1 引言
电网时刻处于发电与用电之间的动态平衡状态,电厂发出的电力必须实时传输,用电和发电实现实时平衡。传统的火电、水电和核电等发电方式通常按照负荷需求进行调度运行;而以风能、太阳能为代表的新能源发电受自然资源条件影响,出力具有间歇性和波动性,发电调节和控制困难,且新能源大规模并网运行影响电网的经济性和安全稳定运行。另一方面,随着经济和社会的发展,电网的高峰负荷不断增加,峰谷差日益增大,而且局部电网网架薄弱,在输送能力上难以满足负荷需求,使得电网的运行控制和管理变得日益困难和复杂。
储能技术将发电与用电从时间和空间上分隔开来,用电和发电不需要实时平衡,突破了电网电能不能存储的限制,彻底改变了电网的调度、运行以及规划等模式。规模化储能应用于电力系统的发电、输电、配电各个环节,可有效减少短时电力中断,缓解高峰供电压力,延缓或者减少电源和电网的投资建设,提升电网的可再生能源的接纳能力,并提高电网的稳定性和灵活性[1]。
本文介绍了规模化储能技术的概况,对规模化储能在电网的五种应用模式进行了技术和经济关键指标分析,最后指出了规模化储能推广面临的问题和挑战,为规模化储能在电网的发展应用、建设规划以及政策制定等提供参考。
2 规模化储能技术概况
表1 规模化储能技术概况
Tab.1
| 储能技术 | 优点 | 缺点 | 功率型 | 能量型 |
|---|---|---|---|---|
| 飞轮储能 | 高功率 | 低能量密度 | ★★★ | ☆☆☆ |
| 超级电容储能 | 长寿命、高功率 | 低能量密度 | ★★★ | ☆☆☆ |
| 铅酸电池 | 低成本 | 寿命短 | ★★☆ | ★★☆ |
| 钠硫电池 | 高功率、高能量密度 | 高成本、高温运行 | ★★☆ | ★★☆ |
| 锂电池 | 高功率、高能量密度 | 高成本、电池管理 | ★★☆ | ★★☆ |
| 压缩空气储能 | 高能量、低成本 | 选址要求 | ★☆☆ | ★★★ |
| 抽水蓄能 | 高能量、低成本 | 选址要求 | ★☆☆ | ★★★ |
电化学储能特点在于功率和能量可根据不同应用需求灵活配置,响应速度快,适合大规模应用和批量化生产,是目前规模化储能技术主要的发展方向。电化学储能中铅酸电池的应用较早,技术相对成熟、成本低、可靠性高,但使用寿命较短,难以满足大规模储能发展的要求。锂离子电池具有能量密度较大,转换效率高、循环寿命较长等优点,在电动汽车上得到了广泛应用,适合作为规模化储能元件,国内外已建成多个大规模的锂电池储能示范应用。钠硫电池能量密度和转换效率高,寿命长,但运行条件苛刻,安全性稍差。目前电化学储能存在的主要问题是电池循环寿命短、成本高,以及退役后的环境污染,这是电化学储能技术需要重点研究和突破的方向。
超级电容器是是典型的功率型储能,适用于大功率低容量应用场合。超级电容储能具有充放电速度快、功率密度高、循环使用寿命长和工作温度范围宽等优点,其主要问题是能量密度低、成本高。
抽水蓄能在规模化储能中应用最广泛、技术最成熟,电站装机容量规模可达千兆瓦级。抽水蓄能在电力系统中主要用于削峰填谷、调频、黑启动和提供备用容量等。抽水蓄能主要受地理和环境限制,必须在有条件的地理位置建设,建设周期长。
压缩空气储能容量仅次于抽水蓄能,具有充放时间长、成本较低、安全系数高等优点,技术比较成熟,国外已实现商业化应用,其主要问题是能量密度和储能效率较低。
飞轮储能的优势是技术成熟度高、功率密度高、寿命长、无污染等,适用于电网调频和电能质量治理等。飞轮储能的缺点主要是能量密度低、自放电率高和成本高。
目前储能技术受容量、功率和经济性因素限制,还没有一种理想的储能技术能够完全满足电网中各种规模化应用的要求。储能技术的安全性、可靠性、成本、效率和寿命是储能技术的主要研究内容,同时也是影响规模化储能应用的主要因素。
3 规模化储能应用分析
3.1 电网频率调节（短时）
调频是维护电网安全运行的关键技术,为保证电力系统安全稳定运行,要求调频机组能快速、精确地响应调度指令。大型火电调频机组持续运行导致发电机组负荷率下降和环境污染等问题。储能技术参与调频服务的最大优势是其具有快速和精确的响应能力,单位功率的调节效率较高。储能技术非常适合解决短时电力供应和需求之间的不平衡问题,为电网提供调频服务,其调频响应速度远快于常规火电机组。根据美国电力市场的调频电源比较分析,储能调频效果是水电机组的1.7倍,是燃气机组的2.5倍,是燃煤机组的20倍以上[11]。具有快速调节能力的储能技术能够更有效地提供调频服务。
