張文亮，丘明，來小康

（中國電力科學(xué)研究院，北京市海淀區(qū)100192）

摘要：基于大規(guī)模電力儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，從需求、技術(shù)和經(jīng)濟的角度出發(fā)，考慮到我國能源的區(qū)域性特征、西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)格局和國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略，探討了電力儲能技術(shù)發(fā)展的趨勢。十一五期間國家電網(wǎng)公司將立足研發(fā)100kW級全釩液流電池、MW級鈉流電池和MJ級容量液氮溫區(qū)運行超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，加快建設(shè)10GW級抽水蓄能混合式電站，以優(yōu)化電網(wǎng)配置、加強調(diào)節(jié)和輸變電能力、解決跨區(qū)域供需矛盾、確保電網(wǎng)安全可靠運行，并滿足人們對電能質(zhì)量的要求和可再生能源發(fā)展的需要。

0引言

儲能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運行過程中采–發(fā)–輸–配–用–儲六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。

近幾十年來，儲能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)存儲，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲能四大類型。其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能包括超導(dǎo)、超級電容和高能密度電容儲能；電化學(xué)儲能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能；相變儲能包括冰蓄冷儲能等。各種儲能技術(shù)在能量和功率密度等方面有著明顯區(qū)別，表1顯示了不同應(yīng)用場合對能量和功率密度的要求。本文著重介紹MW級大規(guī)模電力儲能技術(shù)的研發(fā)狀況和應(yīng)用實例，并基于我國能源布局和電力系統(tǒng)需求，從技術(shù)和經(jīng)濟的層面加以分析，探討儲能技術(shù)的未來發(fā)展方向和研究重點。

1電力儲能方式和發(fā)展現(xiàn)狀

1.1抽水蓄能電站

抽水儲能電站投入運行時必須配備上、下游兩個水庫(上、下池)，負荷低谷時段抽水儲能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負荷高峰時抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。按上水庫有無天然徑流匯入分為純抽水、混合抽水和調(diào)水式抽水蓄能電站，建站地點力求水頭高、發(fā)電庫容大、滲漏小、壓力輸水管道短、距離負荷中心近。

抽水儲能電站可以按照一定容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率在70%~85%之間。抽水儲能是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和特種的運行效率。

目前，抽水蓄能電站的設(shè)計規(guī)劃已形成規(guī)范。機組由早期的四機、三機式機組發(fā)展為水泵水輪機和水輪發(fā)電電動機組成的二機式可逆機組，極大地減小了土建和設(shè)備投資。施工已采用瀝青混凝土面板防滲、HT-100高強度鋼結(jié)構(gòu)、斜井全斷面隧洞掘進機開挖、鋼岔管考慮圍巖分擔(dān)為壓、上水庫和地下廠房信息化施工等先進技術(shù)。為進一步提高整體

經(jīng)濟性，機組正向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，現(xiàn)已接近單級水泵水輪機和空氣冷卻發(fā)電電動機制造極限，今后的重點將立足于對振動、空蝕、變形、止水和磁特性的研究，著眼于運行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機組，實現(xiàn)自動頻率控制。提高機電設(shè)備可靠性和自動化水平，建立統(tǒng)一調(diào)度機制以推廣集中監(jiān)控和無人化管理，并結(jié)合各國國情開展海水和地下式抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1.2壓縮空氣儲能電站

壓縮空氣儲能電站(compressed air energy storage，CAES)是一種調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓力7.5MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。在燃氣輪機發(fā)電過程中，燃料的2/3用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%，同時可以降低投資費用、減少排放。CAES建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。CAES儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長，可以冷啟動、黑啟動，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負荷、頻率調(diào)制、分布式儲能和發(fā)電系統(tǒng)備用。

