隨著國家環(huán)境保護力度的不斷加強，新能源發(fā)電裝機占比逐漸攀升，我國能源結構正在逐步轉型。儲能系統(tǒng)因其響應速率快、調節(jié)精度高等特點，成為能源行業(yè)中提升電能品質和促進新能源消納的重要支撐手段，受到越來越多的重視。并且由于儲能技術的進步、產品質量的提高及成本的不斷降低，儲能技術已具備商業(yè)化運營的條件，尤其是多種電化學儲能技術的發(fā)展逐步擴展了儲能的應用領域。
除了技術的進步，國家政策法規(guī)的頒布、電力市場改革的不斷深化，也促進了電化學儲能技術的應用推廣。本文從數據的角度概要分析了儲能在全球電力行業(yè)中的應用現狀，對國內電化學儲能產業(yè)政策和標準的發(fā)展進行了總結，并介紹了電化學儲能的種類、技術路線以及系統(tǒng)集成關鍵技術。除此之外，針對發(fā)電側，重點從功能、政策和應用項目等方面論述了電化學儲能技術在大規(guī)模新能源并網、輔助服務及微電網等有商業(yè)價值的應用場景。最后對電化學儲能技術在未來能源系統(tǒng)中的前景和發(fā)展趨勢做了展望，并在促進儲能商業(yè)化運營及推廣方面對儲能企業(yè)提出了發(fā)展建議。
目前，我國電力生產和消費總量均已居世界前列，且保持高速增長的趨勢。國家統(tǒng)計局發(fā)布的數據顯示，2018年1～12月份，全國規(guī)模以上發(fā)電企業(yè)累計完成發(fā)電量67914 kW·h，同比增長6.8%，全國全社會用電量68449 kW·h，同比增長8.5%。而在電能供給和利用方面我國卻還存在結構不合理、綜合利用效率較低、新能源滲透率較低、電力安全水平亟待提升等問題[1]，因此如何保障經濟發(fā)展中電力生產與供應的安全，同時又實現節(jié)能減排與環(huán)境保護，是我國電力行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務。近年來飛速發(fā)展的儲能技術為解決以上問題提供了可行性。儲能成本和性能的改進、全球可再生能源運動帶來的電網現代化與智能化，以及電力市場改革帶來的凈電量結算政策的淘汰、參與電力批發(fā)市場、財政激勵、FIT（太陽能發(fā)電上網電價補貼政策）等因素的驅動，使得儲能在全球掀起了一場發(fā)展熱潮。儲能使電能具備時間空間轉移能力，對于保障電網安全、改善電能質量、提高可再生能源比例、提高能源利用效率具有重要意義?；趦δ茉陔娏π袠I(yè)的重要作用，各類儲能項目在全球范圍內持續(xù)落地，累計裝機容量節(jié)節(jié)攀升。
據中關村儲能產業(yè)技術聯盟(CNESA)統(tǒng)計，截至2018年底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模為181.0 GW，同比增長3.2%[2,3]。電化學儲能裝機為6.6254 GW，同比增長126.4%，占比為3.7%，較上一年增長2.0個百分點。各類儲能具體占比如圖1所示。目前，中國已投運儲能項目裝機規(guī)模31.3 GW，占全球市場的17.3%。其中，電化學儲能是除抽水蓄能外裝機規(guī)模最大的儲能形式[4]，累計1072.7 MW。同時，電化學儲能也是目前各類儲能應用中，除抽水蓄能之外應用最廣泛、技術發(fā)展最快、產業(yè)基礎最好的儲能技術。以鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池為主導的電化學儲能不僅在電池本體技術和系統(tǒng)集成技術層面取得了重大突破，并且在發(fā)電領域的場景應用范圍也實現了重要擴展。因此本文主要針對電化學儲能相關政策、技術及其應用予以闡述。
1 電化學儲能產業(yè)政策及標準現狀
2018年被業(yè)內較多人士稱為電化學儲能發(fā)展的元年，電化學儲能多項政策的頒布促進了項目的落地和推廣，而越來越多項目的建設反過來推動了政策的不斷細化。然而電化學儲能產業(yè)的技術標準和體系卻相對發(fā)展緩慢，這對于電化學儲能的發(fā)展帶來了一定的延滯。
