摘要：大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，被稱為電力成產(chǎn)中發(fā)電、輸電、變電、配電和用電之外的“第六環(huán)節(jié)”。本文結(jié)合智能電網(wǎng)發(fā)展需求，簡要介紹了各種儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的必要性及其發(fā)展趨勢，最后結(jié)合項(xiàng)目組調(diào)研情況，對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提出了建設(shè)性意見。

　　胡雪峰1,2，楊卓3，譚向宇4，王達(dá)達(dá)4，趙現(xiàn)平4，高亞靜2，田雷5，趙盛萍1

　　1華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明

　　2華北電力大學(xué)，保定

　　3云南電網(wǎng)公司，昆明

　　4云南電網(wǎng)電力研究院，昆明

　　5昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明

　　1.引言

　　目前，世界各國都在結(jié)合本國電網(wǎng)特點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的目標(biāo)是通過全面改造現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，構(gòu)建成高效、自愈、經(jīng)濟(jì)、兼容、集成和安全的下一代電網(wǎng)。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵因素，它通過在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)上增加儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，在負(fù)荷低谷時(shí)將電能儲(chǔ)存起來，負(fù)荷高峰時(shí)將存儲(chǔ)的電能釋放回電網(wǎng)，將原來幾乎完全“剛性”的電力系統(tǒng)變得“柔性”起來[1]，從而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)定目標(biāo)，因此儲(chǔ)能技術(shù)也被稱為電力生產(chǎn)中發(fā)電、輸電、變電、配電和用電之外的“第六環(huán)節(jié)”[2]。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，在削峰填谷、消納風(fēng)能等可再生能源發(fā)電、平穩(wěn)電能輸出、改善電能質(zhì)量、應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況對(duì)系統(tǒng)沖擊等方面具有巨大潛力[3]。

　　2.各種儲(chǔ)能方式簡介

　　儲(chǔ)能方式分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，其中機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能；化學(xué)儲(chǔ)能主要是指電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池等。

       2.1.抽水蓄能

　　抽水蓄能電站配備上、下游兩個(gè)水庫，負(fù)荷低谷電能富余時(shí)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存;負(fù)荷高峰電能缺口時(shí)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的水發(fā)電。抽水蓄能是目前存儲(chǔ)大規(guī)模電力技術(shù)最成熟、成本效益最好的儲(chǔ)能技術(shù)，也是當(dāng)前惟一廣泛采用的大規(guī)模能量存儲(chǔ)技術(shù)，世界總裝機(jī)容量已超過150,000MW;缺點(diǎn)是其受地理?xiàng)l件、轉(zhuǎn)化效率等方面的制約較大，響應(yīng)時(shí)間是分鐘級(jí)，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)能力較差。抽水蓄能電站能夠用于黑啟動(dòng)、控制電網(wǎng)頻率、提供備用容量和提高火電站和核電站的運(yùn)行效率等方面。

　　目前，我國已建成抽水蓄能電站20余座，不足全國總裝機(jī)容量的2%，低于一般工業(yè)化國家5%~10%的平均水平[4]。近期國家加快了相關(guān)技術(shù)研發(fā)的投入，在建裝機(jī)容量達(dá)到12,040MW，居世界第一，2020年我國抽水蓄能電站總裝機(jī)容量將達(dá)到約6000萬kW。我國單機(jī)最大的浙江仙居抽水蓄能電站于2010年12月開工建設(shè)，將安裝4臺(tái)單機(jī)37.5萬kW的機(jī)組，預(yù)計(jì)2016年建成，建成后可以為華東電網(wǎng)提供300萬kW調(diào)峰容量。2012年6月15日，國家863計(jì)劃課題“大規(guī)模風(fēng)電與大容量抽水儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)”啟動(dòng)，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)抽水蓄能電站在國內(nèi)的發(fā)展。

　　2.2.壓縮空氣儲(chǔ)能

　　壓縮空氣儲(chǔ)能是利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，將空氣高壓密封在密封空間中，在需要電能時(shí)，釋放高壓空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能燃料消耗比調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)組可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%，安全系數(shù)高，使用壽命長[5,6]。壓縮空氣儲(chǔ)能只適用于大型系統(tǒng)，同時(shí)建造受地穴、礦井等特殊地形條件的限制[7]。

　　壓縮空氣儲(chǔ)能由于其儲(chǔ)能規(guī)模大、成本低，在全球范圍內(nèi)有很大的發(fā)展空間。目前美國正計(jì)劃在俄亥俄州建造世界上最大容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，總裝機(jī)容量達(dá)到2700MW。我國于2003年開始?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的研究，哈爾濱電力部門正在利用現(xiàn)有的地道作為貯氣室進(jìn)行研究。華北電力大學(xué)等國內(nèi)高校正在進(jìn)行壓縮空氣系統(tǒng)熱力性能計(jì)算及其經(jīng)濟(jì)分析的研究。

