許守平，李相俊，惠東

（中國電力科學研究院，北京 100192）

儲能技術是智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微網(wǎng)系統(tǒng)及電動汽車發(fā)展必不可少的支撐技術之一，不但可以有效地實現(xiàn)需求側管理、消除峰谷差、平滑負荷，而且可以提高電力設備運行效率、降低供電成本，還可以作為促進可再生能源應用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和可靠性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段，此外儲能技術還可以協(xié)助系統(tǒng)在災變事故后重新啟動與快速恢復，提高系統(tǒng)的自愈能力[1-4]。近年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國重視，世界各國都投入了大量的人力、物力進行了很多的應用研究。特別是隨著智能電網(wǎng)的構建，儲能技術更是發(fā)展迅猛，已從小容量小規(guī)模的研究和應用發(fā)展為大容量與規(guī)模化儲能系統(tǒng)的研究和應用。到目前為止，人們已經(jīng)探索和開發(fā)了多種形式的電能存儲方式，主要可分為機械儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。機械儲能方式主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；化學儲能方式主要有鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等；電磁儲能方式有超導儲能、超級電容儲能和高能密度電容儲能等[5-9]。

1 機械儲能

機械儲能是指將電能轉換為機械能存儲，在需要使用時再重新轉換為電能，主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。

1.1 抽水蓄能

目前，全世界共有超過90 GW的抽水儲能機組投入運行。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的高峰期。抽水蓄能機組在一個國家總裝機容量中所占比重的世界平均水平為3%左右，部分國家超過10%，其中法國占18.7%，奧地利達到16.3%，瑞士12%，意大利11%，日本達10%。從技術水平看，日本最為先進。

和歐美日發(fā)達國家相比，我國抽水蓄能電站建設起步較晚，20世紀90年代開始才進入開始發(fā)展期，興建了廣州抽蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等一批大型抽水蓄能電站[10]。到目前為止，我國抽水蓄能電站裝機容量約5.7 GW，占全國裝機容量的2.6%左右，主要分布在華北、華東和華南地區(qū)，總裝機規(guī)模為13 620 MW。

1.2 壓縮空氣儲能

目前，全世界僅有3座大型空氣壓縮儲能系統(tǒng)和數(shù)個小型示范系統(tǒng)，并沒有得到大規(guī)模推廣應用。第一座位于德國的Huntorf，于1978開始運轉運行，主要作為緊急備用電源和系統(tǒng)調峰使用，系統(tǒng)容量為290 MW×2 h，空氣儲槽容量為310 000 m3，深度達600 m；第二座位于美國的阿拉巴馬州McIntosh，建造于1991年，系統(tǒng)額定容量為110 MW×26 h，主要用于調節(jié)系統(tǒng)峰值電力，空氣儲槽容量超過500 000 m3，深度高達450 m。第三座位于日本的Sunagawa，建于1997年，裝機容量為35 MW×6 h。在國內(nèi)，對于壓縮空氣儲能技術，華北電力大學、西安交通大學、華東科技大學等開展了相關研究工作，但主要還是集中在理論研究和小型實驗層面，并沒有應用的實例。

1.3 飛輪儲能

目前，國外已有公司和研究機構嘗試將飛輪儲能引入風力發(fā)電。其中，德國Piller公司的飛輪儲能具備在15 s內(nèi)提供1.65 MW電力的能力；美國Beacon Power公司的20 MW飛輪儲能系統(tǒng)已在紐約州Stephen Town開建，主要用來配合當?shù)仫L場進行發(fā)電，建成后可以滿足紐約州10%的儲能需要，可以對當?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的進行調頻，改善電能質量。

在國內(nèi)，早在20世紀80年代初期，中國科學院電工研究所和清華大學就開始了飛輪儲能系統(tǒng)的探索，但之后國內(nèi)沒有開展實質性的研究工作。直到20世紀90年代中期，在國外技術進步的影響下，國內(nèi)的飛輪儲能技術研發(fā)才逐步興起[11]。2008年，中國電科院電力電子所在北京306醫(yī)院安裝了一臺容量為250 kW，磁懸浮軸承，能運行15 s的飛輪儲能裝置，可與備用的柴油發(fā)電機相互配合，這是飛輪儲能首次在中國配電系統(tǒng)中安裝使用，但與國外技術水平仍有差距。