1.1 多項利好政策的頒布
電化學儲能技術的進步推動了產業(yè)應用，為了保障電化學儲能產業(yè)健康發(fā)展，截至目前，國家與地方相繼發(fā)布涉及儲能的政策、規(guī)劃、指導意見等文件近50項，電力輔助服務相關政策30余項，微電網相關政策近20項，其中電化學儲能相關政策占據了較大比例。這些政策的頒布，有利于優(yōu)化儲能產業(yè)發(fā)展結構，大大推動儲能產業(yè)更好更快發(fā)展。2019年以來，電化學儲能產業(yè)政策仍舊持續(xù)出臺。1月30日南方電網公司《關于促進電化學儲能發(fā)展的指導意見》（征求意見稿）指出了南方電網發(fā)展電化學儲能的四項重點任務：深化電化學儲能影響研究、推動技術應用、規(guī)范并網管理、引領產業(yè)發(fā)展。2月18日國家電網《關于促進電化學儲能健康有序發(fā)展的指導意見》要求在規(guī)范電化學儲能接入系統(tǒng)和管控、深化電化學儲能關鍵技術研究和標準系統(tǒng)建設、加強信息管理及平臺規(guī)劃等方面，推進電源側、電網側和客戶側電化學儲能成長。上述指導意見對推動電化學儲能技術在電力領域的應用具有重要意義。在這些政策的推動下，截止目前，電化學儲能調峰、調頻項目已有數十個投運或在建。
1.2 標準和體系的缺乏
相比于國家及地方在電化學儲能產業(yè)應用方面政策的出臺速度和數量，行業(yè)內相關技術標準和檢測認證體系的發(fā)布速度卻略顯滯后，截止2019年3月，電化學儲能行業(yè)的國家標準不足20項。在電化學儲能技術層面，從設備到系統(tǒng)的各項性能指標缺乏明確限定，系統(tǒng)在不同場景中的應用策略缺乏針對性研究。在電化學儲能安全層面，在已經投運的電化學儲能電站項目中，在2017年8月至2019年2月僅一年半的時間內，韓國就已經發(fā)生火災事故達到21起之多，國內無論是發(fā)電側、用戶側或是電網側也都有火災安全事故發(fā)生。目前行業(yè)內從電化學儲能設備的生產、安裝、運輸、系統(tǒng)集成、功能驗證以及后期的運行維護等，都急需相關標準和認證體系的頒布，為電化學儲能項目的良好發(fā)展提供安全保障。
2 電化學儲能應用技術概述
電化學儲能并不是一項新興的技術，但是電化學儲能產業(yè)卻是一個亟待發(fā)展的領域。本部分著重對電化學儲能技術本體技術及系統(tǒng)集成關鍵技術及進行論述。
2.1 電化學儲能電池本體技術
電化學儲能電池的分類較多，特點都不盡相同，主要的技術指標有：比能量、功率密度、電池效率、系統(tǒng)壽命、全生命周期的成本及收益、安全和環(huán)境等方面。電化學儲能電池中以鋰離子電池的裝機規(guī)模為最大，尤其是2018年，大批電網側、發(fā)電側電化學儲能項目陸續(xù)建成并投運[5]。鋰離子電池的成本逐年降低是造成這種現象的主要因素，CNESA統(tǒng)計預測，到2020年，鋰離子電池成本將會降至1000～1500元/（kW·h），電化學儲能電池今后必將成為鋰離子電池應用方向的主題。鋰離子電池的細分種類也較多，常用鋰離子電池技術指標的詳細對比如表1所示，新型鋰離子電池如表2所示。
表1常用鋰離子電池技術對比Table 1Common lithium-ion battery technology comparison
表2新型鋰離子電池Table 2New lithium ion battery
