傳統(tǒng)電力生產(chǎn)過程中電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和使用幾乎同時進行，這種特性很大程度上影響著電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設、調(diào)度運行以及控制方式。大容量儲能技術的應用打破了電力供需實時平衡的限制，其大規(guī)模應用可有效降低晝夜峰谷差、提升電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量水平、促進新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)。儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用已成為未來電網(wǎng)發(fā)展的一個必然趨勢[1−5]。

本文介紹了各種儲能技術的研究與應用現(xiàn)狀，結合儲能技術不同的應用范圍，分析并提出了適合南方電網(wǎng)的儲能技術應用模式及其運行控制方式。

1儲能技術的研究與應用現(xiàn)狀

1.1抽水蓄能

抽水蓄能是目前電力系統(tǒng)中應用最為廣泛、壽命周期最長、容量最大的一種儲能技術，主要用于系統(tǒng)備用和調(diào)峰調(diào)頻。在負荷低谷時段抽水蓄能設備工作在電動機狀態(tài)，將水抽到上游水庫保存，而在負荷高峰時設備工作在發(fā)電機狀態(tài)，利用儲存在水庫中的水發(fā)電。抽水蓄能電站的全壽命周期可達40年以上，其綜合效率一般在 75%左右。

截至2008年底，全國抽水蓄能電站投產(chǎn)規(guī)模達到10945MW，約占全國發(fā)電裝機總容量的1.38%左右[6]。但由于受建站選址要求高、建設周期長、機組響應速度相對較慢等因素的影響，抽水蓄能的大規(guī)模推廣應用受到一定程度約束與限制。

1.2飛輪儲能

飛輪儲能技術將電動機的轉(zhuǎn)子與飛輪結合，利用電動機驅(qū)動飛輪至高速旋轉(zhuǎn)從而使能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中;當系統(tǒng)需要電能時，可以利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。飛輪儲能的綜合效率較高，可以達到85%～90%[7]。

國外飛輪儲能系統(tǒng)已形成系列商業(yè)化產(chǎn)品，如Active Power公司的500kWClean SourceDC和Beacon Power公司生產(chǎn)的由10個25kWh單元組成的Smart Energy Matrix儲能系統(tǒng)等[1,3]。目前，飛輪儲能裝置已投入電網(wǎng)實際運行，如紐約電力管理局就通過試驗安裝1MW/5kWh的飛輪儲能裝置來解決電動機車引起的電壓突變。飛輪儲能具有良好的負荷跟蹤和快速響應性能，可用于容量小、放電時間短、但瞬時功率要求高的應用場合[1]。

1.3壓縮空氣儲能(CASE)

壓縮空氣儲能的實質(zhì)是燃氣輪機發(fā)電廠，其原理是將空氣壓縮并儲藏在高壓密封的貯氣空洞中，如地下溶巖洞穴、海底、以及廢棄礦井、地道等存儲空間，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。

ABB、 GE等國外大型設備制造廠商均關注百兆瓦級的壓縮空氣儲能的研發(fā)。同時，美國正計劃在俄亥俄州建造總裝機容量2700MW的世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站[1]?？傮w來說，壓縮空氣儲能的建設成本和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但由于貯氣空洞的建設受巖層等地形條件的限制，推廣應用的關鍵是選擇更合適的貯氣方式。

1.4超導磁儲能(SMES)

超導磁儲能技術主要原理是將電能以電磁能的形式儲存在超導線圈中。超導磁儲能具有功率密度高(10～100MW/kg)，綜合效率高(95%左右)和響應速度快(毫秒級)的優(yōu)點[1−4,8]。

SMES 已在美國、日本和歐洲等地得到初步應用，100MJ的SMES已投入試驗運行。但目前世界上商業(yè)化生產(chǎn)的超導磁儲能系統(tǒng)只有美國超導公司的D-SMES系統(tǒng)，儲能容量為3MJ(折合約0.83kWh)。目前該裝置已在美國Alliant Energy和Entergy等多處投入電網(wǎng)實際運行，主要用于電壓穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)[1]。

