01、研究背景
隨著可再生能源并網(wǎng)比例持續(xù)提高，儲能技術(shù)的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注。當(dāng)前電力系統(tǒng)中應(yīng)用的如電化學(xué)儲能等儲能方式主要提供面向電力系統(tǒng)的日內(nèi)調(diào)峰、調(diào)頻、爬坡等服務(wù)，用于平抑短時(shí)（秒、分鐘、小時(shí)）尺度的電力波動(dòng)，難以應(yīng)對長時(shí)間（周、月、年）尺度下可再生能源出力與負(fù)荷需求的電量不平衡問題。為了實(shí)現(xiàn)長時(shí)間尺度的能量平移，平抑?jǐn)?shù)日、數(shù)周乃至季節(jié)性的電量波動(dòng)，參與月、季、年乃至跨年調(diào)節(jié)過程，需要采用長時(shí)間、大容量的儲能技術(shù)，本文將這類儲能技術(shù)定義為季節(jié)性儲能。隨著可再生能源并網(wǎng)比例逐漸提高，季節(jié)性儲能技術(shù)的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注。季節(jié)性儲能作為大規(guī)模、長時(shí)間儲能的重要方式，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間以及廣域空間范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移，因此研究面向高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能技術(shù)具有重要意義。
本文綜述了季節(jié)性儲能技術(shù)的典型類型與發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了各種季節(jié)性儲能的技術(shù)性能與關(guān)鍵特征，從季節(jié)性儲能的建模、靈活運(yùn)行分析、儲能容量需求分析與效益評估、季節(jié)性儲能優(yōu)化規(guī)劃、長-短期儲能的協(xié)同運(yùn)行與合理配置等方面綜述了電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能研究現(xiàn)狀，從長時(shí)間尺度、多能源形式與跨空間范圍3個(gè)層面分析了面向高比例可再生能源的季節(jié)性儲能研究的關(guān)鍵科學(xué)問題與挑戰(zhàn)，展望了未來在季節(jié)性儲能精細(xì)化建模、協(xié)調(diào)規(guī)劃、運(yùn)行控制、綜合能源市場等方面需要解決的重點(diǎn)問題，以期為未來研究提供參考。
02、季節(jié)性儲能技術(shù)概述
高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)資源稀缺，跨區(qū)域互濟(jì)逐漸難以解決可再生能源出力與負(fù)荷需求的電力電量不平衡問題。圖1所示為電力系統(tǒng)中年持續(xù)凈負(fù)荷特性曲線在可再生能源達(dá)到一定比例時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)電力富余需儲能參與消納的示意圖。季節(jié)性儲能在電力系統(tǒng)電能富余時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為其他可長期存儲的能量形式進(jìn)行儲存，實(shí)現(xiàn)跨能源形式的長期儲能與優(yōu)化利用。
圖1 高比例可再生能源電力系統(tǒng)年持續(xù)凈負(fù)荷曲線
1) 季節(jié)性儲能分類
季節(jié)性儲能根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)可以分為狹義季節(jié)性儲能（簡稱為狹義儲能）與廣義季節(jié)性儲能（簡稱為廣義儲能）。狹義儲能是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量進(jìn)行長期存儲，利用時(shí)存儲能量轉(zhuǎn)變回為電能使用的儲能方式。廣義儲能是僅將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量存儲，在利用環(huán)節(jié)不轉(zhuǎn)換回電能而直接利用所存儲能量形式的儲能方式。狹義儲能完成了電能-其他形式能量-電能的能量轉(zhuǎn)變，具有與電力系統(tǒng)強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，但2次能量轉(zhuǎn)化過程增加了儲能的能量損耗。廣義儲能僅完成電能-其他形式能量的能量轉(zhuǎn)換過程，將終端負(fù)荷需求由電轉(zhuǎn)變?yōu)槔?、熱等多種能量形式，實(shí)現(xiàn)跨能源品種的季節(jié)性儲能與優(yōu)化利用，間接改善了用電負(fù)荷的季節(jié)特性。2種形式季節(jié)性儲能的原理如圖2所示。
圖2 狹義與廣義季節(jié)性儲能原理示意圖
狹義儲能具備長時(shí)間、大容量等特點(diǎn)，其存儲能量品位高，可實(shí)現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)化。按存儲能量形式分類，狹義儲能技術(shù)包括電轉(zhuǎn)氣、抽水蓄能與壓縮空氣儲能等。
