中國儲能網訊：隨著經濟社會和電力技術的持續(xù)發(fā)展，智能電網概念被提出并成為當下電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，但也面臨可再生能源消納和系統(tǒng)靈活性資源不足的挑戰(zhàn)。儲能是一種將電能靈活轉換為其它能源并進行合理利用的重要技術，是保證智能電網實現的必備條件，解決了能源生產和使用的空間不匹配、時間不同步問題，使電能在時間和空間上的運用更具靈活性，創(chuàng)造了能源共享的基礎條件。
根據電壓/功率等級和運行場景的不同，儲能系統(tǒng)可分為集中式和分布式。集中式儲能功率等級高，一般為數兆瓦到數百兆瓦不等，接入35kV或110kV母線及以上系統(tǒng)，應用于充放電時間長、功率能量需求大的場景，主要采用能量型儲能，常見類型為壓縮空氣儲能、抽水蓄能兩種。分布式儲能功率等級相對較小，一般接入中低壓配電網，功率范圍從數千瓦到數兆瓦?；谀芰看娣磐獠刻卣鞯牟煌?，可將分布式儲能劃分為能量型、功率型兩種。功率密度高是功率型儲能的主要優(yōu)勢，適用于改善電能質量、平抑可再生能源及負荷波動等短時間內高功率需求的場景，主要包括超級電容、鈦酸鋰電池、超導磁儲能、飛輪等；能量型儲能系統(tǒng)能量存儲密度大，適用于峰荷管理等對功率要求不高但要求能量較大、放電持續(xù)時間長的場景，主要包括壓縮空氣儲能、化學電池等。在實際應用中，儲能往往面對多種服務需求，單一儲能技術無法滿足，可同時配置功率型和能量型儲能，實現源網荷多端接入，充分發(fā)揮不同儲能的優(yōu)勢與潛力。
一、 儲能技術
從能量儲存形式角度，儲能技術可分為電磁儲能、機械儲能和化學儲能等。
1.1 電磁儲能
電容儲能
電容是最直接的一種儲能方式，由通過電介質絕緣層隔開的兩塊金屬板組成。電容充電速度遠快于傳統(tǒng)電池，但其能量密度太低，大容量儲能需要面積過大的電介質，經濟成本高且應用不便。
超級電容器儲能
超級電容器通過兩個固體導體之間的電解質溶液來儲存能量，因此具有更高的介電常數，擁有大電容。其主要問題是自放電率高，放電持續(xù)時間短，但在電壓跌落或瞬時干擾時可以提供支撐，改善供電質量，適合高功率、低能量應用場景。
超導磁儲能
超導磁儲能以電磁能形式儲能，通過超導材料線圈轉換?；诔瑢w幾乎無電阻的特性，其損耗極低，效率超過95%。同時具有響應快、壽命長等特點。可用于提高輸電能力、改善供電質量、維持運行穩(wěn)定性、提高系統(tǒng)容量等，但推廣應用還受高成本、超導臨界溫度及對環(huán)境的影響等因素制約。
1.2 機械儲能
飛輪儲能
飛輪儲能利用飛輪角動量存儲能量，充電時電機驅動飛輪，放電時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，儲存能量取決于飛輪尺寸、質量和速度，而額定功率則取決于電機和發(fā)電機。飛輪儲能少維護且長壽命，高達數百萬次循環(huán)充放電，適于改善電能質量、提供無功支持和旋轉備用等的大功率、短時間場景。
抽水儲能
抽水儲能是目前應用最廣泛、最大規(guī)模的儲能形式，儲能時將電能轉換為水的勢能進行儲存，釋能時將勢能通過水輪機再轉換為電能，其容量大、周期長、效率高、性價比優(yōu)，適合調頻調峰、緊急事故備用等場景，但對場地環(huán)境要求過高。
壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能利用電能將空氣壓縮至密閉空間，再利用被壓縮空氣推動汽輪機轉換成電能，分為傳統(tǒng)型、帶儲熱裝置型和液氣型等形式。具有儲存期較長、容量大、成本低、效率高等特點，效率70%~89%，額定功率50~300兆瓦，但同樣對場地環(huán)境要求較高。
1.3 化學儲能
化學儲能利用電能與化學能之間的轉換進行電能存儲和釋放。具有良好的環(huán)境適應能力和快速響應能力，自身待機損耗低，具有較高的能效（60%—95%）。但由于功率容量小、維護成本高、循環(huán)壽命短、放電能力有限等特點應用規(guī)模較小。目前已商用或示范的電池儲能技術主要包括鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉基電池和液流電池等。
