电网规模化储能应用研究综述

王一飞，杨 飞，徐 川

（1.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏 徐州221000；2.国网浙江省嘉兴供电公司，浙江 嘉兴314000）

0 引言

随着全球传统化石能源日益枯竭及用电需求不断增加，以风能、太阳能等可再生能源为代表的分布式发电（distributed generation，DG）得到大量应用［1］。DG以其投资少、发电方式灵活、环境污染小等优点，广泛用于配电网，特别是一些地区存在大量分散性负荷，DG可以就近建设，有效减少线路传输过程中的功率损耗，提高系统运行的经济性。但风能、太阳能等资源受制于环境，使得出力具有间歇性和随机性［2］，发电功率与负荷难以维持平衡，影响电网的安全运行，导致出现弃风、弃光现象，限制了DG的发展［3］。截至2019年12月底统计全国各省弃风、弃光情况，其中，新疆、蒙西、甘肃地区弃风情况严重，新疆弃风率为14%、蒙西弃风率为9%、甘肃弃风率为7.6%，其他省份均低于5%；西藏、新疆、青海地区弃光情况严重，西藏弃光率为24.1%、新疆弃光率为7.4%、青海弃光率为7.2%，其他省份均低于5%。

为解决这一问题，在DG并网过程中，通常加装储能装置来平抑出力波动、削峰填谷。这将有助于打破DG接入配电网带来的瓶颈问题，提高对新能源的消纳能力，同时可以提升电能质量，减小线路网损，提高电力系统运行的稳定性和经济性［4-6］。储能装置主要分为能量型和功率型两种。能量型储能容量大，成本低，但响应速度慢，且过充过放会严重影响使用寿命，无法完成调峰调频的任务。功率型储能响应速度快，充放电效率高，生命周期长，多用于削峰填谷和平抑DG出力波动，但成本投入高，容量小。能量型和功率型储能在工作特性及应用场合中存在明显差异，因此工程中采用混合储能来进行优化，例如储能电池与超级电容器构成混合储能系统，在能量需求较大的情况下，可通过储能电池补充能量，在短时大功率情况下，可利用超级电容器充放电。不仅弥补传统缺陷，同时也显著提高了性能优势。

随着新能源发电比例的日益增加和储能技术的迅速发展，储能已经应用到电力产业的各个环节，特别是在电网侧发挥了重要作用，2018年新增投运的电网侧储能规模达到206.8 MW，居各种储能类型之首。国外储能技术应用起步较早，储能技术的应用由起初的用户侧逐渐转为电网侧发展。美国是储能实现规模化应用较早的国家，通过建立储能数据库，对储能工程进行跟踪监测，设立专门机构并制定相关政策来推动储能技术的商业化应用。美国西南部主要采用光伏配置储能系统，通过ITC 即光伏投资税收抵免政策来推动储能规模化应用，根据光伏发电的比例来相应地抵免税收，降低投资成本，提高储能工程的经济性。

文章首先介绍储能技术的分类，比较各自的特点及应用场景，指出目前各储能技术的研究热点，然后结合规模化储能技术的典型示范应用案例，针对关键储能技术进行分析，归纳研究储能系统优化配置方法，总结储能运行模式及核心设备研发关键技术，最后对储能技术应用于配电网的研究进行总结和展望。

1 储能技术分类及应用场景

根据技术原理，储能主要有机械储能、电化学储能、电磁储能。其中，机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能；电化学储能包括经典电池储能、液流电池储能；电磁储能包括超导磁储能、超级电容器。

1.1 机械储能

抽水蓄能电站广泛用于工业生产中，包括上池和下池，机组像常规水轮机一样发电，同时可当水泵将下池水抽到上池。当电力系统处于低负荷运行，机组用做水泵运行，在上池蓄水；处于高负荷时，机组像常规水轮机一样运行，为电网提供电能，实现低储高发、削峰填谷［7-8］。两个水池之间的高度差在70 m～600 m，其效率在70%～80%，但是，抽水蓄能电站对地理条件要求很严格，建设周期很长，初始投资大，并会导致一系列生态和移民问题。