　　隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減少儲(chǔ)氣庫容積和提高儲(chǔ)氣壓力的需要，8~12MW微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　2.3.飛輪儲(chǔ)能

　　飛輪儲(chǔ)能的原理是將電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，供電時(shí)，將飛輪的動(dòng)能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部負(fù)載。飛輪儲(chǔ)能的主要優(yōu)點(diǎn)是高充放電率，高循環(huán)次數(shù)，響應(yīng)速度快，無污染，維護(hù)簡單，壽命一般為20年;缺點(diǎn)是成本高、能量密度較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)用很高，儲(chǔ)能損耗較高，不適合用于能量的長期存儲(chǔ)[8]。

　　受益于電力電子技術(shù)、磁懸浮技術(shù)和高強(qiáng)度碳素纖維技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)近年來發(fā)展迅速。文獻(xiàn)[9-11]介紹，國際先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能效率已經(jīng)達(dá)到了99.4%，可儲(chǔ)能100kWh。2004年，巴西實(shí)現(xiàn)了利用超導(dǎo)與永磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能，用于電壓補(bǔ)償。2011年，世界最大的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)完成安裝，容量20MW，采用了當(dāng)前世界最先進(jìn)的碳纖維復(fù)合飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)，吸收并釋放1MW的電能僅需15分鐘。

　　我國飛輪儲(chǔ)能研究起步較晚，目前還只是從事系統(tǒng)基礎(chǔ)研究及小容量試點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展正朝著大功率、高效率、低損耗和安全可靠的方向發(fā)展。

       2.4.電池儲(chǔ)能

　　電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是指以蓄電池為能量載體與電網(wǎng)進(jìn)行電能交換的系統(tǒng)。具有充電/放電工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換迅速、設(shè)備維護(hù)工作量小、高度智能化等優(yōu)點(diǎn)，可配合新能源并網(wǎng)，可作應(yīng)急電源，亦可小范圍孤網(wǎng)運(yùn)行[12-14]。

　　根據(jù)所用化學(xué)物質(zhì)的不同，蓄電池可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池等。鉛酸電池價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，可靠性高，占據(jù)著電池儲(chǔ)能45%~50%的市場，但是其能量密度低、壽命短、污染環(huán)境等缺點(diǎn)制約了鉛酸電池的發(fā)展;液流電池是目前一種前沿儲(chǔ)能技術(shù)，克服了鉛酸電池壽命短的缺點(diǎn)，但是其同樣具有污染性;鈉硫電池比能量高，可實(shí)現(xiàn)大電流、高功率放電，充放電效率高，但是它需要采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)來維持300℃~350℃的工作溫度，安全性較差，成本太高;鋰離子電池體積小、能量密度高、綜合效率高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保，受電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，鋰電池的技術(shù)和資金儲(chǔ)備雄厚，是最具有發(fā)展前景的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是鋰電池需要較復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)，生產(chǎn)成本較高。

　　美國電科院在2009年開展了MW級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑風(fēng)電場功率波動(dòng)的示范應(yīng)用，目前世界上運(yùn)行的最大鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的，裝機(jī)容量為2MW[15]。2009年11月，我國成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的容量為650A˙h的鈉硫儲(chǔ)能單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個(gè)掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。在日本運(yùn)營的容量為4MW的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2MW的風(fēng)電場提供儲(chǔ)能，并已運(yùn)行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求[16]。

　　2.5.超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

　　超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載。功率輸送時(shí)不需要能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快、綜合效率高和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷，而且可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時(shí)還可用于無功和功率因素的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　近年來，超導(dǎo)材料實(shí)用化發(fā)展迅速，促進(jìn)了超導(dǎo)儲(chǔ)能的研發(fā)和應(yīng)用。但是，要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用，還需要提高超導(dǎo)體的臨界溫度，研制出力學(xué)性能和電池性能良好的超導(dǎo)線材，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命[17]。目前世界上1~5MJ/MW低溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置已形成產(chǎn)品，100MJ超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)已投入高壓輸電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，5GWh超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)已通過可行性分析和技術(shù)論證。我國十五“863”計(jì)劃啟動(dòng)了高溫超導(dǎo)輸電電纜、限流器、變壓器以及高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目，取得了良好的進(jìn)展。2005年11月，我國第一臺(tái)直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)在華中科技大學(xué)系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)模試驗(yàn)運(yùn)行[18,19]。