中國儲能網(wǎng)訊：新能源的迅猛發(fā)展促使中國在配網(wǎng)及用電側(cè)大量發(fā)展微電網(wǎng)，預(yù)計(jì)在城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中，微電網(wǎng)將會有井噴式發(fā)展。而每個微電網(wǎng)中必須備有一套容量足夠的、無二次污染、具有長壽命周期的儲能單元。這對提高國家新能源的利用率，大幅降低CO2及所有可吸入懸浮顆粒物的排放具有重大意義。這種與中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程配套的創(chuàng)新型儲能技術(shù)的推廣應(yīng)是對建設(shè)宜居城鎮(zhèn)和藍(lán)天國家所不可缺失的。
1 智能微電網(wǎng)及微能源網(wǎng)群
1.1 微電網(wǎng)
在一個區(qū)域以內(nèi)，由至少一種清潔能源發(fā)電單元（如小水電、風(fēng)電、光電、生物質(zhì)能等）和一種儲能單元所組成的，其所發(fā)的電能以該區(qū)域自用為主的發(fā)供電系統(tǒng)，則可稱之為微電網(wǎng)（以MG表示）（圖 1）。
圖 1 MG示意
微電網(wǎng)具有以下特征：1）有一定容量的儲能單元；2）嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)CO2及其他污染物的零排放；3）所發(fā)出的電能以區(qū)內(nèi)自用為主，不足或多余之電量與外部配電網(wǎng)的互調(diào)節(jié)；4）總裝機(jī)容量一般不大于雙位數(shù)兆瓦級，就是說它是類屬于分步式的發(fā)用電網(wǎng)。
1.2 智能微電網(wǎng)
一個可無人掌控的具有自趨優(yōu)運(yùn)行能力的微電網(wǎng)，稱為智能微電網(wǎng)（以SMG表示）（圖 2）。
圖 2 SMG示意
智能微電網(wǎng)中必有一個狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時收集和優(yōu)化控制系統(tǒng)，使之能自動趨近于安全運(yùn)行和效益極大化的目標(biāo)。即智能微網(wǎng)一定配備有一個狀態(tài)自感知單元和自調(diào)控單元。故從本質(zhì)上說，一個智能微網(wǎng)就是一種地面無人駕駛的機(jī)器人系統(tǒng)。
智能微電網(wǎng)具有以下特征：1）具有微網(wǎng)的所有特征，特別是零排放的特征。2）自動實(shí)現(xiàn)發(fā)電、儲電、自用電以及與外部配電網(wǎng)交互電量的自趨優(yōu)化的能力。3）微電網(wǎng)內(nèi)部的保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，其優(yōu)化指標(biāo)為設(shè)備故障時間和全微網(wǎng)年平均停電時間極小化。4）控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與外部配電網(wǎng)“并網(wǎng)”與“離網(wǎng)”的擾動極小化。
中國城鎮(zhèn)化過程會產(chǎn)生數(shù)以10萬計(jì)的新興小城鎮(zhèn)，每個城鎮(zhèn)宜興建若干個這樣的微電網(wǎng)，因此將來要建立的不是簡單的智能微電網(wǎng)，而是智能微電網(wǎng)群。
1.3 智能微電網(wǎng)群
n個（n>1）智能微電網(wǎng)由不高于110 kV電壓等級線路聯(lián)接成的統(tǒng)一智能電網(wǎng)稱為智能微電網(wǎng)群；若該微電網(wǎng)有m個端點(diǎn)與外部配電網(wǎng)聯(lián)接，應(yīng)遵循條件m＜n（圖 3）。
圖 3智能微電網(wǎng)群（SGMG）示意
一個微電網(wǎng)群若在運(yùn)營中能自實(shí)現(xiàn)以效益和安全極大化為指標(biāo)的優(yōu)化潮流（OPF），則稱該微電網(wǎng)群為智能微電網(wǎng)群（thesmart group of microgrids，SGMG）。
試想若每建一個微電網(wǎng)就單獨(dú)增加一臺變壓器和斷路器與外配網(wǎng)相聯(lián)接，就一定會有大量變壓器整年幾乎處于空載運(yùn)行狀態(tài)，白白增加低壓側(cè)網(wǎng)損。故m < n的條件十分重要。