除鋰離子電池之外，液流電池、鉛酸電池也是應用較為廣泛的電池類型。液流電池種類較多，包含全釩氧化還原液流電池、鋅-溴液流電池、多硫化鈉-溴液流儲能電池、釩-多鹵化物液流電池、鐵-鉻液流電池、錳-釩液流電池、鈰-釩液流電池、單液流鉛酸與鋅-溴液流電池、錒系元素液流電池等[9]。國內發(fā)展勢頭良好，國家能源集團在該領域也逐漸發(fā)力，其產品千瓦級液流電池功率密度超過500 mW/cm2，高于同級別傳統(tǒng)液流電池2～3倍。我國鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展較為成熟，主要實行以銷定產的運營模式，但供需缺口始終不平衡，需求大于供給，缺口持續(xù)擴大。而鈉流電池在國內商業(yè)化發(fā)展較國外例如美國和日本來說相對滯后，目前僅有示范應用項目。其他化學電池如表3所示。
表3其他化學電池Table 3Other chemical batteries
2.2 電化學儲能系統(tǒng)關鍵集成技術
為實現電化學儲能系統(tǒng)的落地應用，除電池本體技術外，電化學儲能系統(tǒng)集成技術尤為重要，例如電池本身充放電效率若為95%，系統(tǒng)集成后的實際應用中，效率會受到集成方式的影響而降低。電化學儲能系統(tǒng)集成關鍵技術主要包括電化學儲能變流器系統(tǒng)技術（power conversion system，PCS）、電池管理系統(tǒng)技術（battery management system，BMS）及能量管理系統(tǒng)技術（energy management system，EMS）等[12]。電化學儲能系統(tǒng)拓撲如圖2所示。圖1全球已投運儲能項目裝機分布Fig.1Global installed capacity of installed energy storage projects
圖2電池儲能系統(tǒng)拓撲Fig.2Topology of energy storage system
（1） 電化學儲能變流器系統(tǒng)PCSPCS是儲能與交流電網連接的樞紐[13]。目前市面上PCS的規(guī)模從幾kW到幾MW均有成熟產品，只是不同的規(guī)模等級應用的場景有所區(qū)別：戶用型基本在幾十kW下，工商業(yè)用戶型基本在幾十kW至幾百kW之間，而在電網應用領域PCS的規(guī)模將達到MW級。大功率大容量電化學儲能PCS的研究是當前電化學儲能應用的熱門[14]。
（2） 電池管理系統(tǒng)BMSBMS貫穿了電化學儲能電池本體與應用端[15]。除了電池剩余電量SOC的準確計算與應用研究之外，基于大數據平臺，開展針對電池應用過程中的健康診斷、能效分析、故障預警等綜合服務研究也是當前的熱點。
（3） 能量管理系統(tǒng)EMSEMS是能量與信息管理的融合[16]。針對電力輔助服務領域、大規(guī)模新能源并網領域、峰谷差套利等應用場景，充分考慮系統(tǒng)壽命和安全性，研究基于收益最大化的電化學儲能系統(tǒng)充放電運行控制策略是目前EMS研究的熱點。
3 電化學儲能在發(fā)電側的應用方向
電化學儲能的應用分為能量型應用和功率型應用。能量型應用要求較長的放電時間，對響應時間要求不高。而功率型應用要求有快速響應能力，對放電時間要求不高。電化學儲能技術在電力領域中的應用分為發(fā)電側、輸配側、用戶側三個方向。隨著電力市場的不斷開展以及儲能技術在應用模式上的不斷創(chuàng)新，三個方向界限也逐漸模糊。針對發(fā)電側應用領域，概括起來，電化學儲能系統(tǒng)的應用主要包括三個方向，分別為大規(guī)模新能源并網、電力輔助服務以及微電網。
3.1 大規(guī)模新能源并網領域
近年來，我國電力產業(yè)逐步向低碳方向發(fā)展，新能源發(fā)電得到了長足的發(fā)展，風電、光伏穿透率不斷攀升。在三北地區(qū)一些省份，新能源發(fā)電裝機容量已經達到了100%當地用電負荷。但是，由于新能源的波動性對電網的安全穩(wěn)定產生了不可忽視的影響。同時《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》以及部分地區(qū)的兩個細則都對新能源的并網指標提出了嚴格要求，達不到要求就面臨考核，影響經濟效益。此外，為彌補新能源MPPT模式帶來的問題而加裝的集中式無功補償裝置，給新能源的投資運行帶來了挑戰(zhàn)。因此摸索電化學儲能與新能源發(fā)電經濟、有效、共贏的結合模式是當前的研究熱點。
