抽水蓄能電化學儲能技術的應用與展望

劉逸波，高樹輝

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

儲能技術作為新能源場站建設的重要環節，在實現可持續能源發展和應對能源安全挑戰方面發揮著重要作用[1]。隨著風力發電、光伏發電綠色能源的開拓與發展，抽水蓄能受到普遍注視和應用，其建設和運營面臨著諸多挑戰。其中，能源供應可靠性、電網負荷平滑、電網穩定性和可調度性等問題日益凸顯。儲能技術作為一種靈活、高效的能量轉換技術綜合應用于抽水蓄能和其他新能源場站之中。

儲能技術在新能源場站中的作用不僅體現在提升能源供應可靠性方面，還能平滑電網負荷，增強電網穩定性和可調度性。

為了進一步推動新能源場站中儲能技術的應用和優化，合理配置和優化運營儲能系統可以顯著降低能源消耗，提高能源利用效率。本文通過儲能技術的應用和分析，結合實用狀況，探索儲能系統的選擇和優化策略。

2 抽水蓄能電站概述

2.1 定義及背景

隨著化石能源的日益枯竭和科學技術的進步，大量的可再生新能源場站（如太陽能、風能等）逐步取代原先的火力發電，同樣為清潔能源的抽水蓄能電站，雖然較前兩者來說起步較晚，但由于后發效應，起點卻很高，已經逐步成為解決能源短缺和環境問題的重要方式[2，3]。

抽水蓄能電站，又稱蓄能式水電站。是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站。抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統、廠房和下水庫等建筑物組成。其中上水庫是蓄存水量的工程設施，電網負荷低谷時段可將抽上來的水儲存在庫內，負荷高峰時段由水庫放下來發電。抽水蓄能電站是一種電能轉換和儲備措施，轉換過程中會有電能損失，目前抽水蓄能電站的綜合效率約在75%左右。

由于抽水蓄能電站的填谷作用（吸收后也剩余電能），提高火電機組設備的利用率，抽水蓄能電站利用低谷時火電空閑容量抽水蓄能，等到高峰負荷時發電。與傳統火電站擔負峰荷的方案相比較，可以節省一定量的燃料。它可將電網負荷低時的多余電能，轉變為電網高峰時期的高價值電能，還適于調頻、調相，穩定電力系統的電壓，提高了系統中火電站的效率。

抽水蓄能電站良好的可靠性和經濟適用性，為實現可持續能源發展貢獻重要力量。隨著相關技術的不斷創新，抽水蓄能電站的應用前景將更加廣闊。

2.2 發展現狀及趨勢

當前，可再生清潔能源發展成為全球能源領域的熱門話題，并逐漸成為解決能源危機和環境問題的重要途徑。抽水蓄能電站作為可再生清潔能源的典型應用形式，具有很強的代表性和示范效應。儲能系統作為抽水蓄能電站和眾多新能源場站的核心組成部分，發揮著重要的作用。抽水蓄能，作為成熟的儲能技術，具有超大容量、系統友好、經濟可靠、生態環保等優勢和特點。

抽水蓄能電站啟停靈活、反應迅速，具有調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能。做好抽蓄電站建設和調度運行，有利于更好地利用新能源資源，有利于提升電力系統綜合效益。

抽水蓄能和電化學儲能作為主流儲能技術，未來均大有可為。從成本、使用便利性和已使用規模綜合來看，抽水蓄能和電化學儲能將有望繼續保持其主流儲能技術的地位。

根據CNESA的不完全統計，截至2020年底，全球已投運儲能項目裝機量191.1 GW，其中抽水蓄能的累計裝機規模最大達到172.5 GW，占比90.3%;電化學儲能緊隨其后，累計裝機規模為14.2 GW。在我國，抽水蓄能和電化學儲能同樣占據主導地位，二者的累計裝機規模分別為31.79 GW和3.27 GW，合計占比接近99%。

隨著我國新興能源的大規模開發利用，抽水蓄能電站的配置由過去單一的側重于用電負荷中心逐步向用電負荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發展。

抽水蓄能電站是電力系統中最可靠、最經濟、壽命長、容量大、技術最成熟的儲能裝置，是新能源發展的重要組成部分。通過配套建設抽水蓄能電站，可降低火電電機組運行維護費用、延長機組壽命；有效減少風電場并網運行對電網的沖擊，提高風電場和電網運行的協調性以及電網運行的安全穩定性。