表2 储能调频关键指标（短时）
Tab.2
| 名称 | 指标要求 | 指标解析 |
|---|---|---|
| 响应时间 | <1s | 储能技术上完全能快速响应电网输出指令 |
| 循环效率 | 75%~90% | 效率指输入能量除以输出能量 |
| 系统寿命 | 10年 | 每年4 500~7 000次循环 |
| 放电时间 | 15min~2h | 容量有限,需要充放平衡 |
3.2 新能源并网（短时）
表3 储能应用于新能源并网关键指标（短时）
Tab.3
| 名称 | 指标要求 | 指标解析 |
|---|---|---|
| 循环效率 | 75%~90% | 效率指输入能量除以输出能量 |
| 系统寿命 | 10年 | 寿命跟储能类型和循环次数有关,较理想寿命周期为10年 |
| 容量 | 1~20MW | 储能容量配置与新能源类型和规模有关 |
| 响应时间 | 1~2s | 储能快速响应能更好平滑新能源出力波动 |
3.3 延缓输配电建设和升级（长时）
随着负荷中心电力需求的增加,新增负荷给电网的输配电带来巨大的压力,负荷中心的配电网呈现局部潮流不平衡和高峰时段电力供应紧张趋势。然而通过建设和升级输配电配套工程满足高峰负荷的需求非常不经济,并且建设周期较长。储能电站在负荷低谷存储电能,负荷高峰释放电能,从而满足电能需求,可延缓或者减少输配电工程以及电厂的投资建设,是一种经济可行的方案[16]。
应用于延缓输配电建设和升级的储能性能指标主要有放电持续时间、容量、可靠性和系统寿命,同时安全性也是储能系统必须要考虑的重要因素。为储能配置的保护需完全融入现有的电网保护体系。规模化储能能够达到的性能指标见表4,该技术将作为一种低成本、高效益的有效方式被电力行业采纳应用,以适应电网的智能化和满足日益增长的电力需求,延缓和替代输配电系统建设。
表4 储能应用于延缓输配电建设和升级关键指标（长时）
Tab.4
| 名称 | 指标要求 | 指标解析 |
|---|---|---|
| 放电时长 | 2~4h | 存储几个小时电能用于平抑电力需求 |
| 容量 | 1~100MW | 替代输电系统需要配置的储能容量大于100MW |
| 可靠性 | 99.9% | 储能系统要求与输配电系统一样可靠 |
| 寿命 | 10年 | 系统寿命达到10年,同时容易升级改造 |
3.4 负荷跟踪平滑（长时）
在电力双边市场中,发电和用户之间直接进行负荷跟踪交易,电力供应需要跟踪响应负荷的波动,实现电力供给平衡。负荷跟踪服务通过负荷监测器实时监测负荷波动,并将负荷信息传送到发电端,进行功率调整。负荷跟踪服务通常由燃气机组等调节性能好的发电设备提供,但跟踪负荷出力以及低负荷率会导致机组发电经济性低和高排放问题,同时增加了机组维护工作量。储能的快速响应能力可以在电网状态发生变化前跟踪补偿区域内负荷的波动,储能系统在非额定功率运行也能保证输入和输出的性能,而且储能的双向特性增加了负荷跟踪调节的宽度,因此储能技术非常适合提供快速响应的负荷跟踪服务[17]。
表5 储能应用于负荷跟踪关键指标（长时）
Tab.5
| 名称 | 指标要求 | 指标解析 |
|---|---|---|
| 运维费用 | 3 250元/MW·h | 储能高性能响应对应高成本费用 |
| 放电时长 | 2~6h | 2h额定放电容量,4~6h负荷跟踪运行能力 |
3.5 削峰填谷（长时）
电力需求峰谷差不断增大,电力供应峰谷矛盾突出,用电高峰电价高且电力供应紧张,用电低谷电价低而电力供大于求。储能系统在用电低谷存储电能、用电高峰释放电能满足负荷需求,可有效平衡供需波动,是缓解用电峰谷矛盾的有效途径。由于低谷电价远低于高峰电价,利用储能电站进行削峰填谷不仅满足高峰用电需求,而且能利用电价差进行套利,这使得储能电站在经济上能够盈利[18]。
表6 储能应用于削峰填谷关键指标（长时）
Tab.6
| 名称 | 指标要求 | 指标解析 |
|---|---|---|
| 运维费用 | 1 625~ 3 250元/MW·h | 较低的运维费使储能系统具有削峰填谷的经济性优势 |
| 放电时长 | 2~6h | 削峰填谷需要几个小时的放电容量 |
| 效率 | 70%~80% | 抽水蓄能转换效率偏低,储能高效率提高了系统经济性和竞争力 |
4 面临的问题与挑战