廣義儲能利用電力系統(tǒng)中的富余電能，將其轉(zhuǎn)化為其他能源或產(chǎn)品，用于進(jìn)行大規(guī)模存儲、轉(zhuǎn)移并直接利用，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的負(fù)荷電量在季節(jié)尺度的轉(zhuǎn)移。廣義儲能的能量形式不僅需要具備能夠長時(shí)間、大容量、低成本存儲的特點(diǎn)，還需要方便、直接地進(jìn)行終端使用。廣義儲能包括儲熱/冷，基于Power-to-X的電能替代等。
2) 季節(jié)性儲能的關(guān)鍵特征
相比于以電化學(xué)儲能為主的電力系統(tǒng)短期儲能技術(shù)，季節(jié)性儲能技術(shù)的關(guān)鍵特征可以總結(jié)為長時(shí)間尺度儲能、跨能源形式、空間可運(yùn)輸3個(gè)方面。
① 長時(shí)間尺度
季節(jié)性儲能要求儲能裝置具備很低的自損耗，其充放能行為通常以月/年作為時(shí)間單位。季節(jié)性儲能為解決可再生能源出力與負(fù)荷季節(jié)尺度的不平衡提供了應(yīng)對方案，具有可長期儲存的特性，實(shí)現(xiàn)了能量的跨季節(jié)轉(zhuǎn)移。
② 跨能源形式
當(dāng)前技術(shù)下無法實(shí)現(xiàn)以電能為存儲形式的跨季度存儲，通常需要轉(zhuǎn)化為其他可長期存儲的能源形式（天然氣、氫氣、冷熱等）。通過其他形式能源的轉(zhuǎn)化與利用，建立起包含電-氣、電-熱以及電-氫等電力系統(tǒng)與其他形式能源系統(tǒng)的耦合，在更廣泛的綜合能源系統(tǒng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可再生能源的消納與供需波動(dòng)特性的平抑。
③ 空間可運(yùn)輸
季節(jié)性儲能在時(shí)間尺度平抑系統(tǒng)波動(dòng)特性的同時(shí)，在空間尺度可通過交通運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)儲能的空間搬運(yùn)，在空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移與系統(tǒng)供需關(guān)系平衡?？臻g可運(yùn)輸性是季節(jié)性區(qū)別于短期儲能的重要特征。季節(jié)性儲能借助儲存能量的大規(guī)模時(shí)空轉(zhuǎn)移特性，實(shí)現(xiàn)了交通網(wǎng)與能源網(wǎng)的深度耦合。
03、季節(jié)性儲能研究關(guān)鍵科學(xué)問題
季節(jié)性儲能與短期儲能存在較大差異，其具備長時(shí)間尺度、多能源形式與跨空間范圍的3個(gè)關(guān)鍵特征，其研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題可以總結(jié)為以下3個(gè)方面，如圖3所示。
圖3 季節(jié)性儲能研究的關(guān)鍵科學(xué)問題
1) 長時(shí)間尺度建模與優(yōu)化問題
長時(shí)間尺度是季節(jié)性儲能的重要特征，能夠?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)荷與可再生能源發(fā)電的季節(jié)不匹配性提供調(diào)節(jié)能力。就運(yùn)行層面而言，季節(jié)性儲能的運(yùn)行優(yōu)化中的關(guān)鍵問題是電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化問題；就規(guī)劃層面而言，季節(jié)性儲能為電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來長時(shí)段多運(yùn)行場景時(shí)序耦合問題。上述問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)是大規(guī)模動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題，需要引入隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、模型預(yù)測控制、分解協(xié)調(diào)算法進(jìn)行研究。
2) 多能源形式協(xié)調(diào)運(yùn)行問題
季節(jié)性儲能促進(jìn)了各能源系統(tǒng)間的耦合，源網(wǎng)荷側(cè)的運(yùn)行問題都因此發(fā)生了深刻變化。季節(jié)性儲能參與運(yùn)行的關(guān)鍵問題在于如何協(xié)同具有不同時(shí)間常數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)特性的異質(zhì)能源系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)本質(zhì)是包含偏微分方程約束與代數(shù)方程約束的優(yōu)化問題，需要采用離散等值等方法進(jìn)行求解。
3) 跨空間范圍傳輸互濟(jì)問題
