储能技术在电力系统中的研究进展

骆妮，李建林

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区102206；2.中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）

近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。储能的优点有很多，节能、环保、经济。比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和品质，但用电量却随时间变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能是至关重要的。另外，由于分布式发电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。随着电力电子学、材料学等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已经起到了重要作用。

在新能源技术快速发展的大背景下，如果能在风力发电、太阳能光伏发电等新能源发电设备中都配备有储能装置，首先，通过储能元件对机组的出力曲线进行调整，可以解决新能源发电自身出力随机性、不可控的问题，减小新能源出力变化对电网的冲击；其次，可以在电力充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用[1]。储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。风力发电系统储能装置的作用是在风力强时，除了通过风力发电机组向负荷供电外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。通过对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品。此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。尤其在风力发电厂，由于风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风力发电场显得尤为重要[2-3]。

此外，电池储能技术为解决电力供应链的燃料、发电、输电、配电和用电等问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。近年来随着国家节能减排政策的实施，储能已经逐渐成为电力生产的第六环节。电力系统引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。

1 储能技术分类及国内外研究现状

电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照存储具体方式可分为机械、电化学、电磁、和热力储能四大类型。其中机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；化学储能包括铅酸、镍氢、镍隔、锂离子、钠硫和液流等电池储能；电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能；热力储能包括熔盐储能和热电储能等。本文介绍几种典型储能技术的特点以及各自的国内外研究动态。

1.1 抽水储能

抽水储能是在电力系统中得到最为广泛应用的一种储能技术，其主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量。抽水蓄能电站比锂离子电池有更好的投资效益比。因为锂离子电池的价格现在仍然比较贵。从蓄能的观点看，抽水蓄能电池也许比锂离子蓄能电池在充放电过程中要多损失一些能量。锂离子电池的充放电效率可以做到90%、85%，抽水蓄能可能是80%，也许75%。但是抽水蓄能电站不仅可以吸收光伏发电加风电发出的电力，而且可以多接收来自天空的“天落水”增加发电能力。所以抽水储能的“蓄能”效益，实际上比锂离子还高。抽水蓄能电站和太阳能、风能相结合，专门保证高峰用电的供应，从电力的调配上最为合理。因为水能发电的最大优势，在于要发电就发电，不发电就不发电，启动和关闭闸门都比较容易。目前，全世界共有超过90 GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3%，但限制抽水蓄能电站更广泛应用的重要制约因素是地理位置受限程度大，建设工期长，工程投资较大。

我国抽水蓄能电站面临高速发展契机。目前，我国已建成抽水蓄能电站20余座，占全国总装机容量的1.73%。而一般工业国家抽水蓄能装机占比在5%～10%水平，其中日本2006年抽水蓄能装机占比即已经超过10%。我国抽水蓄能电站目前占比明显偏低，随着国内核电及大型火电机组的投建，近年来国内抽水蓄能电站建设明显加速。目前在建规模达到约1 400万kW，拟建和可行性研究阶段的抽水蓄能电站规划规模分别达到1 500万kW和2 000万kW，如果以上项目顺利投产，2020年我国抽水蓄能电站总装机容量将达到约6 000万kW。典型的抽水储能示范工程有惠州抽水储能电站、十三陵抽水储能电站等。惠州抽水储能电站是目前我国最大的抽水储能示范工程，装机容量为2 400 MW，年发电量45.62亿度，抽水耗电量60.03亿kW·h。十三陵蓄能电厂是华北电网最大的抽水蓄能电厂，建在风景秀丽的十三陵水库旁，北京市中心30余km，共装有4台200 MW混流可逆式水轮发电机组，为华北电网提供可靠的调频、调峰、紧急事故备用电力，为保证首都的政治供电发挥很重要的作用。