電化學儲能在新能源領域既有功率型也有能量型應用，這是由新能源發(fā)電的波動（頻率波動、出力波動等）從數秒到數小時之間造成的。在實際工程項目的應用中針對光伏以能量型應用為主，對風電以功率型應用為主。電化學儲能因其快速響應、爬坡率大等特點可在大規(guī)模新能源并網中發(fā)揮有功功率波動平抑、一次調頻支撐、被動響應無功支撐和計劃出力跟蹤等功能，主動支撐電網穩(wěn)定運行，降低新能源機組波動性，提升其可控、可計劃性，減小電網對新能源機組的調度難度。另外，大規(guī)模的電化學儲能還可實現棄風、棄光回收功能，在限電情況下一定程度挽回業(yè)主損失電量。因此，電化學儲能技術在大規(guī)模新能源并網的應用，可以在保證新能源穿透率的情況下，提高電網系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并提高入網電能質量。
相比于其他領域，儲能在新能源并網應用中需要滿足一些特殊要求：由于新能源電站所處地理位置較為偏遠，儲能系統(tǒng)需滿足配置靈活、安裝方便、使用壽命長等特點，以減少建設周期，并盡可能做到減少維護或免維護；另外新能源電站環(huán)保要求較高，儲能電池、裝置在選擇時應盡量具備綠色無污染等特點。儲能系統(tǒng)的放電以低倍率0.5 C、1 C為主，PCS接入方式以百千瓦級多機并聯經過升壓接入6 kV或10 kV母線為主。目前，鋰離子電池或釩液流電池被公認為該應用領域的主要技術手段[17]，其中磷酸鐵鋰電池市場占較高，而隨著三元鋰電池在電化學儲能項目中暴露出來與日增加的安全問題，越來越多的集成商逐漸避免采用三元鋰系電池。另外，超級電容在功率波動平抑，鉛碳電池在棄風、棄光回收等應用場合也有應用案例。表4中列舉了國內具有代表性的大規(guī)模新能源并網項目。
表4大規(guī)模新能源并網儲能項目Table 4Large-scale new energy grid-connected energy storage project
3.2 電力輔助服務領域
從電力供應角度，隨著新能源發(fā)電在電網中比重的增加，為了平抑波動性很大的風電或光伏電源，電網中必須配置相應的備用電源容量。從負荷需求角度，隨著電力市場改革的深化，為了保證電力市場穩(wěn)定，提高電能安全和電能質量，也要求儲能等快速響應電源參與到電力輔助服務市場中來。輔助服務種類主要包括調峰調頻、SVG（static var generator）無功補償、電網黑啟動等。調峰主要是能量型的應用，而調頻是典型的功率型應用，目前較為成熟的應用包括抽水蓄能電站調峰與鋰電池火電聯合調頻。
自2013年來，電化學儲能聯合火電機組調頻達到了規(guī)?；茝V[18]。電化學儲能電池可充分發(fā)揮調節(jié)精度、響應時間、調節(jié)速率上的優(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[19]，依據按性能付費的原則獲取更多輔助服務利潤。AGC調頻作用時間短，功率需求高，能量需求低，因此高倍率儲能電池是較為合適的選擇。針對高倍率電池在集裝箱成組時，通常應增加單獨風道設計，提高系統(tǒng)安全性能。儲能系統(tǒng)的放電以2 C、4 C等高倍率為主，PCS接入方式為百千瓦級多級并聯經過升壓接入6 kV或10 k V母線，或通過高壓級聯接入10 kV并網，功率可達2 MW。在火儲聯合調頻中儲能一般按火電裝機的3%×0.5小時的方案進行配置。
由此獲得的收益，多數情況下電廠與投資者之間按照二八比例分成，但近期由于電化學儲能參與火電機組調頻項目已建、在建和中標的項目超過30個，地區(qū)市場也從華北電網向蒙西電網、南方電網分散，利益分成模式逐漸趨向多元化。投資者為了獲得市場，分成比例甚至出現五五分的現象，這給項目的投資回收增加了更多的不確定性。表5列舉了國內部分電化學儲能聯合調頻項目信息。