目前，地下儲氣站采用報廢礦井、沉降在海底的儲氣罐、山洞、過期油氣井和新建儲氣井等多種模式，其中最理想的是水封恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體，從而保障燃氣輪機穩(wěn)定運行。100MW級燃氣輪機技術(shù)成熟，利用渠氏超導(dǎo)熱管技術(shù)可使系統(tǒng)換能效率達到90%。大容量化和復(fù)合發(fā)電化將進一步降低成本。隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減小儲氣庫容積和提高儲氣壓力至10~14MPa的需要，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)(micro-CAES)已成為人們關(guān)注的熱點。

1.3飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動機/發(fā)電機、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。谷值負荷時，飛輪儲能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動能的形式儲存能量，完成電能—機械能的轉(zhuǎn)換過程；出現(xiàn)峰值負荷時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機械能—電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。飛輪儲能功率密度大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長達20a，工作溫區(qū)為−40~50℃，無噪聲，無污染，維護簡單，可連續(xù)工作，積木式組合后可以實現(xiàn)MW級，輸出持續(xù)時間為數(shù)min/數(shù)h，主要用于不間斷電源(uninterrupted power supply，UPS)/應(yīng)急電源(emergency power system，EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。

近年來，人們對飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計、軸承支撐系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行了深入研究，高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)極大地促進了儲能飛輪的發(fā)展。機械式飛輪系統(tǒng)已形成系列產(chǎn)品，如Active Power公司100~2000kW Clean Source系列、Pentadyne公司65~1000kV AVSS系列、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix和Sat ConTechnology公司315~2200kVA系列。高溫超導(dǎo)磁浮軸承摩擦系數(shù)達到10−7量級，在此基礎(chǔ)上，1MWh超導(dǎo)飛輪已于1997年研制成功。隨著磁浮軸承的應(yīng)用、飛輪的大型化以及高速旋轉(zhuǎn)化和軸承載荷密度的進一步提高，飛輪儲能的應(yīng)用將更加廣泛。

1.4超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導(dǎo)體制成的線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快(ms級)，轉(zhuǎn)換效率高(≥96%)、比容量(1~10Wh/kg)/比功率(104~105kW/kg)大等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時大容量能量交換和功率補償。SMES在技術(shù)方面相對簡單，沒有旋轉(zhuǎn)機械部件和動密封問題。目前，世界上1~5MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100MJ SMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實際運行，5GWh SMES已通過可行性分析和技術(shù)論證。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補償、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。

SMES的發(fā)展重點在于基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運行的MJ級系統(tǒng)，解決高場磁體繞組力學(xué)支撐問題，并與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進一步降低投資和運行成本，結(jié)合實際系統(tǒng)探討分布式SMES及其有效控制和保護策略。

1.5超級電容器儲能

超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(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(一般0.5mm以下)，加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。但由于電介質(zhì)耐壓低，存在漏電流，儲能量和保持時間受到限制，必須串聯(lián)使用，以增加充放電控制回路和系統(tǒng)體積。

超級電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電電流400~2000A系列產(chǎn)品，儲能系統(tǒng)最大儲能量達到30MJ。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐、動態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級電容器正在開發(fā)中。

1.6電池儲能系統(tǒng)

電池儲能系統(tǒng)主要是利用電池正負極的氧化還原反應(yīng)進行充放電，表2、3分別顯示了一些種類電池的基本特性和由它們構(gòu)成的儲能系統(tǒng)目前已達到的性能指標(biāo)。

鉛酸電池在高溫下壽命縮短，與鎳鎘電池類似，具有較低的比能量和比功率，但價格便宜，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)，目前儲能容量已達20MW。鉛酸電池在電力系統(tǒng)正常運行時為斷路器提供合閘電源，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時發(fā)揮獨立電源的作用，為繼保裝置、拖動電機、通信、事故照明提供動力。然而，其循環(huán)壽命較短，且在制造過程中存在一定的環(huán)境污染。