圖1 抽水蓄能電站的整體結構

3 儲能系統在新能源場站中的作用

3.1 儲能系統的定義與分類

儲能系統作為新能源場站中重要的組成部分，其作用不可忽視，首先，我們需要明確儲能系統的定義與分類。根據其儲存形式和儲存介質的不同，儲能系統可分為電化學儲能系統（如圖2）、機械儲能系統、熱能儲能系統等多種類型。

圖2 中國儲能市場裝機規模拆分

按照能量的儲存方式，儲能可分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、熱儲能、氫儲能五類，其中機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電磁儲能主要包括超級電容器、超導磁儲能；電化學儲能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等。

電化學儲能這幾年的發展速率是高于抽水儲能，從原來不足5%到現在接近10%，未來占比會更多。

從目前情況看，抽水蓄能、鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池技術因一定的優勢，仍將在儲能領域保持較大的比重。

3.2 儲能技術在抽水蓄能電站中的應用

抽水蓄能電站中的儲能技術扮演著至關重要的角色，是抽水蓄能電站的核心技術和發電運行的原理。

技術上來說，抽蓄是成熟的方案：它有上下兩個水庫和中間的引水系統，本質上是一個水電站，利用夜間低谷時段抽水將電能轉化成勢能儲存起來，白天用電高峰期將水放下來發電，抽水和發電用的是同一套電機水泵。根據調峰需要，有時甚至實現一天內兩次抽水發電循環，效率很高而且安全可靠。但其建設周期較長，對選址的要求較高，受地理條件約束較大。

電化學儲能通過化學反應來實現電能的存儲和釋放。與抽水蓄能相比，電化學儲能布置較為靈活，建設周期較短，且響應速度較快，一般可以達到秒級響應。但其成本較高且安全性差也是其不可忽視的弊端

抽水蓄能和電化學儲能在技術方面存在一定的互補性。在新型電力系統中，如果能將抽水蓄能與電化學儲能協同配置，可以提升調節電源容量、減少碳排放等，達到“1+1>2”的效果。

與單一的抽蓄或者電化學儲能電站相比，兩者相結合的抽水蓄能電站擁有3大優勢。

（1）提升電力系統調節能力

抽水蓄能在電力系統中一般有六大功能：調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動。電化學儲能與抽水蓄能協同運行，可利用電化學儲能的快速響應特性提升整體的調節性能。在系統發生頻率波動時，電化學儲能響應速度較快，可以立即響應進行系統調頻，對頻率起到快速支撐的作用，防止系統頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學儲能的容量較小，無法長時間維持充電或放電狀態，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應后進行較長時間的持續功率支撐，以維持電網頻率穩定。

（2）優化調節電源容量配置

抽水蓄能與電化學儲能在調節能力、響應速度、建設條件、建設規模等方面具有一定互補性。針對電力系統不同的調節需求，兩種調節電源的協同配置可以優化調節電源的容量規模，避免冗余配置、資源浪費。另外，隨著電力市場建設的逐步完善，抽水蓄能和電化學儲能協同配置，可參與多種電力系統輔助服務，發揮各自優勢，并獲得經濟收益。

（3）減少碳排放

現階段，電力系統的調峰、調頻等服務很大程度上依賴火電機組。新能源裝機占比的不斷提升可能導致電力系統調節能力不足。這在一定程度上也會制約新能源的發展。因此，構建新型電力系統需要開發清潔低碳的調節電源，如抽水蓄能和電化學儲能等。二者協同運行可為新能源電源接入創造更有利的系統環境，還能起到降低碳排放的作用。

因此國內大多數在建的新能源場站都有要求配套建設儲能裝置，尤其是新疆西藏等用電需求較大，電網平穩性差，波動性較大的地區，儲能裝置的配置就顯得尤其格外重要。

目前，國內應用的幾大儲能系統廠家，如奇點新能源股份有限公司，廠家生產的儲能裝置，除了主體的儲能電池單元和智能電池模塊匯控柜和智能電池模塊集控柜外，還配置有單獨的EMS控制柜和后臺控制系統，能夠實現AGC控制功能（如圖3所示），即由國網公司調度中心集中配置儲能系統充放電操作的執行和充放電功率的調配，當電網頻率過高時，儲能系統可以接收過剩的電能存儲起來；當電網頻率過低時，儲能系統可以釋放儲存的電能進行補償，從而保持電網頻率在合理范圍內。通過整體的AGC的調配，也可以使電網電壓控制在合理的范圍內。

圖3 儲能系統中的AGC應用

綜上所述，儲能系統在新能源場站中的應用十分廣泛。通過容量配置設計結合本身的AGC功能，實現了調峰填谷、削減峰值負荷、頻率調節和電壓支撐等功能，為新能源場站的穩定運行提供了重要支持。