1.2 飞轮储能

飞轮储能的原理是电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储。在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将机械能转化为电能。飞轮系统运行于真空度较高的环境中，其特点是没有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能质量保障，是目前最有发展前途的储能技术之一。缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势，主要应用于为蓄电池系统作补充。在美国，10年前现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，风险投资的大量介入，飞轮储能技术获得了成功应用。风电、太阳能发电本身所固有的随机性、间歇性特点，决定了其范围化成长必定会对电网调峰和体系平安运转带来明显影响，必需要有先进的储能手艺作支持。飞轮储能技术发展到一定程度后，能在很大程度上解决新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电和太阳能发电方便可靠地并入常规电网，减少温室气体排放。

目前，已经开发出大功率飞轮储能系统，并应用于航空以及UPS领域以Beacon Power为领先水平的研究机构正在致力于飞轮储能的优化设计，以便将其用于长过程储能服务（多达几个小时），同时降低其商用成本。已有2 kW/6 kW·h的飞轮储能系统用于通信设备供电，采用飞轮组（flywheel Farm Approach）可以实现输出功率为兆瓦级、持续时间为数分钟或者数小时的储能装置。机械式飞轮系统也已形成系列产品，如Active Power公司CleanSource系列、Pentadyne公司AvSS系列、Beacon Power公司的25 MW系列。随着新材料的应用和能量密度的提高，其下游应用逐渐成长，处于产业化初期[4]。

1.3 压缩空气储能

压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电[5-6]。压缩空气蓄能电站有许多优点：改进电网负荷率，提高了经济性，使系统中大型发电机组的负荷波动减小，提高了可靠性。和抽水蓄能电站相比，压缩空气储能站址选择灵活，不需建造地面水库，地形条件容易满足。压缩机由电网供电的电动机驱动，因此汽轮机的输出功率全部用于发电，其发电功率是常规燃汽轮机电站的3倍。同时由于大量能量储存在空气和燃料中，与抽水蓄能电站相比，有很高的能量密度。压缩空气蓄能电站在压缩空气瞬间即可使用，在无照明的条件下也可以启动而且启动快，3分钟即可从空载达到额定出力，提高了系统的灵活性，适于作旋转备用。压缩空气蓄能电站可以积木式地组装，可以实现模块化。一座220 MW的电站可用25～50 MW的小型压缩空气蓄能电站积木式地逐年扩建发展。最早实现商业化运营的压缩空气储能系统建于德国。另一个成功案例是1991年建于美国亚拉巴马州的压缩空气储能系统，它把压缩空气储存在地下450 m的废盐矿中，可以为110 MW的汽轮机连续提供26 h的压缩空气。压缩空气储能电站的建设受地形制约，对地质结构有特殊要求。目前随着分布式电力系统的发展，人们对于8～12 MW微型压缩空气储能系统开始关注。

2009年压缩空气储能被美国列入未来10大技术，德、美等国有示范电站投入运营，如1978年德国亨托夫投运的290 MW的压缩空气蓄能电站，美国电力研究协会（EPRI）研发的220 MW的压缩空气蓄能电站。总体而言，目前尚处于产业化初期，技术及经济性有待观察。

1.4 钠硫电池储能

钠硫电池在300℃的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫（S）；负极活性物质是液态金属钠（Na），中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池具有许多特色之处：一是比能量高，其理论比能量为760 Wh/kg，实际已大于100 Wh/kg；二是可大电流、高功率放电；三是充放电效率高，充放电电流效率几乎100%。太阳能、风能等新能源洁净无污染，但由于受到地理，时间，天气等因素影响，发电功率很不稳定。给整个电网带来不期而至的“洪峰”。钠硫电池作为一种储能电池。它的“蓄洪”性能非常优异，它可以承受超过额定功率5~10倍的电流，在用电高峰时，可以将储存的电能以稳定的功率释放到电网中。钠硫储能电池更大的作用还在于为整个电网“削峰填谷”。通过“削峰填谷”，可使每吨标准煤所发的电多利用100度，可带来经济效益480元。以上海市为例，预计到2015年，电网峰谷差可达16 000 MW，即使只将20%的“谷电”存储起来，用于高峰时段，其经济效益就超过70亿元。然而钠硫电池在工作过程中需要保持高温，有一定安全隐患。

钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用10～15年。日本东京电力公司在钠硫电池系统开发方面处于国际领先地位，2002年开始进入商品化实施阶段，2004年在Hitachi自动化系统工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9.6 MW/57.6 MW·h。2007年日本年产钠硫电池量已超过100 MW，开始向海外输出。在国内，国家电网公司同中科院上海硅酸盐研究所合作，2008年完成电池模块的研制，2009年攻关百千瓦级储能设备，2010年实现世博会示范应用，到2011年进入大规模产业化阶段。该项技术极有可能成为首批电化学储能电站的应用技术。

1.5 锂离子电池储能

锂离子电池由于兼具高比能量和高比功率的显著优势，被认为是最具发展潜力的动力电池体系。目前制约大容量锂离子动力电池应用的最主要障碍是电池的安全性，即电池在过充、短路、冲压、穿刺、振动、高温热冲击等滥用条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全行为。其中，过充电是引发锂离子电池不安全行为的最危险因素之一。近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池，它的研究和开发已取得重大进展。但由于锂离子电池是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等多学科的交叉领域，研制中还存在许多问题。运用传统的电化学研究方法结合现场、非现场的谱学方法等多种检测手段，对锂离子电池体系进行评价、优化设计，将会有力地推动锂离子电池的研究和应用。由于锂离子电池具有重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等优点，成为目前世界上大多数汽车企业的首选目标和主攻方向，全球已有20余家主流企业进行车载锂离子动力电池研发，如富士重工、三洋电机、NEC、东芝、美国江森自控公司等。能源的大规模储存能力对于发展新能源至关重要，锂离子电池在大规模储能领域有着很好的应用前景。首先，可以解决电网用电的峰谷调节难题；其次，风能、太阳能、潮汐能等清洁能源都是间断性的能源，锂电储能设备配合上述清洁能源的使用，在发电时储能，在间断期间释放能量，能有效地缓解我国能源紧缺的现状。锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后，相当长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。

1.6 液流电池储能

液流电池的活性物质可溶解分装在两大储存槽中，溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应为可逆的，因此可达到多次充放电的能力。此系统之储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积。由于两者可以独立设计，因此系统设计的灵活性大而且受设置场地限制小。液流电池已有全钒、钒溴、多硫化钠/溴等多个体系，液流电池电化学极化小，其中全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实现快速充放电，寿命长等优点，全钒液流电池已经实现商业化运作，能够有效平滑风能发电功率。在日本运营的容量为4 MW的全钒液流电池为当地32 MW的风电场提供储能，并已运行27万次循环，世界上还没有任何其他储能技术能够实现这一要求[7]。

20世纪90年代初开始，英国Innogy公司即成功开发出系列多硫化钠／溴液流储能电堆，并建造了储能电站，用于电站调峰和UPS。近十多年来，欧美日将与风能／光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站调峰。可以说，以全钒液流电池为代表的液流电池在国外已经买入产业化初期。国内也做了一定的技术储备，中科院电工所已经完成100 kW级全钒液流电池系统部件研制与系统集成等关键技术，拟进行示范工程实施；北京普能通过收购加拿大VRB Power公司成功获得了国际领先的全钒液流电池产业化技术，目前正在国内建设规模化生产基地。

1.7 超导磁储能

超导磁储能系统（SMES）利用超导体制成线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快（ms级），转换效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105 kW/kg）大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。目前，世界上1～5 MJ/MW低温SMES装置已形成产品，100 MJ SMES已投入高压输电网中实际运行，5 GWh SMES已通过可行性分析和技术论证。SMES可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求。和其他储能技术相比，超导电磁储能仍很昂贵，除了超导本身的费用外，维持系统低温导致维修频率提高以及产生的费用也相当可观[8]。

目前，在世界范围内有许多超导磁储能工程正在进行或者处于研制阶段。在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面开始发挥作用。

1.8 超级电容器储能

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。超级电容器历经三代及数十年的发展，已形成容量0.5～1 000 F、工作电压12～400 V、最大放电电流400～2 000 A系列产品，储能系统最大储能量达30 MJ。但超级电容器价格较为昂贵，目前，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。由于能在充满电的浮充状态下正常工作10年以上，因此超级电容器可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。超级电容器安装简单，体积小，并可在各种环境下运行（热、冷和潮湿），现在已经可为低功率水平的应用提供商业服务。

