于分布式發電的儲能裝置和電網故障時的后備電源等，平抑電網電壓波動，解決電壓暫降和短時中斷等問題［26-28］。然而，超級電容器能量密度小，成本高，電極材料是提升性能和降低成本的關鍵部分，當前研究主要集中在優化材料的結構，增強離子擴散能力，同時對碳材料、導電聚合物和金屬化合物等電極材料進行復合，綜合各自優點，提高電化學性能。

綜上所述，各儲能技術特點及應用場景如表1所示。

表1 各儲能技術特點及應用場景Table 1 Features and application scenarios of various energy storage technologies

2 規模化儲能應用示范工程

隨著儲能技術的不斷發展和可再生能源在電網的滲透率日益增強，國家電網有限公司及南方電網有限公司圍繞可再生能源消納建設了一系列儲能示范工程。文章以國家風光儲輸示范工程、甘肅酒泉“電網友好型新能源發電”示范工程、吉林風蓄儲示范工程、河南電網100 MW 電池儲能示范工程為例，介紹各示范工程應用的關鍵儲能技術。

2.1 國家風光儲輸示范工程

國家風光儲輸示范工程地處張家口市，該工程涵蓋100 MW 風電、50 MW 光電和20 MW/95 MW·h 化學儲能，如圖1所示。儲能電站投運了液流電池、超級電容器、鈦酸鋰、膠體鉛酸電池等多類型新型電池，可實現平滑出力、削峰填谷、調峰調頻等功能。該工程將風電、光電、儲能、輸電有機統一，將能量型儲能電池與功率型儲能電池結合，具有高能量密度、高功率密度等特點，可實現風電、光伏、儲能彼此聯合出力等多種運行方式［29］。

圖1 國家風光儲輸示范工程Fig.1 National wind and solar storage and transportation demonstration project

2.2 甘肅酒泉“電網友好型新能源發電”示范工程

甘肅酒泉“電網友好型新能源發電”示范工程如圖2 所示，該工程在風電場安裝1 MW/1 MW·h 鋰電池儲能系統和300 kW 超級電容器。利用鋰電池儲能進行電網穩態功率控制、跟蹤計劃發電并平滑風電輸出；利用超級電容器響應速度快的特點提高風電機組暫態電壓穩定性。

圖2 甘肅酒泉“電網友好型新能源發電”示范工程Fig.2 "Grid-friendly new energy power generation"demonstration project in Jiuquan,Gansu

2.3 吉林風蓄儲示范工程

吉林風蓄儲示范工程位于吉林省大安市安廣鎮。依靠風力發電提供大安市城鎮集中供暖中的清潔熱能。其中風電裝機200 MW，供暖工程配置30 MW 蓄熱式電鍋爐，并在蓄熱式電鍋爐側配置1 MW/0.5 MW·h移動式鋰電池儲能系統。負荷低谷時段風電的棄風量為蓄熱式電鍋爐提高電力供應，電鍋爐產生的熱量一部分直接用于負荷低谷時段家庭供暖，剩余部分采用蓄熱裝置進行儲存，在負荷非低谷時段向居民保障熱力供應。經計算共消納風電952.97 MW·h，風電有效利用小時數提高了11.273 h，上升了73.2%，效果顯著。

2.4 河南電網100 MW電池儲能示范工程

該工程在河南省內選取9 個地市共16 個變電站，綜合配置21 組模塊容量4.8 MW/4.8 MW·h、總規模為100.8 MW/100.8 MW·h 的鋰電池儲能系統，于2018 年底建成投運，是我國建成投運的首個電網側分布式百兆瓦級電池儲能工程，由于河南電網峰谷差較大，約為峰值負荷的40%，因此該儲能示范工程可以有效進行削峰填谷，提高新能源的消納能力，這是儲能技術規模化應用于電網側的一大突破。

綜上所述，各儲能示范工程特點如表2所示。

表2 儲能示范工程特點Table 2 Characteristics of energy storage demonstration projects

3 儲能系統優化配置研究

根據前述各儲能示范工程可知，儲能系統對提高電網對新能源發電的消納能力及削峰填谷有著關鍵作用，而儲能系統的成本較高，在工程應用中經濟性不可忽視。因此，綜合考慮電力系統運行的可靠性和經濟性，制定儲能系統的合理配置方案就顯得尤為重要［30］。

文獻［31］提出一種分布式儲能系統的容量配置和有序布點的綜合優化算法，考慮長期規劃和短期經濟運行，建立雙層優化框架。文獻［32］結合儲能運行調度，建立上層儲能選址定容、下層儲能運行優化的雙層模型，提升配電網電壓質量。文獻［33］基于分布式電源集群規劃，建立分布式光伏與儲能雙層協調選址定容規劃模型；文獻［34］考慮負荷峰值與分布式電源最大出力的時序不匹配性引起的電壓越限問題，以總成本最小為目標確定儲能的接入容量、位置和類型。文獻［35］針對電力大用戶負荷情況，結合峰谷電價及用戶電費的計費規則，對用戶側儲能的配置與運行進行了優化研究。以IEEE-33 節點配網模型為例，如圖3所示，進行儲能系統優化配置研究。

