王一飛，楊 飛，徐 川

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州221000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

0 引言

隨著全球傳統(tǒng)化石能源日益枯竭及用電需求不斷增加，以風(fēng)能、太陽能等可再生能源為代表的分布式發(fā)電（distributed generation，DG）得到大量應(yīng)用［1］。DG以其投資少、發(fā)電方式靈活、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于配電網(wǎng)，特別是一些地區(qū)存在大量分散性負(fù)荷，DG可以就近建設(shè)，有效減少線路傳輸過程中的功率損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但風(fēng)能、太陽能等資源受制于環(huán)境，使得出力具有間歇性和隨機(jī)性［2］，發(fā)電功率與負(fù)荷難以維持平衡，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，導(dǎo)致出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，限制了DG的發(fā)展［3］。截至2019年12月底統(tǒng)計(jì)全國(guó)各省棄風(fēng)、棄光情況，其中，新疆、蒙西、甘肅地區(qū)棄風(fēng)情況嚴(yán)重，新疆棄風(fēng)率為14%、蒙西棄風(fēng)率為9%、甘肅棄風(fēng)率為7.6%，其他省份均低于5%；西藏、新疆、青海地區(qū)棄光情況嚴(yán)重，西藏棄光率為24.1%、新疆棄光率為7.4%、青海棄光率為7.2%，其他省份均低于5%。

為解決這一問題，在DG并網(wǎng)過程中，通常加裝儲(chǔ)能裝置來平抑出力波動(dòng)、削峰填谷。這將有助于打破DG接入配電網(wǎng)帶來的瓶頸問題，提高對(duì)新能源的消納能力，同時(shí)可以提升電能質(zhì)量，減小線路網(wǎng)損，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性［4-6］。儲(chǔ)能裝置主要分為能量型和功率型兩種。能量型儲(chǔ)能容量大，成本低，但響應(yīng)速度慢，且過充過放會(huì)嚴(yán)重影響使用壽命，無法完成調(diào)峰調(diào)頻的任務(wù)。功率型儲(chǔ)能響應(yīng)速度快，充放電效率高，生命周期長(zhǎng)，多用于削峰填谷和平抑DG出力波動(dòng)，但成本投入高，容量小。能量型和功率型儲(chǔ)能在工作特性及應(yīng)用場(chǎng)合中存在明顯差異，因此工程中采用混合儲(chǔ)能來進(jìn)行優(yōu)化，例如儲(chǔ)能電池與超級(jí)電容器構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在能量需求較大的情況下，可通過儲(chǔ)能電池補(bǔ)充能量，在短時(shí)大功率情況下，可利用超級(jí)電容器充放電。不僅彌補(bǔ)傳統(tǒng)缺陷，同時(shí)也顯著提高了性能優(yōu)勢(shì)。

隨著新能源發(fā)電比例的日益增加和儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展，儲(chǔ)能已經(jīng)應(yīng)用到電力產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，特別是在電網(wǎng)側(cè)發(fā)揮了重要作用，2018年新增投運(yùn)的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到206.8 MW，居各種儲(chǔ)能類型之首。國(guó)外儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用起步較早，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用由起初的用戶側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為電網(wǎng)側(cè)發(fā)展。美國(guó)是儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用較早的國(guó)家，通過建立儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)儲(chǔ)能工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，設(shè)立專門機(jī)構(gòu)并制定相關(guān)政策來推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。美國(guó)西南部主要采用光伏配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過ITC 即光伏投資稅收抵免政策來推動(dòng)儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用，根據(jù)光伏發(fā)電的比例來相應(yīng)地抵免稅收，降低投資成本，提高儲(chǔ)能工程的經(jīng)濟(jì)性。