压缩空气储能是一种在电网低谷负荷时利用电能压缩空气，将空气高压密封在储气罐中，在电网高峰负荷时将压缩空气释放从而推动汽轮机进行发电的储能方式［9-11］。这种储能方式整体结构复杂，制造成本高，工作效率在30%～40%，经济性较差，未得到规模的商业化应用［12］。

飞轮储能是通过加速飞轮至极高速度的方式将能量以旋转动能的形式储存于系统中。由能量守恒定律可知，当释放能量时，飞轮转速下降；而进行储能过程时，飞轮转速会较之前有所升高。飞轮储能可在短时间内输出较大能量，具有极高的功率密度，储能效率在95%左右，但工作过程中飞轮和轴承上的摩擦损失很高，需要复杂的冷却过程，为改进这个缺点，可使用带超导体的磁力轴承或无轴承电机。该储能装置由于输出响应速度快，达到分钟级，多用于电力系统调峰调频［13-15］。

1.2 电化学储能

电化学储能主要通过可充电电池来实现。目前常用的储能电池有铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、钠硫电池、液流电池等［16-17］。

铅酸电池应用历史悠久，储能成本低，可靠性好，效率较高，广泛用于交通运输、电力等部门。但铅酸电池循环寿命短，能量密度低，充电速度慢，而且对环境影响大。目前对铅酸电池的研究主要集中在循环寿命短的问题上，研究人员通过将碳加入铅酸电池中，可将电池寿命提升一个数量级以上，提高了电池的工作性能。

锂离子电池早期极大地推动移动电子设备的发展，具有高能量密度、高工作电压、充电效率高、循环寿命长、无污染等优点，随着国家政策的扶持及新能源发电在电网的高渗透率，锂离子电池规模化用于电网储能系统，主要用于风光互补系统，提高DG 消纳能力。但锂离子电池存在很大的安全性问题，低温性能差，过充过放能力差［18］。锂电池负极材料作为电池产业中的关键材料，成本占锂离子电池的25%左右。目前国内外研究重点在锂电池的负极材料上，最新研究的碳基SnO2复合材料可以进一步提升电池充放电的稳定性，材料的比容量更高，是有潜力替代石墨的电池负极材料，也是目前锂电池负极材料领域研究的热点。

随着锂离子电池的需求量不断增加，而锂的储量有限且分布不均，导致性价比不高，而锂电池的安全问题同样不可忽视，这就制约了锂离子电池在储能行业的发展。钠具有与锂相似的物理化学性质，同时钠储量十分丰富，约占地壳储量的2.64%，分布广泛、提炼简单。钠离子电池因具有低成本、高安全性等优势，在大规模储能配置中有较大潜力［19-21］。然而，钠离子电池严重缺乏可与锂离子电池中石墨负极作用相当的低压负极材料，在已报道的钠离子电池电极材料中，层状钛基材料被认为是十分有前途的候选材料，因为它们固有的较大的中间层间距可快速插入Na+，然而，与碳负极的超低电压相比，大多数钛基负极的嵌入电压平台通常在0.5～1.0 V。华中科技大学李会巧教授课题组首次通过固相法合成了一种三斜相结构的Na2Ti3O7，与传统的单斜相结构相比，三斜相Na2Ti3O7保持相似的低电位平台，Na+传输通道更平滑通畅，层状结构更稳定，循环稳定性大大提高［22］。

钠硫电池起初是由福特电动汽车提出的，随着进一步研究，发现钠硫电池具有高功率密度和能量密度、低成本、温度稳定等特性，然而，高温运行下的钠硫电池存在腐蚀问题和安全隐患，这成为制约其在大规模储能应用中的主要障碍，目前正在研究通过改变钠硫电池的结构来降低工作体系温度，进一步提高工作性能［23］。