借助P2X技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電能的長期存儲，而存儲的能量通過能量網(wǎng)或者交通運(yùn)輸可實(shí)現(xiàn)儲能的跨空間轉(zhuǎn)移。源荷時(shí)空分布特性決定了能量供需同時(shí)存在時(shí)間和空間上的差異，儲能可平抑系統(tǒng)可再生能源出力與負(fù)荷時(shí)間范圍內(nèi)的不平衡波動(dòng)。因此，季節(jié)性儲能不僅使電力系統(tǒng)與其他類型能源系統(tǒng)產(chǎn)生耦合，而且使電力系統(tǒng)與交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生耦合，其本質(zhì)上是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)耦合的多時(shí)空優(yōu)化問題。
04、研究展望
季節(jié)性儲能技術(shù)作為長時(shí)間、大規(guī)模能量存儲的有效途徑，有著良好的發(fā)展前景。目前季節(jié)性儲能的研究方興未艾，尚未形成成熟的研究體系以及具有普遍性的研究結(jié)論。在綜述現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對未來面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能研究展望如下。
1) 考慮物理/化學(xué)過程的季節(jié)性儲能精細(xì)化建模
季節(jié)性儲能面向電、熱、氣、冷等多種能量形式，在優(yōu)化問題中需要針對儲能的特性，建立描述能量轉(zhuǎn)化物理/化學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型。未來研究中需要注重對儲能因物理/化學(xué)過程決定的運(yùn)行性能進(jìn)行精細(xì)化建模，以全面體現(xiàn)其運(yùn)行性能。這是未來分析含季節(jié)性儲能的能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃與運(yùn)行問題的基礎(chǔ)。
2) 基于跨能源系統(tǒng)的季節(jié)性儲能優(yōu)化配置
從大能源系統(tǒng)的視角，各種類型儲能的容量需求以及合理配比有待進(jìn)一步研究。而不同儲能技術(shù)多個(gè)系統(tǒng)內(nèi)綜合價(jià)值的相對大小是決定未來儲能體系中不同季節(jié)性儲能優(yōu)化配比的關(guān)鍵。除了上述因素之外，決定一個(gè)能源系統(tǒng)季節(jié)性儲能的因素還包括：①季節(jié)性儲能成本與棄風(fēng)、棄光經(jīng)濟(jì)損失之間的平衡；②電、熱、天然氣、氫氣系統(tǒng)的負(fù)荷需求及相互間的耦合；③燃?xì)?熱力管網(wǎng)本身具備能量存儲功能能力等。
3) 考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的季節(jié)性儲能與短期儲能協(xié)調(diào)規(guī)劃
季節(jié)性儲能的部分應(yīng)用場景（如日內(nèi)調(diào)峰）與短期儲能具有重疊，因此與短期儲能的協(xié)調(diào)規(guī)劃就成為儲能規(guī)劃中的重要問題。隨著相變、熱化學(xué)等儲熱技術(shù)，MOFs和LOHC等儲氫技術(shù)乃至MGES等新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性和高能量密度的突破，未來季節(jié)性儲能在電力系統(tǒng)中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性將不斷顯現(xiàn)。
4) 應(yīng)對高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能靈活運(yùn)行控制
未來根據(jù)凈負(fù)荷的波動(dòng)特性合理安排不同時(shí)長、不同類型的儲能并進(jìn)行靈活的運(yùn)行控制與空間調(diào)度，可有效提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。需要建立考慮系統(tǒng)時(shí)空耦合特性的電力系統(tǒng)調(diào)度模型及其分解方法，為季節(jié)性儲能參與的系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
5) 考慮季節(jié)性儲能參與的綜合能源市場
季節(jié)性儲能作為大容量、跨能源系統(tǒng)的儲能形式，其參與市場后會為綜合能源市場帶來許多新問題。季節(jié)性儲能參與市場具有多重效益，包括能量效益、輔助服務(wù)效益、容量效益等，需要考慮儲能參與多個(gè)市場的協(xié)調(diào)與銜接問題。此外，季節(jié)性儲能具有初始投資大、年循環(huán)次數(shù)少等特點(diǎn)，如何建立合理的市場規(guī)則或補(bǔ)貼機(jī)制，充分反映季節(jié)性儲能的市場價(jià)值，對引導(dǎo)季節(jié)性儲能的發(fā)展具有重要意義。
05、結(jié)語