鎳鎘等電池效率高、循環(huán)壽命長，但隨著充放電次數(shù)的增加容量將會減少，荷電保持能力仍有待提高，且因存在重金屬污染已被歐盟組織限用。鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)指標(biāo)往往達不到單體水平，使用壽命較單體縮短數(shù)倍甚至十幾倍。大容量集成的技術(shù)難度和生產(chǎn)維護成本使得這些電池在相當(dāng)長的時間內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)模化應(yīng)用。

鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池儲能密度為140kWh/m3，體積減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達80%，單體壽命已達15a，且循環(huán)壽命超過6000次，便于模塊化制造、運輸和安裝，建設(shè)周期短，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荷。

液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個體系，高性能離子交換膜的出現(xiàn)促進了其發(fā)展。液流電池電化學(xué)極化小，能夠100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨立，可以通過增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度達到增加電池容量的目的，并可根據(jù)設(shè)置場所的情況自由設(shè)計儲藏形式及隨意選擇形狀。目前，鈉硫和液流電池均已實現(xiàn)商業(yè)化運作，MW級鈉硫和100kW級液流電池儲能系統(tǒng)已步入試驗示范階段。隨著容量和規(guī)模的擴大、集成技術(shù)的日益成熟，儲能系統(tǒng)成本將進一步降低，經(jīng)過安全性和可靠性的長期測試，有望在提高風(fēng)能/太陽能可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平滑用戶側(cè)負荷及緊急供電等方面發(fā)揮重要作用。

2電力儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實例

2.1抽水蓄能系統(tǒng)

日、美、西歐等國家和地區(qū)在20世紀60~70年代進入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟發(fā)達國家抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量55%以上，其中：美國約占3%，日本則超過了10%，中國、韓國和泰國3個國家在建抽水蓄能電站17.530GW，加上日本后達到24.650GW，表4顯示了近十年來投入運行的8個大型抽水蓄能電站的情況。

2.2壓縮空氣儲能電站

世界上第一個商業(yè)化CAES電站為1978年在德國建造的Huntdorf電站，裝機容量為290MW，換能效率77%，運行至今，累計啟動超過7000次，主要用于熱備用和平滑負荷。在美國，McIntosh電站裝機容量為100MW，Norton電站裝機容量為2.7GW，用于系統(tǒng)調(diào)峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas開始建造Markham電站，容量為540MW。在日本，1998年施工建設(shè)北海道三井砂川礦坑儲氣庫，2001年CAES運行，輸出功率2MW。

在瑞士，ABB公司正在開發(fā)大容量聯(lián)合循環(huán)CAES電站，輸出功率442MW，運行時間為8h，貯氣空洞采用水封方式。此外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、以色列等國也在長期致力于CAES的開發(fā)。

2.3飛輪儲能系統(tǒng)

1999年歐洲Urenc Power公司利用高強度碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制作飛輪，轉(zhuǎn)速為42000rad/min，2001年1月系統(tǒng)投入運行，充當(dāng)

UPS，儲能量達到18MJ。美國波音公司Phantom工廠研制的高溫超導(dǎo)磁浮軸承100kW/5kWh飛輪儲能裝置，已用于電能質(zhì)量控制和電力調(diào)峰。部分飛輪儲能裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況見表5。

2.4超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)

SMES在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了極其重要的作用，表6顯示了其中一些應(yīng)用實例。

2.5超級電容器儲能系統(tǒng)

西門子公司已成功開發(fā)出儲能量達到21MJ/5.7Wh、最大功率1MW的超級電容器儲能系統(tǒng)，并成功安裝在德國科隆市750V直流地鐵配電網(wǎng)中，該系統(tǒng)由4800支2600F/2.5V超級電容器組成，重量2t，體積2m3，超級電容器組儲能效率為95%。

美國TVA電力公司成功開發(fā)了200kW超級電容器儲能系統(tǒng)，用于大功率直流電機的啟動支撐。

2.6電池儲能系統(tǒng)