1.5超級電容器

超級電容器的儲能原理與常規(guī)電容器一樣，但其電荷層間距離縮小到0.5nm以下，加之采用特殊電極材料后使兩電極表面積成萬倍地增加，從而產(chǎn)

生了極大的電容量。

當前各種商業(yè)化生產(chǎn)的超級電容器單體儲能容量較小，一般只有8～50kJ(折合約2～14Wh)，而且單位容價格仍較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多應用于高壓變電站及開關站的電容儲能式硅整流分合閘裝置、大功率直流電機的啟動支撐和動態(tài)電壓恢復等超短放電時間、瞬時大功率的場合[1,9]。

1.6電池儲能

電池儲能亦稱為電化學儲能，目前各種主流儲能電池技術參數(shù)如下表1所示。

鉛酸電池技術成熟且成本較低，一直占據(jù)電力系統(tǒng)電池儲能技術應用的主導地位，不過由于能量密度低以及循環(huán)壽命短等問題，目前已沒有相關新增應用工程;鎳鎘電池的各項性能指標與鉛酸電池接近，但因為有“記憶效應”和自放電現(xiàn)象，以及存在鎘金屬污染的問題，已被歐盟限制使用，不具備在電力系統(tǒng)推廣應用的潛力;鈉硫電池在最近20年發(fā)展迅猛，具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點、已在日本和美國有大量的實際工程應用[12−14]。液流電池在本世紀初逐步實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，具有能夠100%深度放電和可通過提高電解質(zhì)的濃度實現(xiàn)增加電池容量等優(yōu)點。但目前液流電池的能量密度較低，單位造價昂貴，制約了其大規(guī)模發(fā)展 [15]。

鋰電池和鎳氫電池是目前最具發(fā)展前景的大容量儲能電池。鋰電池是能量密度和綜合循環(huán)效率最高的儲能電池[16];鎳氫電池是鎳鎘電池的改良，無記憶效應且無環(huán)境污染。但以上兩種儲能技術在電力系統(tǒng)中的實際應用較少，在推廣應用前仍需經(jīng)歷長期的安全性和可靠性的運行檢驗。

整體上來說，電化學儲能技術具有能量密度高、綜合效率高、建設周期短、容量和功率規(guī)模適用范圍廣等優(yōu)點。隨著大容量集成技術的成熟以及綜合造價的進一步降低，有望在電力系統(tǒng)削峰填谷、頻率和電壓調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、系統(tǒng)備用以及可再生能源靈活接入等方面發(fā)揮重要的作用。

2儲能技術適用范圍分析

儲能技術應用模式可以分為容量型和功率型兩種，不同的應用模式和應用場合對儲能技術性能指標提出了不同的要求。具體各種應用模式對儲能功率規(guī)模和放電時間需求范圍如圖1所示[17]。

電力系統(tǒng)削峰填谷、頻率調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)備用等應用模式對儲能設備的容量提出了較高的要求，是容量型的儲能應用模式。另一方面，系統(tǒng)穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)應用模式則是功率型的儲能應用模式，要求儲能系統(tǒng)具備快速的響應速度，能給予電網(wǎng)足夠的瞬時功率動態(tài)支撐。除此以外，支持可再生能源接入的應用模式對儲能系統(tǒng)的容量和功率規(guī)模的要求較寬泛，主要根據(jù)可再生能源不同的發(fā)電特性和裝機規(guī)模而改變。

總體來說，目前沒有任何一種單一的儲能技術能夠全面滿足所有應用模式的需求，需要因應不同的應用模式技術需求選擇合適的儲能技術。具體各種儲能技術的性能特點如表2所示。

3儲能技術在南方電網(wǎng)的應用前景分析

3.1支持新能源的靈活接入

風能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點，有研究指出一旦可再生能源的裝機容量所占比例超過10%后，將對局部電網(wǎng)產(chǎn)生明顯沖擊。特別是在水、油、汽電源比例較小的地區(qū)，僅靠有功調(diào)節(jié)速度較慢的火電機組，難以完全適應其出力的快速變化，甚至會引發(fā)大規(guī)模惡性事故[18]。