在中國高比例可再生能源電力系統(tǒng)的大背景下，儲能技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用有利于提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，實(shí)現(xiàn)更加高效的可再生能源消納。季節(jié)性儲能技術(shù)為電力系統(tǒng)大規(guī)?？稍偕茉聪{提供了解決思路，從時(shí)間、空間以及能源角度給予了高比例可再生能源電力系統(tǒng)更大的優(yōu)化空間，對未來電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究意義重大。本文介紹了當(dāng)前季節(jié)性儲能技術(shù)的典型類型與發(fā)展現(xiàn)狀，對研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，針對季節(jié)性儲能的關(guān)鍵特性，提煉了季節(jié)性儲能3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：長時(shí)間尺度建模與優(yōu)化、多能源形式協(xié)調(diào)運(yùn)行、跨空間范圍傳輸互濟(jì)，并展望了面向高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能將來可能的研究方向，以期為學(xué)者未來的研究提供參考。
原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》2020年第44卷第19期，歡迎品讀！
引文信息
姜海洋, 杜爾順, 朱桂萍, 等. 面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能綜述與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(19): 194-207. DOI: 10.7500 / AEPS20200204003.
JIANG Haiyang, DU Ershun, ZHU Guiping, et al. Review and Prospect of Seasonal Energy Storage for Power System with High Proportion of Renewable Energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(19): 194-207. DOI: 10.7500 / AEPS20200204003.
姜海洋：清華大學(xué)電機(jī)系博士研究生，主要研究方向：季節(jié)性儲能、P2X技術(shù)、綜合能源系統(tǒng)等。
張 寧：清華大學(xué)電機(jī)系副教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，主要的研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、多能源系統(tǒng)、風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、電力系統(tǒng)運(yùn)行等。入選2016年中國科協(xié)青年人才托舉工程。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，其中SCI收錄60余篇。論文在Google Scholar上被引用3200余篇次；作為負(fù)責(zé)人主持項(xiàng)目十余項(xiàng)。作為主要研發(fā)人員開發(fā)了電力系統(tǒng)規(guī)劃決策軟件GOPT，已用于十余個(gè)省電網(wǎng)公司及區(qū)域電網(wǎng)公司的電力規(guī)劃中。獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2012年中國百篇最具影響的國內(nèi)學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)、第47屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎(jiǎng)。
杜爾順：清華大學(xué)電機(jī)系助理研究員，IEEE會員，CIGREC1.44工作組專家會員，主要研究方向包括新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃、光熱發(fā)電、電力規(guī)劃大數(shù)據(jù)分析等。入選2018年全國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，獲批2018年全國博士后科學(xué)一等基金、2019年國家自然科學(xué)基金青年基金，作為骨干參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目多項(xiàng)。目前已在國內(nèi)外電力與能源行業(yè)重要期刊和國際會議發(fā)表論文25篇，其中SCI收錄15篇，合著英文專著1本（第3作者）、授權(quán)國家發(fā)明專利5項(xiàng)、美國專利1項(xiàng)。作為主要研發(fā)人員開發(fā)了電力規(guī)劃決策支持軟件GOPT，已應(yīng)用于10余個(gè)省電網(wǎng)公司及區(qū)域電網(wǎng)公司規(guī)劃中。獲第47屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會金獎(jiǎng)、江蘇省電力科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（第3完成人）。擔(dān)任IEEE Transactions on Power Systems 等多家SCI雜志審稿專家。