2 化學儲能

通過發(fā)生化學反應來儲存或者釋放電能量的過程即為化學儲能[12]?；瘜W儲能的實質就是化學物質發(fā)生化學反應，且反應是可逆的。根據(jù)化學物質的不同可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。

2.1 鉛酸電池

在用作儲能電源方面，近年來，世界各地已經(jīng)建立了許多基于鉛酸電池的儲能系統(tǒng)，國外基于鉛酸電池的大型儲能系統(tǒng)如表1所示。

目前中國鉛酸電池產(chǎn)量超過世界電池產(chǎn)量的1/3，成為世界電池的主要生產(chǎn)地，生產(chǎn)研發(fā)技術與國際先進水平差距已不明顯。國內(nèi)基于鉛酸電池的大型儲能電站很少，典型的有中國電科院電工所于2012年在河北省張北縣國家風電檢測中心建立的儲能實驗室，包含有100 kW×6 h的鉛酸電池儲能系統(tǒng)，主要功能是跟蹤風電計劃出力，削峰填谷，改善電能質量；浙江溫州市洞頭縣鹿西島并網(wǎng)型微網(wǎng)示范工程中的2 MW×2 h鉛酸電池儲能系統(tǒng)，主要功能是改善電網(wǎng)質量，提高電網(wǎng)可靠性。

2.2 液流電池

液流電池（Flow Redox Battery）主要包括鋅溴液流電池，多硫化鈉/溴液流電池和全釩液流電池[13]等。

國內(nèi)外大型液流電池儲能系統(tǒng)如表2所示。

2.3 鈉硫電池

目前運行的鈉硫電池儲能站大多用于電力平衡，其應用覆蓋了商業(yè)、工業(yè)、電力、水處理等各個行業(yè)。此外，鈉硫電池儲能站還被應用于風力發(fā)電的儲能，對風力發(fā)電的輸出進行穩(wěn)定。如在日本的六村所，一座34 MW的鈉硫電池儲能系統(tǒng)與51 MW的風力發(fā)電系統(tǒng)配套，保證了風力發(fā)電輸出的安全平穩(wěn)。近年來，日本已將鈉硫電池推廣到美國、歐洲和中東。美國從2002年9月開始運行第一個100 kW試驗站，2006年在西維吉尼亞州的Chemical電站開始運行第一個1.2 MW/7.2 MW·h儲能示范站，主要用于削峰填谷，延緩輸變電設備的更新升級，提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率。2008年，NGK公司在美國明尼蘇達州Luverne投資興建了一座1 MW/7 MW·h的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，用于對當?shù)?1 MW風電場的電壓支持，爬坡控制和調頻。目前，美國已投運的鈉硫電池容量達到9 MW，還將有9 MW于近期投運。2009年，NGK公司還與法國EDF公司簽署為期5年的購貨合同，提供150 MW的鈉硫電池系統(tǒng)。

表1 國外大型鉛酸電池儲能系統(tǒng)一覽表Tab.1 A list of large-scale lead-acid battery energy storage systems outside China

我國的鈉硫電池研究起步與國際同步，開始是針對電動汽車應用，90年代末被迫中止。2005年9月，上海市電力公司與上海硅酸鹽所聯(lián)合對儲能鈉硫電池開展調研，于2006年8月21日，雙方簽訂正式合作協(xié)議共同投資開發(fā)儲能鈉硫電池。2007年1月2日，第一只容量達到650 Ah的單體鈉硫電池制備成功，在同年5月開展鈉硫電池工程化技術研究，同時成立上海鈉硫電池研制基地，實行準公司化運行。2010年4月，在上海漕溪能源轉換綜合展示基地建成國內(nèi)第一座100 kW/800 kW·h的鈉硫儲能電站，主要作為示范研究，為后續(xù)大規(guī)?；剿鹘?jīng)驗[14]。

總的說來，從國際形勢看，日本NGK在鈉硫電池研發(fā)、生產(chǎn)、商業(yè)運營和工程應用上取得了巨大的成功。從國內(nèi)形勢看，我國已在大容量鈉硫電池關鍵技術和小批量制備上取得了突破，但在生產(chǎn)工藝、重大裝備、成本控制和滿足市場需求等方面仍存在明顯不足，離真正的產(chǎn)業(yè)化還有一段較長的路要走。