2.6.1鉛酸蓄電池系統(tǒng)

鉛酸電池儲能系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站充當(dāng)備用電源已使用多年，并在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運行方面發(fā)揮了極其重要的作用，表7顯示了一些MW級鉛酸蓄電池系統(tǒng)及其功能。

2.6.2鈉硫電池系統(tǒng)

東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)研發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位，擁有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，1999年在大仁變電站設(shè)置6MW×8h系統(tǒng)，2004年7月又在Hitachi自動化系統(tǒng)工廠安裝了目前世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量9.6MW/57.6MWh；鈉硫電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和負荷側(cè)成功應(yīng)用100余套，總?cè)萘砍^100MW，其中近2/3用于平滑負荷。2004年，在美國哥倫比亞空軍基地安裝了12MW/120MWh鈉硫電池系統(tǒng)，充當(dāng)備用電站。

2.6.3液流電池系統(tǒng)

20世紀90年代初，英國lnnogy公司成功開發(fā)出5、20和100kW系列多硫化鈉／溴液流儲能電堆，并于2001年和2002年分別在英國和美國各建造了120MWh儲能電站，用于電站調(diào)峰和UPS；2001年，250kW/520kWh全釩液流電池在日本投入商業(yè)運營。近十多年來，美國、日本、歐洲等國家相繼將與風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰，表8顯示了其中一些示范應(yīng)用工程。

3我國能源的布局及電力系統(tǒng)的特點和需求

3.1我國能源特點

我國能源具有以下特點：

（1）化石能源呈逐年下降趨勢，但以煤炭為主。

表9顯示了我國國土資源部對一次能源結(jié)構(gòu)比例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出，化石能源在整個20世紀所占的份額均在93%以上，其中煤炭能源占主要部分，2050年化石能源份額將減至70%以下，水電、核電和可再生能源的份額將增加到30%以上。21世紀上半葉，隨著我國能源可持續(xù)發(fā)展體系的逐步完善，人們已經(jīng)普遍認識到必須最大限度地提高能源生產(chǎn)與利用效率。

（2）資源分布區(qū)域性特征明顯。

我國已探明煤炭儲量為6044億t，其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古；可開發(fā)的水電資源為1923.3TWh，99.4%分布在中、西部地區(qū)，其中65%分布在四川、云南和西藏；石油資源890億t，主要分布在東、西部地區(qū)；天然氣資源20×1013m3，主要分布在新疆、青海和四川。從能源分布可見，東部地區(qū)京、津、冀、魯、蘇、滬、浙、閩、粵是我國經(jīng)濟最發(fā)達和發(fā)展速度最快的地區(qū)，其人口占全國的34.89%，GDP占全國的54.04%，但其煤炭和水電資源卻只占全國的8%和0.3%，是全國最嚴重缺乏能源資源的地區(qū)。而西部11個省、區(qū)人口占全國的25.25%，GDP占全國的17.32%，卻擁有大量的水電和煤炭資源。東西部能源資源分布不均，富煤、貧油、少氣、多水力的能源資源特點決定了我國特有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.2我國電力系統(tǒng)的特點

目前，我國燃煤發(fā)電量約占總發(fā)電量的75%，火力發(fā)電站多數(shù)靠近煤炭資源比較豐富的西北部地區(qū)；水力發(fā)電量約占23%，大多集中在西、南部地區(qū)；核電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等非水能可再生能源發(fā)電量約占2%；電力資源和負荷分布不均的現(xiàn)狀使得長距離輸電成為必要。電能需求量日益增長，據(jù)統(tǒng)計，2010、2020年我國裝機容量將達到550GW和800GW。為了改善電能質(zhì)量并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，要求電力系統(tǒng)各部分電氣緊密連接，電力系統(tǒng)向更大規(guī)模方向發(fā)展。