鉛蓄電池
鉛蓄電池目前應用于儲能工程主要包括鉛酸電池和鉛炭電池兩種。鉛酸電池是最古老、應用最廣泛的可充電電化學裝置，技術相對較成熟，但受限于循環(huán)壽命短、功率/能量密度低等缺點，應用十分有限。鉛炭電池是在傳統(tǒng)鉛酸電池基礎上對負極材料進行了電容式改進，結合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優(yōu)勢，使鉛碳電池充放電速度更快，比容量也有一定增長。
鋰離子電池
鋰離子電池利用鋰離子在正負極之間移動進行充放電，擁有相較于其它電池更高的工作電壓和能量密度，是當前主流發(fā)展方向，但其成本較高限制了大規(guī)模的應用，目前電力應用能量型主要為磷酸鐵鋰、功率型主要為鈦酸鋰。
鎳鉻電池
鎳鎘電池內阻小，放電時電壓水平變化小，維護要求低，耐過充放能力強，具有較高的經濟性。常用于電動工具、便攜式設備、應急照明等，但其存在嚴重的“記憶效應”，造成服役壽命縮短。
鈉硫電池
鈉硫電池是以硫和金屬鈉為正負極、陶瓷管為電解質的二次電池，通過鈉與硫的化學反應進行電能儲存，具有容量大、體積小、效率高等特性，在電力儲能中可應用于可再生能源發(fā)電、峰荷管理、應急電源等場景。但鈉硫電池對工作溫度要求較高（高溫350℃），不僅需要通過附加設備進行供熱，還會對電池的性能造成一定的影響。
全釩液流電池
全釩液流電池通過正負極不同價態(tài)釩離子的氧化還原反應將電能儲存在電解液中，輸出功率由電池堆大小決定，設計選址靈活，可應用于提高電能質量、不間斷電源、調峰、提高供電安全性以及與可再生能源系統(tǒng)的整合等方面。
在電池儲能技術特性方面，受產業(yè)規(guī)模、系統(tǒng)成本、能量及功率特性、服役特性、可回收性等綜合影響，目前鋰離子電池優(yōu)勢突出，鉛炭電池、全釩液流電池及梯次利用鋰電池特定場景下具備競爭力。
衡量一種儲能技術最基本的指標主要包含以下幾個部分：A.能量存儲容量；B.能量轉換效率；C.自放電率；D.持續(xù)放電時間；E.服役年限；F.響應速度；G.功率密度；H.能量密度。表1列舉了不同儲能技術的相關指標。
由表1可知，儲能技術各具特色，參數指標值的不同決定了儲能技術的適用范圍。抽水儲能、壓縮空氣儲能容量和功率大，自放電率小，適用于規(guī)模在100兆瓦以上且需要長時間輸出供電的情景，可用于長時間的能量存儲和大規(guī)模的能量管理；超級電容器、超導磁儲能、飛輪的響應時間為毫秒級，具有響應速度快、功率密度高的特點，但存在自放電率偏高、能量存儲時間短的特點，適用于要求反應迅速且對供電時間要求小的供電需求，可用于改善系統(tǒng)電能質量，應對瞬時電壓降、閃變抑制等情景；電池類儲能技術具有相對快速的響應速度且放電時間較長，更適合于負荷調節(jié)、橋接電源等。不同技術的轉換效率、功率密度、能量密度等也各不相同，針對不同的應用場景和需求應選擇不同的儲能技術，在必要時還可以同時采用多種儲能技術，以滿足復雜多方面的儲能需求，也可有效解決可再生能源大規(guī)模并網所帶來的問題。
二、儲能典型應用場景
儲能技術已逐漸應用于可再生能源平滑并網、峰荷管理、調頻及電能質量改善等場景。按照接入方式歸屬方不同，可分為電源側儲能、電網側儲能、用戶側儲能。
2.1 電源側儲能
可再生能源平滑出力與自我消納
光電、風電等可再生能源發(fā)電受外部因素影響大，出力具有隨機性、間歇性和波動性等特點，并網規(guī)模過大時不利于電網的穩(wěn)定運行，對電網調度運行與控制造成一定的影響。目前主要采用棄光（棄風）的方式以達到維持電網穩(wěn)定運行的目的，但高比例的棄光（棄風）將會造成能源的浪費，還會對可再生能源滲透率的提升造成限制。利用儲能與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)聯合運行，可有效平滑發(fā)電出力曲線，使隨機變化的輸出轉變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定的功率輸出。儲能技術使可再生能源變得可控可調，有利于滿足并網的各項技術要求，促進光伏發(fā)電及風電可靠安全并網，從而達到可再生能源自我消納的目的，也可進一步促進可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用。