目前南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)風力發(fā)電和光伏發(fā)電等可再生能源規(guī)模較小，截止至2010年底南方五省(區(qū))統(tǒng)調(diào)風電裝機947MW，占全網(wǎng)0.6%，因此對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響不大。然而，今后五到十年將是新能源的大發(fā)展時期，研究與可再生能源發(fā)電聯(lián)合運行的大容量儲能技術，通過實時調(diào)整儲能系統(tǒng)的充、放電功率以及充放電狀態(tài)的迅速切換，使可再生能源隨機變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的輸出，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行已成為滿足未來南方電網(wǎng)新能源靈活接入的關鍵。

3.2削峰填谷

隨著城鄉(xiāng)居民和工業(yè)生產(chǎn)用電的大幅度增長，電力負荷峰谷差絕對值日益擴大，將給電力調(diào)度造成一系列的困難，各省(區(qū))之間、各類電廠之間發(fā)電矛盾也將日益突出，甚至可能引起發(fā)電側矛盾的激化。隨著“十二五”期間南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)水電廠的陸續(xù)投產(chǎn)，系統(tǒng)調(diào)峰難度不斷增大，汛期云南、廣西仍存在較大低谷調(diào)峰缺額，棄水調(diào)峰難以避免。

同時，當前電網(wǎng)高峰負荷的不斷增加，電網(wǎng)公司需要連續(xù)投資輸配電設備來滿足尖峰負荷的容量需求，導致系統(tǒng)整體負荷率偏低，資產(chǎn)的綜合利用率很低。

因此，建立經(jīng)濟高效的大容量儲能系統(tǒng)，可在用電低谷時作為負荷存儲電能，在用電高峰時作為電源釋放電能，實現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負荷調(diào)節(jié)，在一定程度上減弱峰谷差。儲能系統(tǒng)一旦形成規(guī)模，可有效延緩甚至減少電源和電網(wǎng)建設，提高能源利用效率和電網(wǎng)整體資產(chǎn)利用率，徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設模式，促進其從外延擴張型向內(nèi)涵增效型的轉(zhuǎn)變。

儲能系統(tǒng)在削峰填谷上的應用是今后緩解環(huán)境壓力及滿足低碳社會發(fā)展的重要途徑之一。

3.3電網(wǎng)穩(wěn)定控制

南方電網(wǎng)遠距離、大容量、交直流并聯(lián)送電的特征，決定了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行在長時間內(nèi)仍然是南方電網(wǎng)的發(fā)展主題。當前南方電網(wǎng)儲能容量所占比例小，而且全部為抽水蓄能電站，響應速度不能完全滿足系統(tǒng)動態(tài)支撐的要求，很難從根本面上杜絕大面積停電事故的發(fā)生。電網(wǎng)穩(wěn)定控制宜采用電磁儲能以及飛輪儲能等快速響應的功率型儲能技術[15]，能有效減小和消除擾動對電網(wǎng)的沖擊，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時快速地吸收/發(fā)出功率，從而抑制系統(tǒng)振蕩，全面提高系統(tǒng)運行的可靠性。

然而功率型儲能技術如超導磁儲能和飛輪儲能尚處于商業(yè)化的初步階段，價格昂貴，而且其產(chǎn)品尚未完全成熟，已投入電網(wǎng)實際運行的最大規(guī)模約 1MW/250kWh，與主網(wǎng)輸電規(guī)模相差甚遠，根據(jù)相關資料中有關儲能系統(tǒng)抑制低頻振蕩的臨界容量要求，超導磁儲能和飛輪儲能技術目前的整體生產(chǎn)水平不能滿足主網(wǎng)層面的電網(wǎng)穩(wěn)定控制要求，因此近期內(nèi)不具備在輸電網(wǎng)大范圍推廣應用的實力。

4儲能技術應用的幾點建議

隨著各種儲能技術應用研究的深入，儲能技術正朝著能量轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化和應用低成本化的方向迅速發(fā)展，在南方電網(wǎng)地區(qū)研究應用兆瓦級或更大容量的儲能系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文對南方電網(wǎng)應用儲能技術有以下幾點思考和建議。