表5儲能聯合調頻項目案例Table 5Energy storage joint frequency project case
近期國家電網在江蘇、河南、湖南等地陸續(xù)規(guī)劃了多個百兆瓦級電化學儲能項目，有效支撐了電網穩(wěn)定運行，發(fā)電側輔助服務市場趨于飽和。
3.3 微電網領域
微電網組成包括分布式能源、交直流負荷、儲能、變配電以及控制系統(tǒng)等[20]。可充分利用本地發(fā)電資源實現自發(fā)自用，并可余量上網。但由于其電網小，穩(wěn)定性差，加之含有具備波動性的新能源，因此電網穩(wěn)定性需要儲能系統(tǒng)進行保障，電化學儲能在微電網中的應用既有能量型也包含功率型。儲能系統(tǒng)在微電網領域應用中，系統(tǒng)的放電倍率以0.5 C及以下為主，PCS以百千瓦級即插即用小容量PCS為主。電化學儲能在微電網中的作用主要包括兩點：
（1） 提高微電網穩(wěn)定性和電能質量電化學儲能系統(tǒng)可以提供快速功率緩沖，吸收/補充電能，提供有功、無功功率支撐，穩(wěn)定電壓波動[21]。通過能量管理系統(tǒng)（EMS），將分布式電源與儲能系統(tǒng)、主電網協(xié)同控制[22]，平穩(wěn)分布式能源的波動，穩(wěn)定輸出。并且調節(jié)儲能系統(tǒng)向微電網輸出的有功、無功，同時解決電壓驟降/跌落問題。電化學儲能也能為微電網解決一些諧波治理的問題，從而改善微電網電能質量。除建設獨立電池儲能系統(tǒng)參與構建微電網之外，將電動汽車中的電池充分利用也是重要的研究方向，例如當前的熱點技術V2G，國際上美國、日本、英國等已有相關試驗，未來V2G技術將在電力負荷轉移、負荷調節(jié)、旋轉備用等方面發(fā)揮重要作用。
（2） 峰谷電價套利利用電化學儲能進行峰谷差套利是指在電價低谷時充電并存儲，并在峰值時為負荷供電的盈利模式[23]。目前鉛酸（碳）電池、磷酸鐵鋰電池、釩液流電池等均有這方面的應用案例。業(yè)內普遍認為峰谷電價差超過0.7元才具備盈利的可能，目前北京、江蘇、上海等地區(qū)的峰谷電價差收益相對較高。忽略基建、運維等費用，若儲能系統(tǒng)以峰谷及峰平進行兩充兩放的方式運行，系統(tǒng)投資回收期約5年左右，而以峰谷進行一充一放的方式運行時投資回收期則需要延長1年左右。
另外由于大工業(yè)用電的峰谷電價差相對于普通工商業(yè)峰谷電價差小，因此可通過峰谷套利與降低需量電費相加的模式進行盈利分析。為進一步縮小成本提高收益，實現電池的充分利用，選用梯次電池代替新電池的儲能應用模式逐漸推廣開來。2019年8月6日在深圳市比克工業(yè)園區(qū)投運的2.15 MW/7.27 MW·h梯次電池儲能項目，采用三元及磷酸鐵鋰電池、兩充兩放的技術方案，實現削峰填谷、重要負荷應急保障供電等功能。表6列舉了國內目前已建成的部分儲能微電網項目。
表6儲能微電網項目Table 6Energy storage microgrid project
4 電化學儲能應用展望
4.1 電化學儲能應用發(fā)展趨勢
隨著政策頒布和綜合能源業(yè)務的擴展，電化學儲能的應用和技術發(fā)展將日趨多元化，電化學儲能應用的趨勢包括以下幾個方面：
（1）電化學儲能承擔的任務不再單一化，例如與火儲聯合系統(tǒng)，不僅承擔調頻的任務，還可以承擔調峰、備用等任務。還包括區(qū)域內的新能源消納、跨區(qū)域的新能源消納、電網的暫態(tài)支撐等[24]。
（2）復合儲能以及與多種新能源融合應用將成為新的趨勢，電化學儲能在各種應用場景中的作用不斷被發(fā)掘。
（3）電化學儲能在網側裝機容量將呈爆發(fā)式增長，可能會促進電網形態(tài)發(fā)生變化，推動電網與儲能的深度融合。