我國現(xiàn)已形成華北、東北、華東、華中和西北5個跨省區(qū)電網(wǎng)以及新疆、青海和西藏3個獨立省網(wǎng)，電壓等級包括110、220、500、800kV(西北為110、330、750kV)，并實現(xiàn)了華中與華東超高壓直流的跨大區(qū)異步互聯(lián)網(wǎng)，建成了三峽至華東和正在建設(shè)三峽至南方電網(wǎng)的30GW的超高壓直流輸電系統(tǒng)，投入運行葛(洲壩)滬(上海)、三(峽)常(州)、三(峽)廣(東)、三(峽)滬(上海)、天(天生橋)廣(東)、貴(州)廣(東)Ⅰ回、Ⅱ回等7個超高壓直流輸電工程和靈寶直流背靠背輸電工程。預(yù)計到2020年底，中國還將建成覆蓋華北、華中、華東地區(qū)的特高壓交流同步電網(wǎng)，建成±800kV向家壩—上海、錦屏—蘇南、溪洛渡—浙西等特高壓直流工程15個，總輸送容量達94.40GW。上述工程為大區(qū)內(nèi)保持同步電網(wǎng)、大區(qū)間實現(xiàn)直流異步互聯(lián)奠定了良好基礎(chǔ)，基本形成了西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的格局。

3.3我國電力系統(tǒng)現(xiàn)實需求

目前，我國電力系統(tǒng)應(yīng)做到以下幾點：

（1）確保大電網(wǎng)的安全性和可靠性。

我國電網(wǎng)覆蓋面積大，結(jié)構(gòu)薄弱，各種一次能源的分布與負荷的密度極不均勻，且電源遠離負荷中心，裝機容量與輸電跨度比小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到嚴重挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)中儲能容量僅占總裝機容量的1.7%左右，遠沒有達到合理水平，且尚未建立用于瞬態(tài)電能質(zhì)量管理和電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)/補償?shù)目焖俅笕萘績δ芟到y(tǒng)，只能依靠繼電保護和安全自動裝置切機，被動達到穩(wěn)定，因此，很難從根本上避免大面積停電事故。近20年來，我國由于系統(tǒng)失穩(wěn)造成的大停電事故已達140余起，每次損失數(shù)千萬元乃至數(shù)億元。因此，迫切需要建立起以多點儲能裝置支撐的系統(tǒng)，有效地支持電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和頻率，消除由于電網(wǎng)互聯(lián)和負荷突變而形成的區(qū)域振蕩，實現(xiàn)輸/配電系統(tǒng)的動態(tài)管理和電能質(zhì)量管理，提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

（2）加強區(qū)域電網(wǎng)峰谷負荷的自調(diào)節(jié)性。

電力負荷存在白天高峰和夜間低谷的周期性變化，負荷峰谷差往往達到發(fā)電出力的30%~40%，近年來存在迅速遞增的趨勢，如夏季空調(diào)制冷負荷就已接近華中、川渝電力負荷的1/3，華東達28.7%，京津唐達28.9%。電網(wǎng)峰谷差給發(fā)電和電力調(diào)度造成困難。因缺乏調(diào)峰電源，許多省、區(qū)高峰時段不得不拉閘限電。建立既經(jīng)濟又反應(yīng)快速的調(diào)峰電站和大規(guī)模儲能系統(tǒng)，以便將低谷電能轉(zhuǎn)化為高峰電能，是實現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負荷調(diào)節(jié)的有效途徑，也是推動電力工業(yè)市場化的前提。

（3）提高輸變電能力，解決跨區(qū)域供需矛盾。

我國經(jīng)濟社會發(fā)展對能源的依賴性較高，2001年終端用戶能源消費支出1.25萬億元，占GDP總量的13%，而美國僅為7%。盡管核電技術(shù)已經(jīng)引進，全國聯(lián)網(wǎng)格局基本形成，但電力供需地域性矛盾依然嚴峻，京津唐、長江三角洲和珠江三角洲三大負荷地區(qū)現(xiàn)有的電力并不能滿足實時需要，據(jù)2005年統(tǒng)計，全國缺電量高達30GW。在增加發(fā)電容量的同時，充分利用儲能系統(tǒng)、最大限度地提高現(xiàn)有設(shè)備輸變電能力、經(jīng)濟高效地利用電能是解決問題的根本所在。