文章首先介紹儲(chǔ)能技術(shù)的分類，比較各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，指出目前各儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)，然后結(jié)合規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的典型示范應(yīng)用案例，針對(duì)關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行分析，歸納研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，總結(jié)儲(chǔ)能運(yùn)行模式及核心設(shè)備研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)的研究進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分類及應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)技術(shù)原理，儲(chǔ)能主要有機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能。其中，機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括經(jīng)典電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器。

1.1 機(jī)械儲(chǔ)能

抽水蓄能電站廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，包括上池和下池，機(jī)組像常規(guī)水輪機(jī)一樣發(fā)電，同時(shí)可當(dāng)水泵將下池水抽到上池。當(dāng)電力系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組用做水泵運(yùn)行，在上池蓄水；處于高負(fù)荷時(shí)，機(jī)組像常規(guī)水輪機(jī)一樣運(yùn)行，為電網(wǎng)提供電能，實(shí)現(xiàn)低儲(chǔ)高發(fā)、削峰填谷［7-8］。兩個(gè)水池之間的高度差在70 m～600 m，其效率在70%～80%，但是，抽水蓄能電站對(duì)地理?xiàng)l件要求很嚴(yán)格，建設(shè)周期很長(zhǎng)，初始投資大，并會(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)和移民問題。

壓縮空氣儲(chǔ)能是一種在電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)利用電能壓縮空氣，將空氣高壓密封在儲(chǔ)氣罐中，在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)將壓縮空氣釋放從而推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電的儲(chǔ)能方式［9-11］。這種儲(chǔ)能方式整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，工作效率在30%～40%，經(jīng)濟(jì)性較差，未得到規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用［12］。

飛輪儲(chǔ)能是通過加速飛輪至極高速度的方式將能量以旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于系統(tǒng)中。由能量守恒定律可知，當(dāng)釋放能量時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速下降；而進(jìn)行儲(chǔ)能過程時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速會(huì)較之前有所升高。飛輪儲(chǔ)能可在短時(shí)間內(nèi)輸出較大能量，具有極高的功率密度，儲(chǔ)能效率在95%左右，但工作過程中飛輪和軸承上的摩擦損失很高，需要復(fù)雜的冷卻過程，為改進(jìn)這個(gè)缺點(diǎn)，可使用帶超導(dǎo)體的磁力軸承或無軸承電機(jī)。該儲(chǔ)能裝置由于輸出響應(yīng)速度快，達(dá)到分鐘級(jí)，多用于電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻［13-15］。

1.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能主要通過可充電電池來實(shí)現(xiàn)。目前常用的儲(chǔ)能電池有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鈉硫電池、液流電池等［16-17］。

鉛酸電池應(yīng)用歷史悠久，儲(chǔ)能成本低，可靠性好，效率較高，廣泛用于交通運(yùn)輸、電力等部門。但鉛酸電池循環(huán)壽命短，能量密度低，充電速度慢，而且對(duì)環(huán)境影響大。目前對(duì)鉛酸電池的研究主要集中在循環(huán)壽命短的問題上，研究人員通過將碳加入鉛酸電池中，可將電池壽命提升一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，提高了電池的工作性能。

鋰離子電池早期極大地推動(dòng)移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展，具有高能量密度、高工作電壓、充電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，隨著國(guó)家政策的扶持及新能源發(fā)電在電網(wǎng)的高滲透率，鋰離子電池規(guī)?；糜陔娋W(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要用于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，提高DG 消納能力。但鋰離子電池存在很大的安全性問題，低溫性能差，過充過放能力差［18］。鋰電池負(fù)極材料作為電池產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵材料，成本占鋰離子電池的25%左右。目前國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)在鋰電池的負(fù)極材料上，最新研究的碳基SnO2復(fù)合材料可以進(jìn)一步提升電池充放電的穩(wěn)定性，材料的比容量更高，是有潛力替代石墨的電池負(fù)極材料，也是目前鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