液流电池是通过可溶性电对在惰性电极上产生电化学反应而进行能量储存与释放的一类电池。与传统电池不同，液流电池具有相对独立的功率和容量，可据需求分别进行调整。它具有功率大、容量大、寿命长、安全性高等特点，但同时存在关键材料制约和实际成本偏高等问题［24］。目前，液流电池的研究主要集中在电极材料、电解液和隔膜材料等方面，对电极材料经表面改性来提升电化学活性和使用寿命。在适当提高电解液浓度的基础上，向电解液中加入吡啶、明胶或硫酸钠等添加剂是目前电解液研究的主要方向之一。隔膜材料是影响电池寿命的重要部件，研究人员采用诱导接枝法对隔膜进行改性，再经氯磺酸磺化处理得到改性阳离子膜，化学稳定性和使用寿命得到提升。

1.3 电磁储能

电磁储能主要有超导磁储能、超级电容器两类。超导磁储能是利用超导线圈作为储存电磁能的载体。由于超导体电阻为零，因此能量转换过程中无损耗，效率极高。因此超导磁储能具有效率高、响应速度快、有功和无功率输出可灵活控制、使用寿命长、污染小等优点，但是高昂的成本制约了规模化应用，据研究表明：高温超导材料会极大降低超导磁储能系统的成本，简化运行条件，提高其性能和寿命。目前超导磁储能的研究主要以仿真实验和小型样机为主，尚未规模化应用，日本研制了1 kW/6 kJ 级的微型样机，并进行了模拟实验研究。英国利用下垂控制方法延长储能系统26%的使用寿命。中国科学院成功研制了世界首台在风电场并网运行的超导磁储能装置，该装置采用了2种高温超导带材混合绕制的结构，充分发挥了各自优势，具有先进的技术性，已经在甘肃省玉门市低窝铺风电场并网运行，运行结果表明该系统能有效提高风电并网的可靠性，提升电网的电能质量。因此，随着高温超导材料技术的不断成熟，超导磁储能有望推动未来储能技术的发展和革新［25］。

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的特殊电源，工作期间不进行化学反应，这种储能过程可逆，可多次进行反复充电放电。相比蓄电池而言，超级电容器作为新型储能装置具有适应环境能力强、温度特性好、使用寿命长、可快速充电等诸多优点。超级电容器在电力系统中多用于分布式发电的储能装置和电网故障时的后备电源等，平抑电网电压波动，解决电压暂降和短时中断等问题［26-28］。然而，超级电容器能量密度小，成本高，电极材料是提升性能和降低成本的关键部分，当前研究主要集中在优化材料的结构，增强离子扩散能力，同时对碳材料、导电聚合物和金属化合物等电极材料进行复合，综合各自优点，提高电化学性能。

综上所述，各储能技术特点及应用场景如表1所示。

表1 各储能技术特点及应用场景Table 1 Features and application scenarios of various energy storage technologies

2 规模化储能应用示范工程

随着储能技术的不断发展和可再生能源在电网的渗透率日益增强，国家电网有限公司及南方电网有限公司围绕可再生能源消纳建设了一系列储能示范工程。文章以国家风光储输示范工程、甘肃酒泉“电网友好型新能源发电”示范工程、吉林风蓄储示范工程、河南电网100 MW 电池储能示范工程为例，介绍各示范工程应用的关键储能技术。

2.1 国家风光储输示范工程

国家风光储输示范工程地处张家口市，该工程涵盖100 MW 风电、50 MW 光电和20 MW/95 MW·h 化学储能，如图1所示。储能电站投运了液流电池、超级电容器、钛酸锂、胶体铅酸电池等多类型新型电池，可实现平滑出力、削峰填谷、调峰调频等功能。该工程将风电、光电、储能、输电有机统一，将能量型储能电池与功率型储能电池结合，具有高能量密度、高功率密度等特点，可实现风电、光伏、储能彼此联合出力等多种运行方式［29］。

图1 国家风光储输示范工程Fig.1 National wind and solar storage and transportation demonstration project

2.2 甘肃酒泉“电网友好型新能源发电”示范工程

甘肃酒泉“电网友好型新能源发电”示范工程如图2 所示，该工程在风电场安装1 MW/1 MW·h 锂电池储能系统和300 kW 超级电容器。利用锂电池储能进行电网稳态功率控制、跟踪计划发电并平滑风电输出；利用超级电容器响应速度快的特点提高风电机组暂态电压稳定性。