2.4 鋰離子電池

鋰離子電池因為具有儲能密度高、儲能效率高、自放電小、適應性強、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，得到了快速發(fā)展。近年來，隨著鋰離子電池制造技術的完善和成本的不斷降低，許多國家已經(jīng)將鋰離子電池用于儲能系統(tǒng)，其研究也從電池本體及小容量電池儲能系統(tǒng)逐步發(fā)展到應用于大規(guī)模電池儲能電站的建設應用。國內(nèi)外基于鋰離子電池的大型儲能系統(tǒng)如表3所示。

2.5 其他電池

除了上述電池，國內(nèi)外上對其他化學儲能也進行了相關研究，并取得了很大的進展。

早在2003年，法國Saft公司就在美國美國阿拉斯加州Fairbanks建設了一座儲能規(guī)模為27 MW的鎳鎘電池儲能系統(tǒng)，主要用于對當?shù)仉娏ο到y(tǒng)提供無功補償，進而改善電能質量，提高供電穩(wěn)定性。2008年，中國第一座以春蘭高能動力鎳氫電池為儲能系統(tǒng)的100 kW國家電網(wǎng)上海儲能電站，成功實現(xiàn)商業(yè)運營，并投入上海世博會使用。該儲能電站可將晚上電網(wǎng)上多余的電能儲存，為白天用電高峰時供電，實現(xiàn)削峰填谷，而且還可以調壓調頻、穩(wěn)定電網(wǎng)。

表2 國內(nèi)外大型液流電池儲能系統(tǒng)一覽表Tab.2 A list of flow redox battery energy storage systems in the world

2012年，美國Aquion Energy公司宣布在賓夕法尼亞州的Pittsburgh建設一座鈉離子電池儲能系統(tǒng)，儲能規(guī)模為14 kW×4 h，主要用于電能管理、當?shù)仉妷褐?、可再生能源的調頻和削峰填谷，改善當?shù)仉娔苜|量。這是目前為止，鈉離子電池用于儲能系統(tǒng)示范電站的首次嘗試。

2012年，加拿大Hydrogenics公司宣布與德國意昂集團合作做，贏得了歐洲的一個氫儲能項目，為德國北部Falkenhagen小鎮(zhèn)提供2 MW的氫儲能設備，該設備主要由一個350 bar的電化學壓縮機、30 Nm3PEM電解系統(tǒng)、90 kW燃料電池組成，將展示和驗證將可再生能源發(fā)電與加氫設施連接后的氫儲能系統(tǒng)在技術和經(jīng)濟上的可行性，增加可再生能源發(fā)電量，促進電網(wǎng)的平衡。

2012年，澳大利亞Ecoult公司在美國西賓夕法尼亞州Lyon Station建立的一座超級電池儲能系統(tǒng)投入運行，該系統(tǒng)的儲能規(guī)模為3 MW×15 min，主要用于對當?shù)仉娋W(wǎng)進行頻率調節(jié)與出力爬坡控制，改善電能質量，提高供電可靠性。

表3 國內(nèi)外大型鋰離子電池儲能系統(tǒng)一覽表Tab.3 A list of large-scale lithium ion battery energy storage systems in the world

3 電磁儲能

電磁儲能包括超導儲能、超級電容儲能和高能密度電容儲能。

3.1 超導儲能

20世紀90年代以來，超導儲能在提高電能質量方面的功能被高度重視并得到積極開發(fā)，美國、德國、意大利、韓國等都開展了MJ級的SMES的研發(fā)工作，并將研制的裝置投入了實際電力系統(tǒng)試運行。在我國，中國科學院電工研究所、清華大學、華中科技大學等單位開展了超導磁儲能系統(tǒng)的研究工作[15]。國內(nèi)外超導儲能系統(tǒng)如表4所示。

3.2 超級電容儲能

各發(fā)達國家都把超級電容器的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目[16]。1996年歐洲共同體制定了超級電容器的發(fā)展計劃，日本“新陽光計劃”中列出了超級電容器的研制，美國能源部及國防部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃。2005年美國加利福尼亞建造了一臺450 kW超級電容器儲能裝置，用以減小950 kW風力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動[13]。在新加坡，ABB公司利用超級電容器儲能的DVR裝置安裝在4 MW的半導體工廠，該裝置可以實現(xiàn)160 ms的低電壓跨越。2011年，西門子公司已成功開發(fā)出儲能量達到21 MJ/5.7 Wh、最大功率1 MW的超級電容器儲能系統(tǒng)，并成功安裝在德國科隆市750 V直流地鐵配電網(wǎng)中，儲能效率為95%。目前，美國計劃在紐約的Malverne建設一座容量為2 MW的超級電容器儲能電站，2013年建成運行，主要功能是為當?shù)仉娏ο到y(tǒng)提供電壓支撐。