隨著鋰離子電池的需求量不斷增加，而鋰的儲(chǔ)量有限且分布不均，導(dǎo)致性價(jià)比不高，而鋰電池的安全問題同樣不可忽視，這就制約了鋰離子電池在儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展。鈉具有與鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)鈉儲(chǔ)量十分豐富，約占地殼儲(chǔ)量的2.64%，分布廣泛、提煉簡(jiǎn)單。鈉離子電池因具有低成本、高安全性等優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模儲(chǔ)能配置中有較大潛力［19-21］。然而，鈉離子電池嚴(yán)重缺乏可與鋰離子電池中石墨負(fù)極作用相當(dāng)?shù)牡蛪贺?fù)極材料，在已報(bào)道的鈉離子電池電極材料中，層狀鈦基材料被認(rèn)為是十分有前途的候選材料，因?yàn)樗鼈児逃械妮^大的中間層間距可快速插入Na+，然而，與碳負(fù)極的超低電壓相比，大多數(shù)鈦基負(fù)極的嵌入電壓平臺(tái)通常在0.5～1.0 V。華中科技大學(xué)李會(huì)巧教授課題組首次通過固相法合成了一種三斜相結(jié)構(gòu)的Na2Ti3O7，與傳統(tǒng)的單斜相結(jié)構(gòu)相比，三斜相Na2Ti3O7保持相似的低電位平臺(tái)，Na+傳輸通道更平滑通暢，層狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，循環(huán)穩(wěn)定性大大提高［22］。

鈉硫電池起初是由福特電動(dòng)汽車提出的，隨著進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)鈉硫電池具有高功率密度和能量密度、低成本、溫度穩(wěn)定等特性，然而，高溫運(yùn)行下的鈉硫電池存在腐蝕問題和安全隱患，這成為制約其在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中的主要障礙，目前正在研究通過改變鈉硫電池的結(jié)構(gòu)來降低工作體系溫度，進(jìn)一步提高工作性能［23］。

液流電池是通過可溶性電對(duì)在惰性電極上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與釋放的一類電池。與傳統(tǒng)電池不同，液流電池具有相對(duì)獨(dú)立的功率和容量，可據(jù)需求分別進(jìn)行調(diào)整。它具有功率大、容量大、壽命長(zhǎng)、安全性高等特點(diǎn)，但同時(shí)存在關(guān)鍵材料制約和實(shí)際成本偏高等問題［24］。目前，液流電池的研究主要集中在電極材料、電解液和隔膜材料等方面，對(duì)電極材料經(jīng)表面改性來提升電化學(xué)活性和使用壽命。在適當(dāng)提高電解液濃度的基礎(chǔ)上，向電解液中加入吡啶、明膠或硫酸鈉等添加劑是目前電解液研究的主要方向之一。隔膜材料是影響電池壽命的重要部件，研究人員采用誘導(dǎo)接枝法對(duì)隔膜進(jìn)行改性，再經(jīng)氯磺酸磺化處理得到改性陽離子膜，化學(xué)穩(wěn)定性和使用壽命得到提升。

1.3 電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能主要有超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器兩類。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)線圈作為儲(chǔ)存電磁能的載體。由于超導(dǎo)體電阻為零，因此能量轉(zhuǎn)換過程中無損耗，效率極高。因此超導(dǎo)磁儲(chǔ)能具有效率高、響應(yīng)速度快、有功和無功率輸出可靈活控制、使用壽命長(zhǎng)、污染小等優(yōu)點(diǎn)，但是高昂的成本制約了規(guī)?；瘧?yīng)用，據(jù)研究表明：高溫超導(dǎo)材料會(huì)極大降低超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化運(yùn)行條件，提高其性能和壽命。目前超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的研究主要以仿真實(shí)驗(yàn)和小型樣機(jī)為主，尚未規(guī)模化應(yīng)用，日本研制了1 kW/6 kJ 級(jí)的微型樣機(jī)，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。英國(guó)利用下垂控制方法延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)26%的使用壽命。中國(guó)科學(xué)院成功研制了世界首臺(tái)在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置，該裝置采用了2種高溫超導(dǎo)帶材混合繞制的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢(shì)，具有先進(jìn)的技術(shù)性，已經(jīng)在甘肅省玉門市低窩鋪風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效提高風(fēng)電并網(wǎng)的可靠性，提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，隨著高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的不斷成熟，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能有望推動(dòng)未來儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和革新［25］。

