新能源发电系统中储能技术现状与分析

丁志康　王维俊　米红菊　张国平　刘华

摘      要：新能源发电是目前全球能源发展的主流方向，但由于间歇性大和可控性差等问题，其发展一直受到制约。在改善其电能输出稳定性的过程中，储能技术得到较大规模的应用，进而也获得了重要的发展契机。针对现有常见的储能技术进行了简介，并分析了各自的优缺点;对混合储能技术的现状进行了介绍，并给出了相应的应用实例及优缺点;对国内外储能技术的发展现状进行了分析对比，总结出了我国在新型储能技术方面的劣势与近年来取得的研究成果;总结分析出了当前储能技术发展亟须解决的4个问题，并结合实际做了展望。

关  键  词：新能源;储能;混合储能;现状;分析

中图分类号：TQ083⁺.1        文献标识码： A      文章编号： 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，全球气候变暖、大气污染、酸雨蔓延、水体污染、臭氧层破坏、固体废物污染等环境问题日益严重，这对国际能源形势的改变产生了较为深远的影响。新能源异军突起，由于其具有清洁低碳、资源丰富、分布广泛等优点，目前已成为各国能源发展的主流方向。但新能源发电系统间歇性大和可控性差等问题，也一直严重制约其发展^[1]。在改善新能源发电系统输出稳定性的过程中，储能技术得到较大规模的应用，进而也获得了重要的发展契机。

储能技术具有削峰填谷的重要作用^[2]。在产能高峰期时，可以将未消耗的一部分电能储存起来，待产能低峰期出现时，再将电能释放，用于减轻波动，保证母线电压的变化能够维持在一定安全范围内，使得电网或者负载正常运行。储能技术在国民经济生产生活中占据着重要地位，已被广泛应用于发输电、供配电、汽车制造、轨道交通、航天航空等领域。但囿于材料、性能、制造技术、政策限制等多方面的原因，储能技术的发展还有极大的上升空间^[3]。

1  现状及优缺点

1.1  储能技术现状及优缺点

目前，在新能源发电系统中常见的储能技术主要有化学储能技术、磁场储能技术、电场储能技术以及机械储能技术等。其中，化学储能技术以锂離子电池、铅酸蓄电池为主，液流、钠硫、镍氢电池等技术的研究也取得了极大的突破。磁场储能技术主要是指超导储能。电场储能技术主要包括电解电容储能和超级电容储能。机械储能技术则以抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等为代表^[4]。各类储能技术简介及优缺点如表1所示^[5]。

1.2  混合储能技术现状

当前，受制于材料技术和生产工艺等因素，尚未出现一种储能技术能够同时具有功率密度高、能量密度高、储能效率高、循环寿命长、成本费用低等优点，尤其是无法兼顾高能量密度和高功率密度。因此，以混合储能系统作为解决办法的方案较为常见。

李彦哲等^[6]提出了一种由含氢储能和蓄电池组成的混合储能系统，主要用于优化风/光/储-微电网的运行。经过HOMERPro软件仿真分析，得出以下结论：该混合储能系统使微电网总净现值成本和平均化能源成本均得到下降，减少了能源的浪费，提高了微电网的经济性;但氢气不稳定，运行过程中，易发生安全事故，并且单独考虑储能成本，仍然较高。

邓汇娟等^[7]建立了一种由超导储能和蓄电池组成的混合储能模型，主要用于平滑风电功率波动。经过仿真分析，得出以下结论：该混合储能系统能够较好地平抑风电功率的波动，有效地减少电池的充放电次数及放电深度;但模型复杂，且预期经济成本较高。

韩舒淇等^[8]建立了一种由风电制氢与超级电容组成的混合储能模型，主要用于解决风电机组出力波动导致电网调峰压力较大、弃风率较高的现象。经过PSCAD/EMTDC仿真分析后，得出以下结论：接入该混合储能系统后，风电机组出力可控且友好，大大削减了对电网冲击;但氢储能分系统运行寿命无法保证，系统运行成本较高。

文献^[9]提出了一种由化学储能和抽水蓄能组成的混合储能系统，主要用于提升微电网对可再生能源利用率。经过MATLAB/simulink仿真分析后，验证了该系统的可行性，但控制系灵敏度和稳定度较低，并且抽水蓄能电站建设成本较高。

曹智^[10]提出了一种由蓄电池和压缩空气储能组成的混合储能系统，主要用于平衡风功率和风电场预测功率之间的偏差。经过MATLAB仿真分析后，得到以下结论：该混合储能系统循环寿命长，储能周期长，在经济性上有较明显的优势;但控制系灵敏度和稳定度较低，并且压缩空气储能装置的建设对场地要求较高，不具有普适性。

在各种混合储能系统的提法中，由超级电容和蓄电池组合成的混合储能系统提法较多，并广泛应用于汽车制造、船舶航行、轨道交通运行、微电网调度优化、新能源发电并网等领域，具有较强的工程应用价值^[11]。

祝逍临和张纯江等^[12-13]提出了一种由超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统。其中，祝逍临