表4 國內(nèi)外超導儲能系統(tǒng)一覽表Tab.4 A list of superconducting magnetic energy storage systems in the world

我國也很重視對超級電容器的研究。浙江大學，華北電力大學等有關課題組將超級電容器儲能系統(tǒng)應用到分布式系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，通過逆變器控制單元，可以調節(jié)儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡輸送的無功以及有功的大小，從而達到提高電能質量的目的。2005年，由中國科學院電工所承擔的863項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關鍵技術研究”通過專家驗收，該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300 Wh/1 kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)[17]。

4 相變儲能

相變儲能是利用某些物質在其物相變化過程中，可以與外界進行能量交換，能達到能量交換與能量控制的目的。根據(jù)相變的形式，相變儲能材料的不同基本上可分為固-固相變、固-液相變、液-氣相變和固-氣相變等，從材料的化學組成來看，又可分為無機材料相變、有機材料相變和混合材料相變等。相變儲能是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術，常用于緩解能量供求雙方在時間、強度及地點上不匹配的有效方式，在可再生能源的利用、電力系統(tǒng)的移峰填谷、廢熱和余熱的回收利用，以及工業(yè)與民用建筑和空調的節(jié)能等領域具有廣泛的應用前景，目前已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點[18-19]。在國外，相變儲能的利用方式主要是冰儲冷方式，特別是在美國已經(jīng)建立了示范工程，主要用于能量管理，改善電能質量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。在國內(nèi)，相變儲能的研究主要集中于相變材料上，真正的示范儲能站還沒有。

5 結論

通過對各種儲能技術形式在當前國內(nèi)外的實際應用進行總結，可以看到，電化學儲能因為具有轉換效率高、能量高密度化和應用低成本化等優(yōu)點，正在成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)應用和示范的主要形式，在全球范圍內(nèi)已有不少的實際工程項目，成功應用于電力系統(tǒng)的各個領域。但電力系統(tǒng)的復雜環(huán)境使得單一的儲能技術很難滿足所有的要求，目前還沒有哪一種儲能技術能同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環(huán)境特性以及成本性能等大規(guī)模應用的條件，在電力系統(tǒng)實際應用中，必須根據(jù)實際要求，將不同的儲能技術結合使用，充分發(fā)揮各種儲能技術的特點，使其優(yōu)勢互補，從而提高儲能系統(tǒng)的靈活實用性和技術經(jīng)濟性。因此，未來大規(guī)模多類型混合儲能系統(tǒng)有望在電網(wǎng)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術，2008，32（7）:1-9.ZHANGWen-liang，QIU Ming，LAI Xiao-kang.Application of energy storage technologies in power grids[J].Power System Technology，2008，32（7）:1-9（in Chinese）.

[2]程時杰.大規(guī)模儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（1）:3-8.CHENG Shi-jie.An analysis of prospects for application of large-scale energy storage technology in power systems[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）:3-8（in Chinese）.

[3]LI Xiang-jun，HUI Dong，LAI Xiao-kang.Battery energy storage station（BESS）-based smoothing control of photovoltaic（PV） and wind power generation fluctuations[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4（2）:1-10.

[4] 程時杰，李剛，孫海順，等.儲能技術在電氣工程領域中的應用與展望[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（2）:1-8.CHEN Shi-jie，LI Gang，SUN Hai-sun，et al.Application and prospect of energy storage in electrical engineering[J].Power System and Clean Energy，2009，25（2）:1-8（in Chinese）.

[5] LIXiang-jun，HUIDong，XUMing，et al.Integration and energy managementof large-scale lithium-ion battery energy storage station[C].IEEE The 15th International Conference on Electrical Machines and Systems（ICEMS’2012），2012:1-6.