現有研究成果表明儲能應用于平抑波動場景時其配置容量無需太大，可將研究重點集中于儲能的配置方法，例如文獻[1-4]分別研究了超導儲能、飛輪儲能、電池儲能、混合儲能的配置方法。文獻[5]中提出一種平抑輸出功率波動的風光并網聯合控制策略，但未考慮儲能全壽命周期的經濟性，未來也可以將其作為重點研究方向。
調頻調峰
火電機組作為傳統(tǒng)電網調頻的主要方式，調頻性能及質量無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，不利于電能質量的提高。針對火電機組響應時滯長的問題，在電源側應用儲能進行輔助調頻，通過改善儲能充放電策略，達到調頻效果，改善電網穩(wěn)定性，適用于火電裝機容量較大的省份。
目前調頻研究多集中于電池儲能參與調頻運行優(yōu)化策略的研究，通過發(fā)揮儲能在調節(jié)精度、響應時間、調節(jié)速率方面的優(yōu)勢，與火電機組聯合運行優(yōu)化機組AGC（automatic generation control）綜合調頻性能指標，優(yōu)化電池儲能控制器參數也是參與調頻的一種途徑。安裝在電源側的電池儲能系統(tǒng)還具有四象限調節(jié)能力，可靈活調整有功功率和無功功率的輸入輸出，以增強發(fā)電側頻率和電壓調節(jié)能力。儲能在傳統(tǒng)電源和可再生能源中均有調頻應用，文獻[6]針對傳統(tǒng)電源發(fā)電側提出一種利用電池儲能系統(tǒng)進行輔助調頻的方法，并通過現場測試驗證了此方法對提升傳統(tǒng)火力發(fā)電機組的AGC性能的有效性；在可再生能源發(fā)電側；文獻[7]以提升在不同風速下風力發(fā)電機組并網過程的整體頻率調制性能為目的，提出基于限轉矩控制的新型慣量控制方法。
儲能裝置不同工況下可扮演不同的角色參與系統(tǒng)調峰，在負荷低谷時吸收電能充電，在高峰時輸出電能放電。為充分發(fā)揮有限儲能的調峰作用，還可與常規(guī)手段協同調峰，從而減小儲能調峰的需求容量，提高電網運行的安全裕度和經濟效益。
2.2 電網側儲能
儲能裝置在電網側的應用主要安裝在輸配電側，在調頻調峰、備用容量、緩解線路阻塞和維持電網穩(wěn)定運行等領域中發(fā)揮重要價值。
調頻調峰
電網靈活性的提升需同時提高電網的調頻和調峰能力，儲能以其反應靈敏的特性在調頻領域的應用逐步規(guī)?；?，可有效改善電網抗干擾能力。通過電網側接入的電池儲能系統(tǒng)，參與頻率異常主網的控制，實現電網頻率穩(wěn)定的目的。儲能技術不同，一次調頻效果也有所差別，超級電容器是具有較好調頻效果的常用一次調頻儲能設備；而鋰離子電池一般為傳統(tǒng)發(fā)電機組提供一次調頻服務，文獻[8-9]基于電池儲能一次調頻特性的關鍵影響因素分析，研究了配電側儲能的調頻特性。
可再生能源發(fā)電的電源一般主要分布在重負荷區(qū)，對本就缺少足夠調峰電源的電網提出了更大挑戰(zhàn)，迫切需求更強的調峰能力；而可再生能源接入所導致的滲透率提高，也對電網的調峰帶來了更大的壓力，大大增加了電網調峰的難度。利用儲能進行調峰，可大幅減小配電容量，節(jié)省電力裝備的建設投資，并減少增容費用。
為滿足調峰需求，文獻[10]提出了一種基于邊際負荷值的儲能電站充放電運行狀態(tài)控制方案。針對兩級式并網儲能系統(tǒng)，文獻[11]提出了基于并網點電壓補償的調峰控制策略。在調峰儲能選型方面，微中型超導磁儲能系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)在電網輔助調峰上均具有較好的應用效果。
備用容量、提高傳輸能力
國內外學者研究儲能應用于備用容量場景的文獻較少。文獻[12]提出在微電網孤島運行時儲能可協同柴油機、風電機組作為備用容量參與一次調頻。文獻[13]將儲能作為消納風電的重要手段建立了含壓縮空氣儲能電力系統(tǒng)日前-日內協調調度模型，在制定壓縮空氣儲能系統(tǒng)最優(yōu)運行計劃的同時也制定了最優(yōu)旋轉備用容量承擔方案。