（1）储能应用缺少市场机制。电力系统主体结构有发电、输配电和负荷组成,储能可应用于发电、输配电和用电的各个环节,储能的多种功能使其存在市场定位模糊问题。储能不能自发电,区别于传统发电厂,然而作为电网设备,电网公司缺少电厂的运营能力和资质。储能电站的定位模糊为建设和发展带来困难,以及储能电价的定价问题都将影响储能电站的推广。目前规模化储能处于示范应用阶段,规模化储能电站的发展不仅需要扶持和激励政策,还需要清晰明确的市场定位和储能电价政策。
（2）规模化储能示范应用不足。规模化储能系统示范应用不足是限制其发展和推广应用的重要原因,规模化储能系统缺少实际运行数据支撑,其技术水平和经济性难以充分验证。小容量的储能试验研究对大容量储能系统示范应用帮助有限,理论分析和仿真研究无法准确评估储能的效率、寿命、可靠性和安全性等关键技术指标。另一方面,规模化储能系统的推广应用必定需要经济效益的支持,示范应用不足导致无法提供足够的数据,以分析和验证规模化储能的经济效益,不利于规模化储能的商业化推广。
（3）规模化储能技术不成熟。规模化储能技术不够成熟,除抽水蓄能技术外,其他储能技术在规模化储能应用中尚有不少关键技术问题需要解决。在各类储能中,抽水蓄能、电化学储能和压缩空气储能可以同时达到规模化储能应用容量和功率要求,而飞轮储能、超级电容储能以及超导储能等功率型储能难以达到规模化储能的容量要求。储能的效率和寿命也是限制储能规模化应用的技术瓶颈,压缩空气储能和传统铅酸电池无法满足规模化储能应用于电网的技术要求。安全性与可靠性始终是电力系统的基本要求,规模化储能系统的安全性和可靠性还需要进一步研究和验证。
（4）规模化储能缺少标准体系和规范。有限的规模化储能示范和不成熟的储能技术同时也造成规模化储能标准和规范缺失,不利于引导规模化储能技术研究和产业健康发展。储能设备缺少技术标准,系统设计缺乏规范,各类储能方案缺少可行的评估方法。另一方面,标准缺失将影响储能系统的测试、运行和控制等,给电网的安全运行带来隐患。尽管国内外电池、变流器和并网要求等各种标准正在研讨和制定中,然而标准和规范的制定是一个循序渐进的过程,需要比较长的时间进行修订和完善。
5 结束语
规模化储能技术是提高电网调峰调频能力,增强电网可再生能源接纳能力,以及提高电网稳定性和灵活性的重要途径,是智能电网的关键支撑技术。储能技术的应用贯穿于电力系统发电、输电、配电、用电的各个环节,可解决现有电网中诸多限制和难题,规模化储能的应用将给电网带来根本性变革,加快推进绿色低碳的能源转型。
各类储能技术各有优缺点,为不同的应用需求提供了多样化的选择,但很多储能技术尚处于试验示范阶段,需要解决储能的安全性、可靠性和经济性等关键问题。现阶段各类储能技术前景不明朗,储能产业的健康发展需要政策方面的引导与扶持,加强储能技术基础研究,加快建设储能的标准和规范体系。综合考虑上述情况,成熟的储能技术、完善的标准体系以及有利的商业模式是储能在电网大规模推广应用的必要条件。
参考文献
大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析
[J].分析了储能技术在电力系统发展和变革中的地位和作用，对各种类型储能技术的基本原理、技术特点、发展现状、存在的主要问题及需要突破的关键技术等进行了较全面的综述，提出了针对规模化应用储能技术的评价指标。在此基础上，分析了不同储能技术的发展和应用前景，并预测了其发展的路线图。
An analysis of prospects for application of large-scale energy storage technology in power systems
[J].分析了储能技术在电力系统发展和变革中的地位和作用，对各种类型储能技术的基本原理、技术特点、发展现状、存在的主要问题及需要突破的关键技术等进行了较全面的综述，提出了针对规模化应用储能技术的评价指标。在此基础上，分析了不同储能技术的发展和应用前景，并预测了其发展的路线图。
规模化储能技术典型示范应用的现状分析与启示
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DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.001
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[本文引用: 1]