各种储能技术在其能量密度、功率密度和储能系统容量规模等方面均具有不同的表现，而同时电力系统也对储能系统各方面应用提出了不同的技术要求，很少能有一种储能技术可以完全胜任在电力系统中的各种应用。因此，必须兼顾双方需求，选择合适的储能方式与电力应用。储能技术在电力系统能否得到大规模应用和推广，首先应该考虑基于该技术的储能系统的造价成本、运行及维护成本、运行中安全和可靠性以及规模能力等因素，此外还需要考虑储能系统的能量转换效率、系统寿命、动态性能和冗余调节能力等多方面因素。表1分别从额定功率、额定容量、特点及应用场合方面详细比较了抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、电容器储能、超级电容储能、铅酸电池储能、液流电池储能和钠硫电池储能在电力系统中的应用。

表1 应用于电力系统的储能技术比较Tab.1 Comparison of energy storage technology in electric power system

2 储能技术在现代电力系统中的应用

储能技术是实现灵活用电，互动用电的重要基础，是实现智能化使用能源，解决能源危机的重要技术发展方向，也是发展智能电网的重要基础工作。因此，有必要开展先进储能技术的发展研究。

储能技术目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量等。能量存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法。这种方法在早期的电力系统中已经有所应用，例如在19世纪后期纽约市的直流供电系统中，为了在夜间将发电机停下来，采用了铅酸蓄电池为路灯提供照明用电。随着电力技术的发展，抽水储能电站被用来进行电网的调峰。抽水蓄能电站在夜晚或者周末等电网负荷较小的时间段，将下游水库的水抽到上游水库，在电网负荷峰值时段，利用上游水库中的水发电，补充峰荷的需求。液流电池可以用于电站调峰和UPS，等等[9-11]。

总结起来，储能装置在电网中所发挥的作用主要体现在以下几个方面：

1）削峰填谷

储能发挥削峰填谷的作用，改善了电力系统的日负荷率，使发电设备的利用率大大提高，从而提高电网整体的运行效率。电力生产过程的连续性，要求发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成，因此发电、供电、用电之间必须随时保持平衡。并且，电力系统必须有一定的发电备用容量。电力的需求在白天和黑夜、不同季节间存在巨大的峰谷差，从建设成本资源保护的角度出发，通过新增发输配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难，用户对供电的可靠性和调峰的要求也越来越高。如今，丰富的可再生能源和分布式资源却得到越来越多的应用，这些特点使得分散的储能系统的重要性日益增加。如果能够建立起既经济又反应快速的调峰电站和大规模储能系统，以便将低谷电能转化为高峰电能，是实现发电和用电间解耦及负荷调节的有效途径，也是电力工业市场化的前提。同时，还可以减少电网对发电设备的投资，提高电力设备的使用率，减小线路损耗，提高供电可靠性，创造巨大的经济效益和社会效益[12-13]。

2）提供应急电源，提高可靠性，改善电能质量

在发生突发事故和电网崩溃时，为防止医院、消防、通信、银行等重要负荷区电力中断，储能设备将充当不间断电源/应急电源，可为电网恢复争取时间，避免损失扩大。同时，可以借助于电力电子变流技术，实现高效的有功功率调节和无功控制，快速平衡系统中由于各种原因产生的不平衡功率，减小扰动对电网的冲击，改善用户电能质量[14]。文献[15]介绍了超级电容储能技术在分布式发电中的应用，详细给出超级电容储能系统的拓扑结构，通过在PSCAD下建模仿真说明了其在解决分布式发电电能质量等问题方面有很好的效果。文献[16]研究了采用DSTATCOM／BESS来提高电能质量的问题，结果表明，该储能系统能实现与系统的快速有功、无功功率交换，有效改善电压波动性，改善电压暂降、电压电流波形畸变及闪变等，适用于解决风电并网带来的电能质量问题。文献[17]设计了超级电容器的串并联混合型补偿方案，该方案通过并联系统实现超级电容与系统的功率交换以平滑风电输出功率，通过串联系统有效改善供电电压可靠性，抑制电压暂降。