图2 甘肃酒泉“电网友好型新能源发电”示范工程Fig.2 "Grid-friendly new energy power generation"demonstration project in Jiuquan,Gansu

2.3 吉林风蓄储示范工程

吉林风蓄储示范工程位于吉林省大安市安广镇。依靠风力发电提供大安市城镇集中供暖中的清洁热能。其中风电装机200 MW，供暖工程配置30 MW 蓄热式电锅炉，并在蓄热式电锅炉侧配置1 MW/0.5 MW·h移动式锂电池储能系统。负荷低谷时段风电的弃风量为蓄热式电锅炉提高电力供应，电锅炉产生的热量一部分直接用于负荷低谷时段家庭供暖，剩余部分采用蓄热装置进行储存，在负荷非低谷时段向居民保障热力供应。经计算共消纳风电952.97 MW·h，风电有效利用小时数提高了11.273 h，上升了73.2%，效果显著。

2.4 河南电网100 MW电池储能示范工程

该工程在河南省内选取9 个地市共16 个变电站，综合配置21 组模块容量4.8 MW/4.8 MW·h、总规模为100.8 MW/100.8 MW·h 的锂电池储能系统，于2018 年底建成投运，是我国建成投运的首个电网侧分布式百兆瓦级电池储能工程，由于河南电网峰谷差较大，约为峰值负荷的40%，因此该储能示范工程可以有效进行削峰填谷，提高新能源的消纳能力，这是储能技术规模化应用于电网侧的一大突破。

综上所述，各储能示范工程特点如表2所示。

表2 储能示范工程特点Table 2 Characteristics of energy storage demonstration projects

3 储能系统优化配置研究

根据前述各储能示范工程可知，储能系统对提高电网对新能源发电的消纳能力及削峰填谷有着关键作用，而储能系统的成本较高，在工程应用中经济性不可忽视。因此，综合考虑电力系统运行的可靠性和经济性，制定储能系统的合理配置方案就显得尤为重要［30］。

文献［31］提出一种分布式储能系统的容量配置和有序布点的综合优化算法，考虑长期规划和短期经济运行，建立双层优化框架。文献［32］结合储能运行调度，建立上层储能选址定容、下层储能运行优化的双层模型，提升配电网电压质量。文献［33］基于分布式电源集群规划，建立分布式光伏与储能双层协调选址定容规划模型；文献［34］考虑负荷峰值与分布式电源最大出力的时序不匹配性引起的电压越限问题，以总成本最小为目标确定储能的接入容量、位置和类型。文献［35］针对电力大用户负荷情况，结合峰谷电价及用户电费的计费规则，对用户侧储能的配置与运行进行了优化研究。以IEEE-33 节点配网模型为例，如图3所示，进行储能系统优化配置研究。

图3 IEEE-33节点配网系统图Fig.3 IEEE-33 node distribution network system diagram

场景1：光伏和储能均未配置；场景2：只配置光伏；场景3：光伏和储能均配置。

对比3 种场景下各节点电压幅值和电压偏差率，结果如图4、图5 所示。结合配网系统图可知，在长线路末端远离电源侧，节点电压往往下降较严重以至低于国标限值，而配置光伏和储能系统后改变原有线路功率分布，使得线路损耗减小，节点电压幅值得到很大提升，电压偏差率减小。

图4 节点电压幅值Fig.4 Node voltage amplitude

图5 节点电压偏差率Fig.5 Node voltage deviation rate

如图6 所示，对原始负荷曲线和配置光储后的负荷曲线进行对比，可以看出，在负荷低谷时段，储能系统吸收电能，在负荷高峰时段，储能系统释放电能。配置光储系统后负荷波动明显减小，达到很好的削峰填谷效果。

