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user: 4. 电网中的储能技术需求及发展现状 作为新兴产业，全球储能项目在电力系统的装机容量已从2008年的不足100 MW发展到2013年的726.7 MW (不包含抽水蓄能、压缩空气储能及储热)，年复合增长率(CAGR)达到193% [ 5 ] 。根据能量存储方式的不同，储能方式分为机械、电磁、电化学和相变储能四大类型。其中机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能；电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能；相变储能包括熔融盐和冰蓄冷储能等。各种储能技术在能量和功率密度等方面有着明显区别，能量型储能装置因其能量密度高、充放电时间较长，主要用于平滑低频输出分量；功率型储能装置因功率密度大、响应快，主要用于平滑高频输出分量[ 6 ] 。表2比较了不同应用场合对储能装置的技术要求。 抽水储能(Pumped Hydroelectric Storage， PHS)是在电力系统中应用最为广泛的一种成熟的储能方式，其主要应用领域包括削峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率。目前，抽水蓄能电站的设计规划已形成规范，PHS 机组发展方向是高水头、大容量机组设备制造技术、以及提高机组的智能化水平。 压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage， CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂，建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，其安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制，未来发展主要是探索适宜建设压缩空气储能电站的地理资源。新近提出的先进绝热AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage)将不使用化石燃料，并利用热储能循环提高整体效率。使用地上储气设施的小型CAES 正在快速发展，此类系统可用于备用电源，孤立地区微电网等。 飞轮储能(Flywheel Energy Storage， FES)主要用于短时间大功率放电和电力调峰的场合。由于自放电率高的制约因素，低速FES主要用于短期储能。由于使用真空和悬浮技术，高速FES自放电情况得到有效了改善。FES 技术的主要研究方向为转子材料的研究以进一步提高飞轮转速和能量密度，高速电机的研发以提高循环效率、高承载力轴承的开发以及飞轮阵列技术等。 超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES)是将通过变流器进入线圈的电能转换为磁能进行储存的一种储能技术，功率输送时无需能源形式的转换，响应速度快(ms级)，转换和循环效率高，具有较大的功率密度和比容量，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。其主要制约因素为超导体材料和维护超导磁储能低温环境的费用很昂贵，因此微型和中小型SMES系统对于输配电等智能电网的应用更加经济可行。SMES的发展重点在于基于高温超导涂层导体研发、适于液氮温区运行的 Table 1 The recommended limit for active power change of wind far 风电场装机容量/MW 10 min最大有功功率变化限值/MW 1 min最大有功功率变化限值/MW <30 10 3 30~150 装机容量/3 装机容量/10 >150 50 15 表1. 风电场有功功率变化限值推荐表 Table 2 The typical energy storage technologies for electric power application 储能类型 典型额定功率 持续时间 效率 优势 劣势 应用场合 机 械 储 能 抽水蓄能 100~5000 MW 4~10 h 70%~85% 大功率、大容量、低成本 受地理条件限制、 建设周期长 辅助削峰填谷、 调频、黑启动和备用电源 压缩空气储能 100~300 MW 6~20 h 40%~50% 大功率、大容量、低成本 受地理条件限制 备用电源、黑启动等 微型压缩 空气储能 10~50 MW 1~40 h - 低成本 受地理条件限制 调峰 飞轮储能 5 kW~10 MW 15 s~30 min 80%~90% 高功率密度、 快速响应、长寿命 低能量密度、 自放电率高 提高电力系统稳定性、不间断/应急电源(UPS/EPS)系统、电能质量等 电 磁 储 能 超导储能 10 kW~20 MW 1 ms~15 min 80%~95% 响应速度快、功率密度大 低能量密度、 高制造成本 电能质量管理、 提高系统稳定性和可靠性 超级电容器 10 kW~1 MW 1 s~1 min 70%~80% 高能量转换效率、 长寿命、高功率密度 低能量密度、 价格高 短时电能质量调节、平滑可再生能源功率输出等 电 化 学 储 能 铅酸电池 1 kW~50MW 1 min~3 h 60%~70% 价格低、可靠性好、 安全稳定性 功率密度低、 能量密度低、 循环寿命短 电能质量控制、备用电源、黑启动和UPS/EPS 锂离子电池 100 kW~100 MW 数小时 70%~80% 大容量、高能量密度、 高功率密度、 高能量转换效率 成本、安全性、循环寿命及规模化 平滑可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、电能质量调节等 全钒液流电池 5 kW~100 MW 1~20 h 65%~80% 容量和功率相互独立、 长寿命、可100%深度放电 低能量密度、效率不高 辅助削峰填谷、平滑 可再生能源功率输出等 钠硫电池 100 kW~100 MW 1~20 h 70%~80% 大容量、高能量密度、 高能量转换效率 安全因素、运行维护费用高 平滑分布式、可再生能源功率输出、辅助削峰填谷等 表2. 