等^[12]提出的系统主要用于分布式发电系统中。在对储能系统结构与工作原理分析后，对系统主电路与控制策略进行了设计，最后通过仿真分析，得到以下结论：储能系统具有高能量密度和高功率密度的特点，并减小了系统对超级电容的容量要求;但控制较为复杂。张纯江等^[13]提出的系统主要用于解决在光伏发电量和负载需求量接近的情况下，系统频繁切换蓄电池的充放电状态，导致船舶启动时，低电压穿越能力较差的问题。利用MATLAB/simulink软件搭建仿真模型，经计算后得到以下结论：超级电容器的容量没有得到完全的利用;超级电容单独工作时，则可以充分发挥其快充快放的优势，减少了系统频繁切换蓄电池充放电的次数;母线电压恢复至正常值的速度稍有变快，但未见较大优势。

1.3  国外储能技术发展现状

以美国、日本、德国等为代表的发达国家，对新型储能技术较为重视。在化学储能、超级电容储能、超导储能等领域的研究发展处于较为领先的地位^[14]。美国能源部已将储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术，并制订了一系列的税收优惠和补贴奖励政策，用于支持储能技术的研究和产业的发展。在2011年，美国就在西弗吉尼亚州建成了当时世界上最大的锂离子电池储能项目，并投入运营。该电池储能系统规模为32 MW，用于匹配98 MW的风力发电。日本则在液流电池、钠硫电池和改性铅酸电池等储能技术方面进行了大量的研究探索，尤其是在钠硫电池领域已获得重大突破，拥有了大量的专利技术。而在众多欧洲的发达国家中，德国在推动储能产业方面的动作较大，尤其是对光伏储能进行了高额补贴^[15]。

但近10年来，其他国家也开始意识到储能技术的重要性，纷纷加快了相关产业的布局和技术的发展，美国、日本等发达国家的优势地位开始逐渐下降。据德国莱茵TüV与中关村储能产业技术联盟（CNESA）联合发布的《2018储能系统白皮书》预测：到2026年，美国、中国、印度将成为全球电网侧储能安装规模最大的前三个国家。这也说明，在储能技术方面，国内外的差距已经越来越小^[16]。

1.4  国内储能技术发展现状

我国在抽水蓄能这一传统储能技术中，拥有较大优势，按照总装机容量来看，我国以32.0 GW位列全球第一，日本和美国次之。表2展示了全球运行抽水蓄能项目总装机容量前10的国家。

但我国在新型储能技术领域，和其他发达国家相比， 起步较晚^[17]，目前仍处于积极探索和建设示范工程的初级阶段。根据美国能源部于2016年8月16日更新的全球储能数据显示，我国储能项目累计装机总容量达到32.1 GW，其中抽水蓄能装机容量就高達32.0 GW，电化学储能和热储能装机容量均为0.05 GW，其余储能项目数据未统计^[18]。从上述数据中，可以看出我国在新型储能技术方面的劣势。

为改善这一问题，我国政府部门也制订了一系列的优惠政策，包括降低税收、提高补贴、减少审批流程、鼓励科研立项等措施，尤其是在“十三五”规划的百大工程项目中，就有多个与储能技术相关的项目。

目前，我国已建成了一大批具有代表性的储能示范项目。图1为“张北风光储示范工程“，在储能技术上，示范应用了磷酸铁锂电池、铅酸锂电池、全钒液流电池、铅炭电池以及超级电容等多种技术路线^[19]。

图2为“鲁能海西州多能互补示范工程”，该项目是国内最大的发电侧电化学储能项目，于2018年12月25日顺利并网发电，其中磷酸铁锂电池储能系统装机容量达到50 MW^[20]。

除此以外还有“大连液流电池储能调峰电站”、“长沙微网分布式新能源储能节能国家级示范基地”、“二连浩特风电+光伏+光热+储能示范基地”、“河南电网100兆瓦电池储能示范工程”等大规模储能电站示范项目。可以说，我国新型储能技术的发展已经进入了快车道，与发达国家之间的技术差距正在逐渐减小^[21]。

2  待解决问题

目前，多数储能技术在理论上已经较为成熟，但在实践过程中，成本、寿命等短板问题就凸显出来了。经过分析，可总结出有以下问题亟须解决：

1）降低储能系统的建设成本和运行维护成本;

2）延长储能系统的运行寿命;

3）改进优化储能系统的控制算法，提高系统运行的可靠性和输出的稳定性;

4）提高储能系统的安全性。

针对上述问题，可以考虑从以下两个方面着手解决：

1）政府加强引导。通过政策扶持、鼓励研发、资金投入、简化审批等手段，吸引更多科研机构和企事业单位进入储能领域。

2）行业规范制定。基于我国储能产业的发展现状，行业内部制定科学严谨的规范，使整个产业得以有序、高效的发展，进而营造出一种良性的竞争氛围。

3  展 望

目前，国内外学者已提出多种合理可行的储能技术，其中大多数技术也已运用到了工程实践之中，但仍暴露出了不少问题。随着新能源发电的规模不断扩大，为保证电网或负载的正常运行，大力研究与发展储能技术是势在必行的方向。

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基金项目：国家重点研发计划（项目编号：2016YFC0305001）;国家科技支撑计划课题资助（项目编号：2014BAC01B05）。

收稿日期： 2020-01-31

作者简介：丁志康（1996-），男，湖北省武汉市人，硕士，研究方向：电气工程。E-mail：dzk.marco.reus@foxmail.com。

通讯作者： 王维俊（1964-），女，湖北省武汉市人，博士生导师，研究方向：电力保障装备和多能源发电技术。