1.4 智能微能源網(wǎng)群
一個宜居城市或城鎮(zhèn)，居民需要的不僅是電，而且夏需冷，冬需暖。以電制冷（常規(guī)空調(diào)）不經(jīng)濟(jì)，燃煤以取暖，更應(yīng)嚴(yán)令禁止。中國應(yīng)該發(fā)明一種既可蓄能發(fā)電，又能供熱供冷的電熱冷三聯(lián)供的新型儲能系統(tǒng)。在蕪湖市高新開發(fā)區(qū)已建成一套500kW容量的集供應(yīng)電、熱水和冷風(fēng)為一體的“三聯(lián)供”系統(tǒng)，可發(fā)電450 kW·h，可覆蓋3850 m2的供暖面積（約為50余戶家庭）。夏季每天可供300 m2的商場、寫字樓或蔬菜保鮮庫3℃的冷風(fēng)。如果智能微網(wǎng)中的儲能單元采用上述的壓縮空氣儲能技術(shù)以替代常規(guī)的電池儲能單元，則這種智能微電網(wǎng)群就成為“智能微能源網(wǎng)群”了。
2 中國創(chuàng)造的壓縮空氣儲能系統(tǒng)
無論是微電網(wǎng)或者智能微電網(wǎng)，亦或是智能微電網(wǎng)群，都離不開一種單元，即儲能單元。“十二五”以來，中國大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等可再生能源，然而由于其輸出功率具有隨機(jī)波動性甚至間歇性的特征，目前又缺乏高響應(yīng)速度和大容量儲能裝備與之自律控制，故使大量可再生能源難以得到有效利用?，F(xiàn)在全國約有1億kW風(fēng)電裝機(jī)容量，穩(wěn)居世界第一，然而年均風(fēng)機(jī)利用小時數(shù)尚不足2000 h，中國第一類光照地區(qū)棄光率達(dá)25%~30%。
棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。新能源革命，需革能源浪費(fèi)的命，當(dāng)下最重要的是發(fā)展與風(fēng)電和光電裝機(jī)容量相匹配的儲能系統(tǒng)。儲能有多種類技術(shù)，如電化學(xué)儲能和機(jī)電儲能等。根據(jù)國際能源署2014年統(tǒng)計(jì)，目前抽水蓄能容量占絕大多數(shù)，帶補(bǔ)燃的壓縮空氣儲能緊隨其后，此二者皆屬機(jī)電儲能類型。
壓縮空氣儲能技術(shù)是將棄光、棄風(fēng)、棄水（小水電站）或低谷電能通過多級壓縮把電能轉(zhuǎn)換為分子的內(nèi)勢能存入壓力儲氣空間，待發(fā)電時通過釋放高壓氣流，射入氣輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電。大規(guī)模的壓縮空氣儲能對于聚納廢棄的新能源、撫平風(fēng)光電站功率的波動、削峰填谷以及增加電力系統(tǒng)有功與無功旋轉(zhuǎn)備用等方面皆具有重大意義。且其使用壽命周期達(dá)40年以上，無后處理二次污染問題。其單位千瓦的投資額與抽水蓄能電站相當(dāng)。
目前世界壓縮空氣儲能技術(shù)主要分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩大類別。國際上已用的是補(bǔ)燃式，如德國與美國。所謂補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能仍以燃燒天然氣以求提高其效率，故本質(zhì)上是提高效率的燃?xì)廨啓C(jī)，其主要消耗的能源仍是化石能源，即天然氣，故這種儲能方式不符合中國致力于降低碳排放的國情。
國家電網(wǎng)公司于2012年10月結(jié)合清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、上海電氣集團(tuán)公司和中國電科院啟動了一項(xiàng)無燃燒壓縮空氣儲能示范研究項(xiàng)目（圖 4）。該項(xiàng)目已于2015年4月以500 kW無燃燒壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)的建成，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)合同要求通過了驗(yàn)收，并獲5項(xiàng)中國發(fā)明專利受理和1項(xiàng)美國發(fā)明專利受理而告成功。