[6] 俞恩科，陳梁金.大規(guī)模電力儲能技術的特性與比較[J].浙江電力，2011，35（12）:4-8.YUEn-ke，CHEN Liang-jin.Characteristics and comparison of large-scale electric energy storage technologies[J].Zhejiang Electric Power，2011，35（12）:4-8（in Chinese）.

[7] 董曉文，何維國，蔣心澤，等.電力電池儲能系統(tǒng)應用于展望[J].供用電，2011，28（1）：5-7.DONG Xiao-wen，HE Wei-guo，JIANG Xin-ze，et al.Application and prospect of energy storage system in power grid[J].Distribution&Utilization，2011，28（1）：5-7（in Chinese）.

[8] 駱妮，李建林.儲能技術在電力系統(tǒng)中的研究進展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（2）:71-79.LUO Ni，LI Jian-lin.Research progress of energy storage technology in power system[J].Power System and Clean Energy，2012，28（2）:71-79（in Chinese）.

[9] 倪政旦，樊利.風電并網(wǎng)中新型儲能系統(tǒng)建模分析[J].陜西電力，2012，40（6）:28-30.NI Zheng-dan，F(xiàn)AN Li.Modeling and analysis of energy storage system of wind power integration[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（6）:28-30（in Chinese）.

[10]曹明良.抽水蓄能電站在我國電力工業(yè)發(fā)展中的重要作用[J].水電能源科學，2009，27（2）：212-214.CAO Ming-liang.Important role of pumped storage power station in power system development of China[J].Water Resourcesand Power，2009，27（2）：212-214（in Chinese）.

[11]李德海，衛(wèi)海崗，戴興建.飛輪儲能技術原理、應用及其研究進展[J].機械工程師，2002（4）：5-7.LI De-hai，WEI Hai-gang，DAI Xing-jian.The principle application and progress of the technology of flywheel energy storage[J].Mechanical Engineer，2002（4）：5-7（in Chinese）.

[12]甄曉亞，尹忠東，孫舟.先進儲能技術在智能電網(wǎng)中的應用和展望[J].電氣時代，2011（1）：44-47.ZHENXiao-ya，YINZhong-dong，SUNZhou.Applications and prospects of advanced energy storage technologies in the smart grid[J].Electric Age，2011（1）：44-47（in Chinese）.

[13]張華民，周漢濤，趙平，等.儲能技術的研究開發(fā)現(xiàn)狀及展望[J].能源工程，2005（3）：1-7.ZHANG Hua-min，ZHOU Han-tao，ZHAO Ping，et al.Actuality and prospect of energy storage technologies[J].Energy Engineering，2005（3）：1-7（in Chinese）.

[14]溫兆銀，俞國勤，顧中華，等.中國鈉硫電池技術的發(fā)展與現(xiàn)狀概述[J].供用電，2010，27（6）：25-28.WENZhao-yin，YU Guo-qin，GU Zhong-hua，et al.Development and summary of sodium-sulfur battery technology in China[J].Distribution&Utilization，2010，27（6）：25-28（in Chinese）.

[15]曹彬，蔣曉華.超導儲能在改善電能質量方面的應用[J].科技導報，2008，26（1）：47-52.CAO Bin，JIANG Xiao-hua.Application of SMES to improve power quality[J].Science and Technology Review，2008，26（1）：47-52（in Chinese）.

[16]張國駒，唐西勝，齊智平.超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（12）：85-89.ZHANGGuo-ju，TANG Xi-sheng，QI Zhi-ping.Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a microgrid[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（12）:85-89（in Chinese）.

[17]李樂，黃偉，馬雪玲.超級電容器儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應用[J].陜西電力，2010，38（8）:12-16.LI Le，HUANG Wei，MA Xue-ling.Application of super capacitor energy storage in micro-grid[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（8）:12-16（in Chinese）.

[18]尚燕，張雄.新型相變儲能技術的應用與發(fā)展[J].節(jié)能技術，2006，34（2）：21-26.SHANGYan，ZHANGXiong.Application and development on the technology of phase change energy storage[J].Energy-saving Technology，2006，34（2）：21-26（in Chinese）.

[19]陳慧斌，沈學忠.電力調峰和相變儲能技術[J].陜西電力，2006，34（5）：50-52.CHEN Hui-bin，SHEN Xue-zhong.Application of phase change energy storage technology in peak load shifting of electric power[J].Shaanxi Electric Power，2006，34（5）:50-52（in Chinese）.