应用于电力系统的典型储能技术比较 MJ级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本。 超级电容器具有循环效率较高、充放电速度快、功率密度高、循环充放电次数多、工作温度范围宽等特点，其制约因素包括能量密度低、自放电率较高、成本较高等，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。超级电容的研究方向包括复合电极材料和电解液材料技术、提高超级电容的能量密度和功率密度、电压均衡技术等。 电化学储能(Battery Energy Storage， BES)是通过化学反应将化学能和电能进行相互转换的储能方式，蓄电池是能量转换的主要载体。根据储能技术特点、技术成熟度及其产业化程度，现阶段电池储能系统是一种比较适合电力系统应用的储能电源，具有模块化、响应快、商业化程度高、系统安装灵活、建设周期短的特征[ 7 ] 。不同的电池类型有各自的特点，这就为大规模储能应用的不同需求提供了多样化的选择。铅酸电池在电力系统正常运行时为断路器提供合闸电源，在发电厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用，在目前备用电源领域应用规模最大。其主要制约因素是较低的比能量和比功率，如何提高循环次数以及废旧电池的处理。此外，超级铅酸电池作为新技术(典型代表有铅碳电池)，比传统铅酸蓄电池功率可提高20%~50%，寿命可延长2~3倍，可用于混合动力汽车、太阳能/风能发电等领域。 钠硫电池是另一种可应用于电网的重要电池储能技术，钠硫电池系统在电力系统和负荷侧已进行了成功地应用，用于平滑可再生能源发电功率输出、削峰填谷、应急电源等领域。钠硫电池比能量高，效率高，几乎无自放电，深度放电性能好，便于模块化制造、运输和安装，建设周期短，可根据用途和建设规模分期安装，很适用于城市电网大容量储能调峰。其制约因素包括较高的维护费用和安全问题等，另外，钠硫电池是工作在 300 ℃ 附近的高温电池，钠、硫离子的腐蚀性对电池结构及材料都提出了较高的要求。由于钠资源丰富和容易实现低成本生产，室温钠离子储能电池的研究开始受到人们的广泛关注。 液流电池电化学极化小，能够100%深度放电，储存寿命长，额定功率和容量相互独立，可以通过增加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池容量的目的，并可根据设置场所的情况自由设计储藏形式及随意选择形状，适用于大容量储能应用[ 8 ] 。全钒液流电池是较为成熟的一种液流电池技术，在全球已有较多的示范工程。根据全钒电池运行特性，其应用领域多涉及辅助调峰、平滑风电和光伏系统输出功率、边远地区供电、工厂及办公楼供电、不间断电源等场合。全钒液流电池在电力系统的发展方向涉及风能/光伏发电相配套的储能系统，如何提高比容量和转换效率，以及降低成本等。 近年来，锂离子电池各项关键技术的突破以及资源和环保方面的优势，使得锂离子电池产业发展速度极快，在新能源汽车、新能源发电、智能电网、国防军工等领域的应用越来越受到关注，目前美国、日本、中国等国家均已建成兆瓦级锂离子电池储能应用示范项目。大规模锂离子电池可用于改善可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、调节电能质量以及用作备用电源等。锂离子电池已经拥有很多种类，其单体工作电压也有所区别(大约3 V~4.2 V)，当前已趋于成熟的小型锂离子电池产业多服务于小型电器、电动工具以及电动交通工具。其中磷酸铁锂电池具有价格相对低和安全性能高的特点，已经开始在电动汽车及电力储能系统中示范运行。由于工艺和环境温度差异等因素的影响，储能电池(组)系统指标往往达不到单体水平，使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍。规模化储能型锂离子电池的研发规模离产业化还有一定距离，大容量集成的技术难题尚有待验证，正逐渐成为当前电池产业领域关注的焦点。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能将具有良好的应用前景。锂电池的发展方向为研发新型锂离子电池、开发高性能和全新结构材料等，降低投资成本，提高电池的循环寿命和安全性。 在超高容量大规模储能技术中，抽水蓄能和压缩空气技术相对成熟，适合100 MW以上级别储能系统。钠硫电池、钒电池、锂电池、铅酸电池和飞轮储能已经开始运用于兆瓦级别的项目中，从技术分类上看，钠硫电池的装机比重最大(为46%)，铅酸电池技术为覆盖功率范围最宽、技术成熟度最高的储能技术，而锂离子电池则是应用领域最广的储能技术。从应用分类上看，储能技术较多地应用于风电场、光伏电站及分布式发电和微网领域。为适应智能电网的发展，除抽水蓄能外，还应大力发展布置灵活的电池储能技术，如锂离子电池、钠硫电池、液流电池以及超级电容器等[ 9 ] 。