圖 4無燃燒壓縮空氣儲能原理
如圖 4所示，壓縮空氣儲能包括以下系統(tǒng)：1）空氣壓縮機(jī)；2）壓縮空氣儲氣罐；3）壓縮空氣輸出流量控制系統(tǒng)，簡稱調(diào)速系統(tǒng)；4）透平發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。除此之外還有輔助系統(tǒng)，如預(yù)熱回收系統(tǒng)等，利用集蓄壓縮熱以提高效率并可供暖；還可利用乏氣以供冷。這是美國學(xué)者于1984年出版的《Co-generation》（電熱聯(lián)產(chǎn)）一書中提出的“目標(biāo)”?，F(xiàn)在中國提出并實(shí)現(xiàn)的是電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)。
如果將進(jìn)氣溫度提高至400℃（用陽光加熱），大氣壓力12 MPa，則儲能密度可達(dá)60 kW·h/m3。對于一座20 MW的壓氣蓄能電站，每天發(fā)電4 h，只需17根直徑為1.02 m、長100 m的標(biāo)準(zhǔn)管線鋼儲存。儲氣容量可以根據(jù)用戶需求確定。目前正在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的儲氣空間是在金壇縣利用采完食鹽的10萬m3鹽腔，既節(jié)約投資又可安全地提高氣壓，可儲存超過600萬kW·h的電。
對于其他儲能系統(tǒng)，目前看來，磷酸鐵鋰電池比較安全，儲能密度也較高，特別宜于在綠色交通系統(tǒng)中應(yīng)用。建議有關(guān)部門當(dāng)下就著手考慮其無公害后處理問題。對鋰電池進(jìn)一步研究的重點(diǎn)建議放在以下幾個方面：1）降低其對所處環(huán)境溫度的敏感性；2）提高其充放電次數(shù)，特別是在深放深充和快充條件下的充放次數(shù)；3）加強(qiáng)研究低成本無公害的后處理的工程化技術(shù)。近年來，液流電池也在研究中，其顯著特點(diǎn)是污染少，充放電次數(shù)可大幅提高，望中國早日在技術(shù)上和工程實(shí)現(xiàn)上取得突破。
3 結(jié)論
1）智能微能源網(wǎng)群的發(fā)展與中國城鎮(zhèn)化的進(jìn)程相適應(yīng)。它不可取代的優(yōu)點(diǎn)是滿足新城鎮(zhèn)的能源需求而不帶來污染，故是一個新的發(fā)展方向。
2）智能微網(wǎng)群的發(fā)展離不開儲能技術(shù)和儲能工程的發(fā)展。
3）壓縮空氣儲能作為中國自主創(chuàng)新的新型儲能技術(shù)，對降低棄風(fēng)、棄光和棄小水電能量有重大意義。試想只要推廣利用這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，將目前風(fēng)電利用率提高10%，即相當(dāng)?shù)玫揭蛔f千瓦級的零排放大電廠。且該電廠可實(shí)現(xiàn)電熱冷三聯(lián)供，是目前儲能系統(tǒng)中技術(shù)成熟度和綜合效率最高的儲能系統(tǒng)。設(shè)備國產(chǎn)化率為100%。
4）當(dāng)前，壓縮空氣儲能技術(shù)已具備市場化條件，迫切需要政府相關(guān)部門在運(yùn)營模式和電價政策等方面給予扶持。望政府有關(guān)部門制定由于該新技術(shù)轉(zhuǎn)化為大生產(chǎn)力的電價政策，使得廢棄電、低品位電（廢棄電和低谷電）和高品位電的價格得到合理區(qū)分。除了第一座50 MW試驗(yàn)示范工程需有適當(dāng)額度資金支持外，這一技術(shù)的推廣并無需政府大量出資，只要制定一套合理政策，就會有充裕資金進(jìn)入，最終形成大生產(chǎn)力。
5）建議將這種既能大幅提高新能源利用率和降低碳排的自主創(chuàng)新技術(shù)推廣應(yīng)用，經(jīng)試點(diǎn)（以金壇50 MW壓氣蓄能發(fā)電站為試點(diǎn)）成功后再大力推進(jìn)，并列入“十三五”規(guī)劃。
（作者單位：清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士。）