规模化储能技术作为能源结构调整与节能减排的支撑技术和关键推手,在发输配电、电力需求侧、辅助服务以及新能源接入等领域有着广阔的应用前景。国内外开展并建成了数百项MW级及以上的多种新型储能示范工程,应用领域涉及可再生能源、分布式发电与微网、输配电以及辅助服务等。文中通过对国内外已建规模化储能示范的基本概况分析,重点讨论实现规模化示范应用的储能技术类型以及学术界和工程界聚焦的应用领域;从示范功能、主要技术以及资助情况等角度,梳理不同应用模式对储能技术的性能需求与技术关注点;基于储能相关政策解析,分析其对储能技术实现规模化应用的促进与推动作用。同时,给出了上述分析结果对我国储能产业化发展的启示。
Present condition analysis on typical demonstration application of large-scale energy storage technology and its enlightenment
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规模化储能技术作为能源结构调整与节能减排的支撑技术和关键推手,在发输配电、电力需求侧、辅助服务以及新能源接入等领域有着广阔的应用前景。国内外开展并建成了数百项MW级及以上的多种新型储能示范工程,应用领域涉及可再生能源、分布式发电与微网、输配电以及辅助服务等。文中通过对国内外已建规模化储能示范的基本概况分析,重点讨论实现规模化示范应用的储能技术类型以及学术界和工程界聚焦的应用领域;从示范功能、主要技术以及资助情况等角度,梳理不同应用模式对储能技术的性能需求与技术关注点;基于储能相关政策解析,分析其对储能技术实现规模化应用的促进与推动作用。同时,给出了上述分析结果对我国储能产业化发展的启示。
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[J].智能电网是电力系统发展的终极目标，而储能技术在智能电网的建设过程中起到非常重要的作用。在总结现有的储能技术的基础上，针对储能技术在电网侧、用户侧和新能源发电中等3个不同的主要应用场合，对其应用规划和效益评估方法进行研究和归纳，分析相关研究的模型中目标函数的差异，以及约束条件的不同，指出目前研究的优点和不足。此外，对储能应用规划中的算法进行分析，说明传统的数学方法是其主要方法。最后，阐述储能规划中有待进一步考虑的问题和未来应用推广过程中应予以关注的方面。
Review on energy storage application planning and benefit evaluation methods in smart grid
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Development of energy storage in frequency regulation market of United States and its enlightenment
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我国风电呈现“大风电、高渗透”的发展态势,随着风电的大规模开发,既有电网调节能力渐显不足,风电与电网的矛盾急剧升级,导致大面积弃风甚至危及电网安全。利用储能系统可以实现能量的时空平移,从而达到减少弃风、提高电网及风电运行安全性和经济性的效果。首先基于风电场实测限风功率进行限风特性分析,在此基础上制定了储能系统多场景调控的场景划分原则;然后提出一种计及限风特性与经济性的大规模集中充放电的储能系统容量配置方法,该方法综合考虑了限风时段的差异性、限风功率的分布特征以及储能系统的电量效益、环境效益、投资成本和维护费用等因素;最后通过算例分析表明,考虑限风特性的多场景调控策略比单一调控策略的综合收益更优,进而验证了所提方法的可行性。
Study on capacity configuration of large-scale energy storage system under concentrated charge and discharge based on wind curtailment characteristics and economics
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