4 儲能系統選擇與優化

4.1 儲能系統的選擇因素

儲能系統是新能源場站中不可或缺的重要組成部分。在選擇合適的儲能系統時，需要考慮一系列因素。

（1）儲能系統的容量是一個關鍵因素。根據新能源場站的實際需求和負荷情況，需要確定合適的儲能系統容量。過大的儲能容量可能造成資源浪費，而過小的容量則會導致儲能系統無法滿足能量需求。目前隨新能源電站建設的儲能電站的容量選擇一般設計為總裝機容量的10%~20%來進行配置，這個比例更多考慮的是為了電網的穩定性，其在功能上還并不具備作為一個單獨的儲能電站來進行運行。

（2）儲能系統的效率是選擇重要因素。效率直接關系到電能的儲存和釋放效果，因此選擇具有高效能轉換的儲能系統可以在能量轉換過程中減少能量損失，提高整體系統效率。在這一塊目前我國的技術已經相對成熟，儲能系統的充電，放電效率均能達到95%以上，根據國家電網的相關要求，所有配備儲能系統的新能源場站并網后進行性能測試時，儲能系統都要進行3次以上的滿充/滿放試驗，測試結果必須達到95%的效率以上，才能算是測試通過，該場站才算具備轉商運的投產條件。

（3）儲能系統的成本是重要的考慮因素。不同類型的儲能系統在成本方面存在差異，因此需要綜合考慮成本與效益來選擇合適的儲能系統。目前國內大部分儲能系統配置的儲能電池單元使用的都是磷酸鐵鋰電池，該類型的電池成本可接受，回本周期短。

（4）儲能系統的可靠性和安全性也需要被重視。儲能裝置內都配備有單獨的消防柜，每個智慧能量塊柜內也都配備有氣溶膠，起到了保護作用。

在選擇儲能系統時，需要綜合考慮以上因素，只有選擇合適的儲能系統，才能確保新能源場站的穩定運行，并發揮儲能系統在新能源場站中的重要作用。

4.2 儲能系統優化策略

儲能系統是新能源場站中非常重要的組成部分之一，它能夠解決新能源發電的間斷性和波動性問題，提高能源利用效率和供電穩定性。儲能系統的優化策略可以進一步提高其在新能源場站中的作用。

儲能系統的優化策略包括儲能系統的容量與功率的匹配優化、能量管理優化。能量管理是指對儲能系統充放電過程進行優化控制，以實現能量存儲和釋放的最佳效果。通過合理的能量管理優化，可以最大限度地提高儲能系統的能量存儲效率和供電穩定性。

目前儲能系統多作為新能源電站的配套裝置建設在電網側，但鑒于儲能系統的多種優秀特性，如果儲能裝置能安裝在用戶側將會給未來的城市化建設帶來更加的效益。

首先，依據目前的專業技術，通過配置獨立的遠動信息系統，獨立的調度通信網，儲能裝置完全具備脫離新能源發電站而單獨成站的硬件條件。

其次，如果城市內所有具備條件的建筑周邊都配置了獨立的儲能電站，這些獨立的儲能電站不僅可以在平時通過峰谷電價差來取回收益，更重要的是，這些儲能電站之間，通過調度數據網的調配，完全可以在城市用電高峰的時，對一些重要部門起到保供電的重要作用。

綜上所述，未來的儲能系統，在用戶側單獨運行，城市不再單一依靠電網，城市化的發展將會更有保障，城市智能化將會更高，通過合理的優化策略，可以提高儲能系統在新能源場站中的作用，實現供電穩定性和能源利用效率的最大化。

圖4 儲能電站在未來的應用場景

5 結語

本文從新能源場站中儲能系統的作用出發，通過研究分析了儲能系統在實現可持續能源發展和應對能源安全挑戰方面的重要性。結合國內外相關實踐和經驗，總結了儲能系統的設計和運營管理策略。合理配置和優化運營儲能系統可顯著降低能源消耗、提高能源利用效率并降低空氣污染。

通過對新能源場站未來前景描述可知，未來的研究方向包括但不限于以下幾個方面：首先，可以進一步優化儲能系統的運營管理策略，提高能源利用效率和降低成本。其次，可以深入研究儲能系統與電力市場的關系，探索儲能系統在電力市場中的定價機制和市場運營模式。另外，在新能源場站中引入新的儲能技術和設備，如電動汽車電池儲能系統和氫能儲能系統，也是未來研究的方向之一。