可再生能源的大規(guī)模并網可能引起傳輸線過載，可將阻塞的電能儲存到儲能設備，在線路負荷小于容量時再釋放電能。儲能技術可以替代傳統(tǒng)的電網升級增建措施，以較小的儲能裝機容量達到提高電網的輸配電能力的目的，從而延長原有設備的使用壽命，降低電網改造投資成本。
對于給定系統(tǒng)，可綜合考慮發(fā)電、輸電和儲能的耦合作用機制，開展發(fā)輸儲協同擴容規(guī)劃或變電站擴容和儲能容量配置的協調規(guī)劃，從而優(yōu)化系統(tǒng)實時調控能力與傳輸能力。
電網穩(wěn)定運行
電網正常運行時，儲能裝置可通過支撐母線電壓改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，還可提供無功功率支持，參與輸配電線路的電壓調節(jié)，增強光電、風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。
電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障、沖擊性負荷波動、可再生能源并網等情況時會出現電壓波動、閃變的電能質量問題，通過協調控制可再生電源與儲能裝置，快速排除故障，恢復供電。儲能對電網的補償效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的靜止無功補償器和靜止同步補償裝置等補償設備，還可充當備用電源及黑啟動電源，為電力系統(tǒng)提供緊急的有功、無功支撐，維持電網的穩(wěn)定、安全運行?？稍偕茉床⒕W可能會引起電網潮流大小、方向的不確定，電壓暫降將導致電壓在短時間內突然下降，導致電能質量問題，嚴重時將造成用電設備停止工作，可通過風-儲聯合系統(tǒng)等來抑制電壓波動。
為提高系統(tǒng)運行可靠性，維持電網穩(wěn)定運行，文獻[14]對含儲能的配電網進行了故障恢復策略優(yōu)化以提升電網抵抗自然災害的能力，含有儲能的黑啟動優(yōu)化方案及最佳控制策略、充當微網應急電源、優(yōu)化恢復路徑，以及實現微電網互聯等也是重要的研究方向。
2.3用戶側儲能
用戶側儲能應用主要為需求側響應和峰谷價差套利。需求響應是指利用價格或其它激勵機制使電力用戶做出響應，改變負荷特性以滿足電力系統(tǒng)運行要求。用戶在電網負荷較小時利用儲能充電，在負荷較大時利用儲能進行供電，達到降低電網負荷的目的，有助于提高用戶負荷調控能力和供電可靠性，具有削峰填谷、需求響應和應急供電等功能。電網負荷峰谷電價相異，在滿足需求側響應的同時還可達到價差套利的目的。
文獻[14]針對鈉硫電池和飛輪儲能系統(tǒng)在紐約市場上的應用，指出儲能裝置在能源套利應用方面具有很強的經濟前景，并提出可行的套利方案。文獻[15]中建立計算儲能系統(tǒng)經濟收益的數學模型，以實例分析儲能系統(tǒng)的經濟效益。
針對前述所提到的應用場景，可根據其應用功能將其歸納為以下七種典型應用場景，不同典型應用場景的儲能選型及性能要求見表2。
三、結論
隨著可再生能源的大規(guī)模并網，發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)時空匹配難度日漸加劇，儲能技術成為當前電網發(fā)展的焦點之一。本文在綜述了現有儲能技術的同時，分析了儲能技術的典型應用場景。在儲能技術多樣化和應用場景多元化的今天，有以下幾個方面需要加以考慮：
（1）亟需構建功率型和能量型儲能技術體系，梳理儲能技術的功率、能量、壽命、成本等指標特性，分析各儲能技術間、儲能與可再生能源間及其與各典型場景間的互補性和適應性，形成完善相關技術標準。
（2）在兼顧投資成本約束、場景空間約束和電網運行約束的前提下，研究儲能的匹配和協調方法，從準入容量、接入位置、接入電壓等級等多方面考慮接入原則，同時兼顧分散/集群接入方式、分布式/集中控制策略及功率/信號的雙向傳輸。
（3）基于經濟性分析，研究包括功率容量成本、運行維護費用、節(jié)能環(huán)保效益等在內的多種性能指標，進一步分析儲能接入帶來的建設-使用-回收全壽命周期成本，結合儲能的利用價值從經濟、社會、環(huán)保方面計算儲能的收益，確定儲能全壽命周期評估的效益指標及評估方法。