3）一次调频，改善电网特性

将储能设备与先进的电能转换和控制技术相结合，可以实现对电网的快速控制，改善电网的静态和动态特性[18]。储能装置具有转换效率高且动作快速的特点，能够与系统独立进行有功、无功的交换。因此，储能装置可以根据系统负荷变化快速调整出力来稳定系统频率及减少不必要的联络线功率流动。研究表明，储能装置的投入可以有效改善系统频率，解决旋转备用不足的问题。文献[11]以风能为例，提出将风能等可再生能源作为超导磁储能（SMES）装置的充电电源，为可再生能源的使用提出一个新的思路。SMES装置具有转换效率高且动作快速的特点，能够与系统独立进行有功、无功的交换。因此，SMES装置可以根据系统负荷变化快速调整出力来稳定系统频率及减少不必要的联络线功率流动。仿真结果证明，SMES装置的投入可以有效改善系统频率，解决旋转备用不足的问题。文献[19]研究了采用超导储能系统改善频率稳定性问题，仿真结果表明，超导储能系统在文中既定的条件下使得系统的最大频率偏差降低，有效改善了系统的频率稳定性，且超导储能系统容量越大系统频率偏差越小。

4）满足可再生能源系统的需要

受自然条件限制，可再生能源发电具有很大的随机性，直接并入电网会对系统造成一定的冲击，增加系统不稳定的因素。因此，通过研发高效储能装置及其配套设备，与风电、光伏发电机组容量相匹配，支持充放电状态的迅速切换，确保并网系统的安全稳定已成为可再生能源充分利用的关键。储能技术将在平抑、稳定风能发电或太阳能发电的输出功率和提升新能源的利用价值方面发挥重要作用。风电、光伏等可再生能源发电设备的输出功率会随环境因素变化，储能装置可以及时地进行能量的储存和释放，保证供电的持续性和可靠性。在风力发电中，风速的变化会使原动机输出机械功率发生变化，从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降。应用储能装置是改善发电机输出电压和频率质量的有效途径，同时增加了分布式发电机组与电网并网运行时的可靠性。分布式发电系统可以与电网连接，实现向电网的馈电，并可以提供削峰、紧急功率支持等服务。而一些可再生能源分布式发电系统，受环境因素的影响较大，因此无法制订特定的发电规划。如果配置能量储存装置，就可以在特定的时间提供所需的电能，而不必考虑此时发电单元的发电功率，只需按照预先制定的发电规划进行发电。文献[20-23]分别研究了超导储能和超级电容储能系统用于平滑风电场有功输出的性能及相关控制策略，结果表明，超导储能和超级电容储能系统能有效改善风电输出功率及系统的频率波动。文献[24，25]针对变速风电机组设计了附加频率控制环节，分别通过对转子和风轮机的附加控制，使得DFIG对系统的一次调频有所贡献。针对这些控制方案将降低风电机组效率的缺陷，文献[26]提出了采用飞轮储能系统辅助风电机组运行，通过对飞轮储能系统的充放电控制，实现平滑风电输出功率、参与电网频率控制的双重目标，并通过仿真验证了方案的可行性。

3 结语

综述了世界范围内的储能技术，包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、钠硫电池储能、锂离子电池储能、液流电池储能、超导储能、超级电容器储能等，介绍了各种储能技术的国内外研究现状，以及储能技术在提高可再生能源利用率以及电力系统各个方面的应用前景。储能技术对解决电力系统的供电压力，改善电力系统的稳定性，提高供电质量提供了新的思路和有效的技术支持。也正因为如此，目前世界各国，特别是发达的国家，都在积极开展各方面的储能研究，并将其用于电力系统的实际。我们应该充分利用我国电力工业大发展的良好机遇，积极开展这一领域的研究，为我国电力系统安全高效运行提供新的技术支持。

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