儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及分析

滕詠哮 韓 靜

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中“采——發(fā)——輸——配——用——儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來(lái)重大變革。

2 儲(chǔ)能技術(shù)原理及特點(diǎn)

儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由兩大部分組成：由儲(chǔ)能元件(部件)組成的儲(chǔ)能裝置；由電力電子器件組成的電網(wǎng)接入系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存、釋放或快速功率交換。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量范圍寬，從幾十千瓦到幾百兆瓦；放電時(shí)間跨度大，從毫秒級(jí)到小時(shí)級(jí)；應(yīng)用范圍廣，貫穿發(fā)輸變配用電系統(tǒng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用如下：（1）用于電力調(diào)峰，解決用電矛盾；（2）用于用戶側(cè)，提高供電可靠性；（3）用于可再生能源優(yōu)化，推動(dòng)可再生能源開(kāi)發(fā)應(yīng)用；（4）用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，提高電網(wǎng)安全性。

大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)“即發(fā)即用”的電力模式的革命性突破，它可以減少用于發(fā)電設(shè)備的投資，提高電力設(shè)備的利用率，安裝在用電設(shè)備附近可以降低線損，安裝在大城市附近可以提高供電可靠性。

3 儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

電能儲(chǔ)存的形式可分為四類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、化學(xué)儲(chǔ)能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容器等）、電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等）和相變儲(chǔ)能（如冰蓄冷等）。

長(zhǎng)久以來(lái)，電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的研究集中于大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)以解決系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題。近來(lái)，儲(chǔ)能電池、超級(jí)電容器、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和高效率飛輪等中小規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，有力拓展了儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍。憑借這些不同規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)，其應(yīng)用可貫穿電力系統(tǒng)發(fā)輸變配用電各個(gè)環(huán)節(jié)，以全面提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性、電能質(zhì)量和資產(chǎn)價(jià)值。

4 電力儲(chǔ)能方式和發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 壓縮空氣儲(chǔ)能電站

壓縮空氣儲(chǔ)能電站 (compressed air energy storage，CAES)是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，并將其儲(chǔ)藏在典型壓力7.5MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。CAES儲(chǔ)氣庫(kù)漏氣開(kāi)裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長(zhǎng)，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。

4.2 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng) (superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導(dǎo)體制成的線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，功率輸送時(shí)無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。

4.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負(fù)荷時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存能量；出現(xiàn)峰值負(fù)荷時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓。飛輪儲(chǔ)能功率密度大，效率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，無(wú)污染，維護(hù)簡(jiǎn)單，可連續(xù)工作，主要用于不間斷電源/應(yīng)急電源、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。

4.4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電。

鉛酸電池在高溫下壽命縮短，比能量和比功率較低，但價(jià)格便宜，構(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。然而，其循環(huán)壽命較短，且在制造過(guò)程中存在一定的環(huán)境污染。

鈉硫和液流電池被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲(chǔ)能電池。鈉硫電池儲(chǔ)能密度高，體積小，系統(tǒng)效率高，單體壽命長(zhǎng)，可根據(jù)用途和建設(shè)規(guī)模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負(fù)荷。液流電池電化學(xué)極化小，能夠 100%深度放電，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，額定功率和容量相互獨(dú)立，并可根據(jù)設(shè)置場(chǎng)所的情況自由設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏形式及隨意選擇形狀。

4.5 抽水蓄能電站

抽水儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行時(shí)必須配備上、下游兩個(gè)水庫(kù)，負(fù)荷低谷時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫(kù)的水抽到上游水庫(kù)保存，負(fù)荷高峰時(shí)抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電。抽水儲(chǔ)能主要應(yīng)用于調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和核電站的運(yùn)行效率。

4.6 超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周?chē)娊赓|(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電荷層間距非常小，加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬(wàn)倍增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。

5 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展前景

隨著新能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池等）的日益普及,，以及電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)可靠性和改善電能質(zhì)量的迫切需求，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性日益凸顯。因此，電力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。采用大規(guī)模儲(chǔ)能裝置，可以減少和延緩用于發(fā)、輸、變、配電設(shè)備的投資，提高現(xiàn)有電力設(shè)備的利用率和供電可靠性，降低發(fā)電煤耗、供電線損。

儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦形成規(guī)模效應(yīng),將從以下幾個(gè)方面產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：

5.1 有效提高現(xiàn)有發(fā)輸配用電設(shè)備的利用率，改變電力建設(shè)的增長(zhǎng)模式

以上海為例,目前上海的發(fā)電系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)均按照每年的最高用電負(fù)荷對(duì)發(fā)電容量和輸配電容量進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)。同時(shí)，上海的負(fù)荷特性呈現(xiàn)明顯的大都市特性，晝夜峰谷差日益擴(kuò)大，目前日負(fù)荷率約50%～60%。儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦形成規(guī)模效應(yīng),可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高發(fā)電和輸配電環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率，減少相應(yīng)的電源和電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。這將徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式，促進(jìn)其從外延擴(kuò)張型向內(nèi)涵增效型轉(zhuǎn)變。

5.2 降低發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的運(yùn)行成本，減少用戶的用電費(fèi)用

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，投入后可大量節(jié)約電廠和電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，無(wú)論是電廠還是電網(wǎng)，運(yùn)行維護(hù)都相對(duì)復(fù)雜，而儲(chǔ)能系統(tǒng)可大量節(jié)省運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。為保證低谷負(fù)荷時(shí)候的電力平衡，大型火電機(jī)組大多要減至最低出力，小型機(jī)組更是需要日開(kāi)夜停，“兩班制”運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用后，低谷負(fù)荷情況下，可以啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能，機(jī)組可以運(yùn)行在比較經(jīng)濟(jì)的出力區(qū)間，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 減少停電損失

實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能后，電網(wǎng)發(fā)生故障和檢修的部分情況下，用戶可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)保證供電，用戶用電的安全可靠性大大提高，停電次數(shù)（時(shí)間）和停電損失大幅減少，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)明顯。

目前，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)推廣應(yīng)用的最大障礙在于國(guó)外少數(shù)企業(yè)的技術(shù)壟斷，由此造成其價(jià)格高企。要推動(dòng)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用：一靠，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使其價(jià)格大幅下降；二靠，政府的政策鼓勵(lì)和資金推動(dòng)。如果能實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，使其成本達(dá)到或接近應(yīng)用水平，那么隨著峰谷電價(jià)差的逐步加大和對(duì)電能質(zhì)量要求的日益提高，被壓抑的電網(wǎng)對(duì)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求將迅速得到強(qiáng)勁釋放。