（4）采用電化學儲能滿足不同的電力用戶用電關系的轉換、用能設備的能量緩沖、靈活互動以及智能交互是目前電化學儲能技術發(fā)展的主流[25]。
（5）在綜合能源服務及偏差考核、需求側響應等應用中發(fā)揮不可替代的作用。
4.2 企業(yè)發(fā)展啟示
目前國內電化學儲能產業(yè)仍存在示范項目多，商業(yè)化運營項目少，電化學儲能商業(yè)化仍存在較多問題亟需解決，如電池生產成本較高、系統(tǒng)安全性能無法保障、電力交易市場化程度低、缺少儲能價格有效激勵等問題。因此，電化學儲能的應用推廣仍需行業(yè)內各企業(yè)單位根據自身情況著重發(fā)展以下幾個方面。
（1）研發(fā)新型電化學儲能電池，降低電化學儲能成本，提高系統(tǒng)安全性。針對發(fā)電側應用大容量、高安全性要求，開發(fā)高能量密度、高轉換效率、長壽命、高安全性能、單體大容量的新型電化學儲能電池，以降低電化學儲能系統(tǒng)的應用成本。
（2）優(yōu)化電化學儲能系統(tǒng)集成技術。研究優(yōu)化電化學儲能系統(tǒng)拓撲結構設計，使系統(tǒng)進一步模塊化、緊湊化，可靈活、高效地應對實際應用中的投切操作，解決占地面積、多電池串并聯失穩(wěn)等問題。
（3）優(yōu)化電化學儲能系統(tǒng)控制技術。采用高準確度的監(jiān)測和控制技術，實現系統(tǒng)的優(yōu)化運行和狀態(tài)預測[26]。構建電化學儲能在不同場景下的性能評估模型，確立以全壽命周期成本最低或者凈效益最高為優(yōu)化目標的目標函數及邊界約束條件的控制技術，提升電化學儲能技術經濟性。
（4）深化電力體制改革，引導價格補償。推動電力市場制度規(guī)范和運營體系的建立，引導完善電化學儲能在發(fā)電側應用的相關定價機制，引導促進產業(yè)化進程。
（5）行業(yè)協(xié)作，共同推進電化學儲能發(fā)展。鼓勵發(fā)電行業(yè)、電池行業(yè)、電網行業(yè)與市政行業(yè)等建立深度合作，全方位挖掘電化學儲能更深層次的功能，綜合考量其在電力安全、環(huán)境保護等方面的經濟和社會價值，共同研究電化學儲能參與多種應用場景綜合性解決方案，建立電化學儲能本體設備及輔助裝置回收和再利用循環(huán)體系，避免造成資源浪費和環(huán)境污染。
5 結語
在能源綠色和低碳化的時代需求下，諸如風、光等可再生能源在發(fā)電側應用中的比重將不斷加大，相應的電化學儲能承擔的電力支持作用也會逐步增加，電力行業(yè)的發(fā)展和電化學儲能技術的進步不可分割。電力市場改革的不斷深入，將推動電化學儲能技術快速發(fā)展以適應不斷增加的應用需求；電化學儲能技術的進步也將會帶動電力行業(yè)形態(tài)發(fā)生變化，在發(fā)電側應用發(fā)揮更大的實用化價值，產生可觀的經濟效益。然而，在上述電力行業(yè)形態(tài)下，除了綜合考量儲能經濟性、環(huán)保性及可持續(xù)利用等需求，更應注重儲能本體技術、安全技術、應用技術及回收技術的不斷革新，這才是儲能長足發(fā)展的前提。因此，未來應對其明確相應的考核指標和規(guī)范包括：①儲能轉換效率、充放電循環(huán)耐久性等本體技術指標；②儲能安全性考核，如熱失控、故障位置的識別精度等安全技術指標；③儲能接入對發(fā)電側、并網側的影響，如電壓電流諧波等應用技術指標；④儲能故障、退役后的回收規(guī)范，如故障率等回收技術指標。
引用本文：張文建,崔青汝,李志強等.電化學儲能在發(fā)電側的應用[J].儲能科學與技術,2020,9(1):287-295.
ZHANG Wenjian,CUI Qingru,LI Zhiqiang,et al.Application of electrochemical energy storage in power generation[J].Energy Storage Science and Technology,2020,9(1):287-295.