图6 负荷特性曲线Fig.6 Load characteristic curve

4 储能系统运行模式研究

储能系统的使用寿命极大影响其成本，因此为延长寿命、降低成本，储能系统在工作周期内充放电功率越小越好，即为满足电网运行经济性和可靠性要求，储能系统的补偿功率越小越好。当新能源发电量小于负荷要求时，为提高系统运行灵活性，优先调用柴油发电机来满足，若不满足时，再调用储能系统进行补偿，此时储能处于放电工作状态；当新能源发电量大于负荷要求，即电网无法消纳新能源时，通过储能系统吸收多余电能，此时储能处于充电工作状态，充电功率越小，表明新能源消纳能力越好，当充电功率为零时，说明新能源全部消纳，可有效避免弃风弃光现象。

对补偿功率进行离散傅里叶变换DFT，得到对应的频域序列，发现既有高频分量又有低频分量，高频分量幅值小、波动速度快，低频分量幅值大、波动速度慢。以往很多研究中只采用单一类型储能进行补偿，例如锂电池、蓄电池等能量型储能设备，该类设备能量密度大，但充放电周期长，响应速度慢，无法满足对高频分量快速补偿的要求。而采用超级电容器等功率型储能设备，因此自身能量密度低的特点，同样不适用于低频分量的高幅值补偿要求。为综合两者特点，有效补偿电网功率缺额，工程多采用锂电池-超级电容器混合储能系统。

对于高低频分界点的选择直接影响到锂电池和超级电容器接受的功率指令，从而影响锂电池的使用寿命和混合储能系统容量配置结果。当分界点值过低时，大部分补偿功率由超级电容器承担，超级电容器单价成本较高，配置需求的增加不利于运行经济性；当分界点值过高时，大部分补偿功率由锂电池承担，而锂电池的功率指令中高频分量增多，造成锂电池频繁充放电，使用寿命缩短，增加锂电池的全寿命周期成本。因此，必须合理选择高低频分界点，控制运行寿命成本。通过比较不同分界点下储能成本，确定最小成本下的高低频最优分界点，合理分配储能功率指令。

5 储能系统核心设备制造研究

以飞轮储能为例，飞轮储能作为一种机械能量储存系统，储能容量主要靠提高转子飞轮的速度来实现，因此研究大功率高速飞轮储能电机对其发展至关重要。永磁同步电机具有损耗小、功率密度高、能量转换效率高等优点，多用于飞轮储能系统。目前针对高速永磁电机主要集中在以下几个方面的研究：1）电机本体研究。为减小转子涡流损耗，采用定子斜槽结构，多层永磁体结构和Halbach 结构具有较高的功率密度和效率，采用多层永磁体结构可通过减小d 轴电感Ld来增强弱磁能力，获得宽调速范围，提高电机的最大转速［36］。2）高速电机轴承研究。轴承作为高速电机的核心部件之一，当电机转速过高时，轴承摩擦损耗严重，严重影响使用寿命。磁悬浮轴承技术具有无机械损耗、无需冷却润滑的优点，该技术应用于高速电机上主要有磁力轴承和磁悬浮无轴承两类。3）转子温升散热。受涡流损耗影响，而且转子冷却散热条件差，容易产生较高温升，目前大部分研究主要集中在降低转子涡流损耗，加强散热条件上。通过选择导热性更好的材料，增加散热面积，优化温度场分布，在转子表面涂高发射率材料来增强热辐射能力，提高散热水平。

6 结语

文章介绍了各类储能技术在电网的应用，对比各自的特点及应用场合，并列举了目前我国在运的重点规模化储能应用示范工程，总结其关键储能技术；基于电力系统运行的可靠性和经济性，归纳分析储能系统的优化配置研究，制定合理有效的配置方案可大幅提升电网电压质量，并能达到很好的平抑负荷波动的效果；介绍储能与新能源发电的协调运行模式，针对储能补偿功率，总结混合储能系统的高低频控制方法；对飞轮储能用高速永磁电机的核心制造技术进行分析，指出研究重点。随着新能源在电网的渗透率不断加强，储能技术未来前景广阔。目前主要应用的机械储能、电化学储能、电磁储能等技术均在充放电短周期内使用，若需进行长周期的储能，如跨季节时储能则会受到其容量的限制，而氢储能技术效率高、无污染、更利于储存和运输。目前氢储能技术并未得到广泛应用，作为长周期储能具有很大的开发潜力。