（4）增加供電可靠性，改善用戶電能質(zhì)量。

在電力系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)事故和電網(wǎng)崩潰時，為防止醫(yī)院、消防、通信、銀行等重要負荷區(qū)電力中斷，儲能設(shè)備將充當(dāng)UPS/EPS提供動力，可為電網(wǎng)恢復(fù)爭取時間，避免損失擴大。同時，可以與電力電子變流技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無功控制，快速平衡系統(tǒng)中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率，減小擾動對電網(wǎng)的沖擊，改善用戶電能質(zhì)量。

（5）滿足可再生能源系統(tǒng)的需要。

我國風(fēng)電裝機容量為764MW，2020年時將達到30GW，而光伏發(fā)電將達到1GW，可再生能源在我國未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點，并網(wǎng)容量和電網(wǎng)容量相比較小時對系統(tǒng)沖擊不大，利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)能夠保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。當(dāng)風(fēng)電、光電容量所占比例超過10%后，對局部電網(wǎng)將產(chǎn)生明顯沖擊，嚴重時會引發(fā)大規(guī)模惡性事故。因此，研發(fā)高效儲能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。

圖1顯示了各種儲能技術(shù)的功率等級及其目前的技術(shù)成熟度，具體方式的選擇需考慮實際用途、額定功率、橋接時間、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成本、環(huán)境條件等多種因素。針對我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)實需要，并從國家發(fā)展戰(zhàn)略、國家中長期科技規(guī)劃和城市電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展大計綜合考慮，2007年國家電網(wǎng)公司提出了能源轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究—儲能關(guān)鍵技術(shù)研究框架，并進行了周密部署，十一五期間將以電力儲能技術(shù)前期研究和共性問題研究為基礎(chǔ)，以先進儲能裝置和電網(wǎng)接入系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究為主攻方向，以示范工程為成果展示平臺，以前瞻性研究為儲能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動力，通過自主創(chuàng)新掌握電力儲能系統(tǒng)的核心技術(shù)，并推動實際工程的應(yīng)用。

國內(nèi)電力儲能技術(shù)的應(yīng)用、研究與開發(fā)表現(xiàn)出以下3個特征：

（1）以可再生能源系統(tǒng)應(yīng)用為切入點，開發(fā)100kW級全釩液流和MW級鈉流電池儲能系統(tǒng)，逐步替代鉛酸電池系統(tǒng)，為區(qū)域電網(wǎng)平滑負荷、提高配電網(wǎng)供電可靠性、UPS等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

由于全釩液流電池正、負極活性物質(zhì)均為釩，只是價態(tài)不同，可以避免正、負極活性物質(zhì)通過離子交換膜擴散造成的元素交叉污染，成本低、壽命長，已成為液流電池體系中主要的商用化發(fā)展方向之一。自1995年起，我國就開始了全釩液流電池的研究，已成功開發(fā)出10kW級儲能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大于80%，最大輸出功率超過25kW，并建立了電池實驗室模型，在電極設(shè)計、溶液制備、濃度控制、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、公用管道設(shè)計、電池組裝配和調(diào)試等方面積累了豐富經(jīng)驗，國產(chǎn)化全氟磺酸離子膜有望取代進口離子膜材料，這為自主研發(fā)大容量儲能系統(tǒng)奠定了條件。2008年，中國電力科學(xué)研究院將研發(fā)用于風(fēng)電場的100kW級儲能系統(tǒng)，并考核其運行的可靠性和耐久性。