4.1儲能價格體系

價格體系是影響儲能技術推廣應用與發(fā)展的重要因素之一。電網(wǎng)公司、發(fā)電企業(yè)、用戶方面都認識到儲能技術的應用前景，但目前大容量儲能技術的造價普遍偏高，單位容量投資較大，而且我國儲能相關體制和政策并不完善，暫不具備上網(wǎng)峰谷電價、儲能電價、補償機制等配套電價機制，儲能站的建設和運行成本在現(xiàn)有電價體系中還找不到疏導渠道。

因此，要推動南方電網(wǎng)地區(qū)儲能技術應用發(fā)展，應進一步促進價格機制的建立與完善，推動峰谷電價、階梯電價和儲能電價政策的盡快出臺，完善儲能技術應用的投資回報機制，鼓勵發(fā)電商、用戶端或第三方獨立儲能建設企業(yè)等所有有條件的投資方投資建設儲能裝置，促進儲能站應用以及電網(wǎng)建設的良性互動發(fā)展。

4.2發(fā)展模式

各種大容量儲能技術在全球范圍內(nèi)已有大量的實際工程項目，成功應用于電力系統(tǒng)的各個領域，可借鑒的儲能技術應用發(fā)展模式主要有以下兩種：第一種是采取用戶側或發(fā)電廠側投資并管理的模式，由電網(wǎng)公司提供并網(wǎng)認證和檢測考核服務，通過制定合理的分時電價、階梯電價，引導投資方積極參與儲能技術的應用與推廣。第二種是由電網(wǎng)公司直接參與儲能設備的投資與管理，與目前抽水蓄能電站的管理方式一致，電網(wǎng)公司通過儲能電價收回投資成本，該運行模式有利于多個儲能系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，提高設備運行維護水平。

目前，由于受宏觀層面上所面臨的儲能設備價格過高及諸多體制、政策的制約，導致我國儲能技術應用投資主體的界定以及投資回報機制并不明晰，前述兩種發(fā)展模式的優(yōu)劣與利弊，以及配套的政策與管理機制等，需要進一步的深入分析與研究。

4.3儲能站示范工程及儲能技術應用研究

我國大容量儲能技術的應用還處于初步階段。在大范圍推廣應用儲能技術條件尚不成熟的前提下，考慮以開展儲能站示范工程為切入點，研究與掌握大容量儲能設備集成控制和接入電網(wǎng)技術，通過試點工程積累全方位的技術數(shù)據(jù)，積累儲能站系統(tǒng)規(guī)劃、設備選型、工程建設及運行維護經(jīng)驗，制定相關儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術標準和管理標準。同時，依托試點工作的開展，摸清儲能站工程各環(huán)節(jié)的技術經(jīng)濟指標，形成有效的儲能技術經(jīng)濟評價機制，為儲能站工程的建設提供參考依據(jù)，確保儲能技術及相關設備上的投資與建設滿足高效、經(jīng)濟、實用的目標的實現(xiàn)。

儲能站示范工程及儲能技術應用研究工作的順利開展，既是進行儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術研究的重要依托，也是制定儲能系統(tǒng)技術標準以及管理要求的重要依據(jù)，更是我國大規(guī)模推廣應用儲能技術的前提與保障，為我國儲能技術發(fā)展提供重要的工程實踐機會。

5結語

當前，整個電力工業(yè)的發(fā)展方向是走低碳經(jīng)濟的道路。研究與應用儲能技術是解決可再生能源并網(wǎng)接入、提高能源利用效率和提高電網(wǎng)運行效率的重要途徑之一。而且，隨著各種儲能技術的日臻成熟，大容量儲能技術進入了電力系統(tǒng)實際應用階段。因此，盡快在電力系統(tǒng)中開展儲能技術開發(fā)應用綜合示范項目，為今后大規(guī)模推廣應用積累經(jīng)驗，對于引導與推動儲能技術在我國的健康發(fā)展具有積極、重要的意義。