圖3 IEEE-33節點配網系統圖Fig.3 IEEE-33 node distribution network system diagram

場景1：光伏和儲能均未配置；場景2：只配置光伏；場景3：光伏和儲能均配置。

對比3 種場景下各節點電壓幅值和電壓偏差率，結果如圖4、圖5 所示。結合配網系統圖可知，在長線路末端遠離電源側，節點電壓往往下降較嚴重以至低于國標限值，而配置光伏和儲能系統后改變原有線路功率分布，使得線路損耗減小，節點電壓幅值得到很大提升，電壓偏差率減小。

圖4 節點電壓幅值Fig.4 Node voltage amplitude

圖5 節點電壓偏差率Fig.5 Node voltage deviation rate

如圖6 所示，對原始負荷曲線和配置光儲后的負荷曲線進行對比，可以看出，在負荷低谷時段，儲能系統吸收電能，在負荷高峰時段，儲能系統釋放電能。配置光儲系統后負荷波動明顯減小，達到很好的削峰填谷效果。

圖6 負荷特性曲線Fig.6 Load characteristic curve

4 儲能系統運行模式研究

儲能系統的使用壽命極大影響其成本，因此為延長壽命、降低成本，儲能系統在工作周期內充放電功率越小越好，即為滿足電網運行經濟性和可靠性要求，儲能系統的補償功率越小越好。當新能源發電量小于負荷要求時，為提高系統運行靈活性，優先調用柴油發電機來滿足，若不滿足時，再調用儲能系統進行補償，此時儲能處于放電工作狀態；當新能源發電量大于負荷要求，即電網無法消納新能源時，通過儲能系統吸收多余電能，此時儲能處于充電工作狀態，充電功率越小，表明新能源消納能力越好，當充電功率為零時，說明新能源全部消納，可有效避免棄風棄光現象。

對補償功率進行離散傅里葉變換DFT，得到對應的頻域序列，發現既有高頻分量又有低頻分量，高頻分量幅值小、波動速度快，低頻分量幅值大、波動速度慢。以往很多研究中只采用單一類型儲能進行補償，例如鋰電池、蓄電池等能量型儲能設備，該類設備能量密度大，但充放電周期長，響應速度慢，無法滿足對高頻分量快速補償的要求。而采用超級電容器等功率型儲能設備，因此自身能量密度低的特點，同樣不適用于低頻分量的高幅值補償要求。為綜合兩者特點，有效補償電網功率缺額，工程多采用鋰電池-超級電容器混合儲能系統。

對于高低頻分界點的選擇直接影響到鋰電池和超級電容器接受的功率指令，從而影響鋰電池的使用壽命和混合儲能系統容量配置結果。當分界點值過低時，大部分補償功率由超級電容器承擔，超級電容器單價成本較高，配置需求的增加不利于運行經濟性；當分界點值過高時，大部分補償功率由鋰電池承擔，而鋰電池的功率指令中高頻分量增多，造成鋰電池頻繁充放電，使用壽命縮短，增加鋰電池的全壽命周期成本。因此，必須合理選擇高低頻分界點，控制運行壽命成本。通過比較不同分界點下儲能成本，確定最小成本下的高低頻最優分界點，合理分配儲能功率指令。

5 儲能系統核心設備制造研究

以飛輪儲能為例，飛輪儲能作為一種機械能量儲存系統，儲能容量主要靠提高轉子飛輪的速度來實現，因此研究大功率高速飛輪儲能電機對其發展至關重要。永磁同步電機具有損耗小、功率密度高、能量轉換效率高等優點，多用于飛輪儲能系統。目前針對高速永磁電機主要集中在以下幾個方面的研究：1）電機本體研究。為減小轉子渦流損耗，采用定子斜槽結構，多層永磁體結構和Halbach 結構具有較高的功率密度和效率，采用多層永磁體結構可通過減小d 軸電感Ld來增強弱磁能力，獲得寬調速范圍，提高電機的最大轉速［36］。2）高速電機軸承研究。軸承作為高速電機的核心部件之一，當電機轉速過高時，軸承摩擦損耗嚴重，嚴重影響使用壽命。磁懸浮軸承技術具有無機械損耗、無需冷卻潤滑的優點，該技術應用于高速電機上主要有磁力軸承和磁懸浮無軸承兩類。3）轉子溫升散熱。受渦流損耗影響，而且轉子冷卻散熱條件差，容易產生較高溫升，目前大部分研究主要集中在降低轉子渦流損耗，加強散熱條件上。通過選擇導熱性更好的材料，增加散熱面積，優化溫度場分布，在轉子表面涂高發射率材料來增強熱輻射能力，提高散熱水平。

6 結語

文章介紹了各類儲能技術在電網的應用，對比各自的特點及應用場合，并列舉了目前我國在運的重點規模化儲能應用示范工程，總結其關鍵儲能技術；基于電力系統運行的可靠性和經濟性，歸納分析儲能系統的優化配置研究，制定合理有效的配置方案可大幅提升電網電壓質量，并能達到很好的平抑負荷波動的效果；介紹儲能與新能源發電的協調運行模式，針對儲能補償功率，總結混合儲能系統的高低頻控制方法；對飛輪儲能用高速永磁電機的核心制造技術進行分析，指出研究重點。隨著新能源在電網的滲透率不斷加強，儲能技術未來前景廣闊。目前主要應用的機械儲能、電化學儲能、電磁儲能等技術均在充放電短周期內使用，若需進行長周期的儲能，如跨季節時儲能則會受到其容量的限制，而氫儲能技術效率高、無污染、更利于儲存和運輸。目前氫儲能技術并未得到廣泛應用，作為長周期儲能具有很大的開發潛力。