鈉流電池能量密度高，維持300ºC左右運行溫度的技術(shù)難題已得到解決，但目前價格較高，推廣應(yīng)用主要障礙源于國外企業(yè)的技術(shù)壟斷。通過國產(chǎn)化來降低成本，實現(xiàn)大容量儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，成本將接近鉛酸電池系統(tǒng)。目前，上海電力公司正著手50kW~1MW不同容量等級鈉硫電池系統(tǒng)的研制，用于UPS/EPS，力圖掌握大尺寸電解質(zhì)陶瓷管等核心部件制備技術(shù)，建立標(biāo)準和規(guī)范，并實現(xiàn)模塊化、規(guī)模化生產(chǎn)。

（2）以液氮溫區(qū)運行SMES研究為重點，開發(fā)分布式儲能系統(tǒng)，提高我國大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制低頻振蕩，增加高壓線路的輸電能力。

在大電網(wǎng)互聯(lián)的模式下，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動時，同步發(fā)電機并不總是能夠足夠快地響應(yīng)擾動以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定。SMES的ms級響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞決定了其在提高大電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性方面是無可替代的：SMES在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動對電網(wǎng)的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，抑制同步振蕩和諧振，并在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

在九五和十五期間，我國已先后研制成功25kJ~1MJSMES系統(tǒng)，目前1MJSMES正處于并網(wǎng)調(diào)試中，但低溫超導(dǎo)SMES制冷系統(tǒng)較復(fù)雜，技術(shù)要求高，而鉍系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機冷卻，穩(wěn)定裕度低。為進一步改善SMES性能、降低成本并提高其經(jīng)濟性，中國電力科學(xué)研究院正在分階段、有重點地開展第二代高溫超導(dǎo)帶材——釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7)涂層導(dǎo)體SMES儲能單元構(gòu)造、低損耗快速功率變換及其控制策略、模塊化系統(tǒng)集成、動態(tài)建模與仿真、分布式儲能系統(tǒng)規(guī)劃及其與電網(wǎng)匹配運行等關(guān)鍵技術(shù)的探索性研究，通過示范推動SMES的實際應(yīng)用，確保大電網(wǎng)的安全、可靠運行。

（3）加快建設(shè)GW級抽水蓄能混合式電站，滿足大電網(wǎng)調(diào)峰和緊急事故備用的現(xiàn)實需要。

為了優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，保證電網(wǎng)安全，改善電能質(zhì)量，我國抽水蓄能電站的建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計工作正在全國范圍內(nèi)蓬勃展開。抽水蓄能電站的運行正逐漸向雙日或周季調(diào)節(jié)過渡，并通過技術(shù)創(chuàng)新提高轉(zhuǎn)換效率、增加運行靈活性。為提高經(jīng)濟效益，潘家口、響洪甸、佛磨、雙溝和天堂等電站融水利、水電、抽水蓄能于一體，選擇混合模式開發(fā)實現(xiàn)電站的新建和擴建，促進了社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展、環(huán)境保護和資源的節(jié)約利用。

5結(jié)束語

電力儲能技術(shù)正朝著轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化和應(yīng)用低成本化方向發(fā)展，通過試驗示范和實際運行日趨成熟，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮出調(diào)峰、電壓補償、頻率調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量管理等重要作用，確保了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運行。基于我國能源分布特點，國家電網(wǎng)已基本形成西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的格局。為確保大電網(wǎng)的安全性和可靠性、加強區(qū)域電網(wǎng)峰谷負荷的自調(diào)節(jié)性、提高輸變電能力、解決跨區(qū)域供需矛盾、增加供電可靠性、改善用戶電能質(zhì)量并滿足可再生能源系統(tǒng)的需要，將以開發(fā)100kW級全釩液流、鈉流電池儲能系統(tǒng)和液氮溫區(qū)運行SMES為重點，加快建設(shè)10GW級抽水蓄能混合式電站，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化配置和電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。