超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的特殊電源，工作期間不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程可逆，可多次進(jìn)行反復(fù)充電放電。相比蓄電池而言，超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能裝置具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、溫度特性好、使用壽命長(zhǎng)、可快速充電等諸多優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)中多用于分布式發(fā)電的儲(chǔ)能裝置和電網(wǎng)故障時(shí)的后備電源等，平抑電網(wǎng)電壓波動(dòng)，解決電壓暫降和短時(shí)中斷等問題［26-28］。然而，超級(jí)電容器能量密度小，成本高，電極材料是提升性能和降低成本的關(guān)鍵部分，當(dāng)前研究主要集中在優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)離子擴(kuò)散能力，同時(shí)對(duì)碳材料、導(dǎo)電聚合物和金屬化合物等電極材料進(jìn)行復(fù)合，綜合各自優(yōu)點(diǎn)，提高電化學(xué)性能。

綜上所述，各儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景如表1所示。

表1 各儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景Table 1 Features and application scenarios of various energy storage technologies

2 規(guī)模化儲(chǔ)能應(yīng)用示范工程

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展和可再生能源在電網(wǎng)的滲透率日益增強(qiáng)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司及南方電網(wǎng)有限公司圍繞可再生能源消納建設(shè)了一系列儲(chǔ)能示范工程。文章以國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程、甘肅酒泉“電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電”示范工程、吉林風(fēng)蓄儲(chǔ)示范工程、河南電網(wǎng)100 MW 電池儲(chǔ)能示范工程為例，介紹各示范工程應(yīng)用的關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)。

2.1 國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程

國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程地處張家口市，該工程涵蓋100 MW 風(fēng)電、50 MW 光電和20 MW/95 MW·h 化學(xué)儲(chǔ)能，如圖1所示。儲(chǔ)能電站投運(yùn)了液流電池、超級(jí)電容器、鈦酸鋰、膠體鉛酸電池等多類型新型電池，可實(shí)現(xiàn)平滑出力、削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等功能。該工程將風(fēng)電、光電、儲(chǔ)能、輸電有機(jī)統(tǒng)一，將能量型儲(chǔ)能電池與功率型儲(chǔ)能電池結(jié)合，具有高能量密度、高功率密度等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能彼此聯(lián)合出力等多種運(yùn)行方式［29］。

圖1 國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程Fig.1 National wind and solar storage and transportation demonstration project

2.2 甘肅酒泉“電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電”示范工程

甘肅酒泉“電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電”示范工程如圖2 所示，該工程在風(fēng)電場(chǎng)安裝1 MW/1 MW·h 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和300 kW 超級(jí)電容器。利用鋰電池儲(chǔ)能進(jìn)行電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)功率控制、跟蹤計(jì)劃發(fā)電并平滑風(fēng)電輸出；利用超級(jí)電容器響應(yīng)速度快的特點(diǎn)提高風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖2 甘肅酒泉“電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電”示范工程Fig.2 "Grid-friendly new energy power generation"demonstration project in Jiuquan,Gansu

2.3 吉林風(fēng)蓄儲(chǔ)示范工程

吉林風(fēng)蓄儲(chǔ)示范工程位于吉林省大安市安廣鎮(zhèn)。依靠風(fēng)力發(fā)電提供大安市城鎮(zhèn)集中供暖中的清潔熱能。其中風(fēng)電裝機(jī)200 MW，供暖工程配置30 MW 蓄熱式電鍋爐，并在蓄熱式電鍋爐側(cè)配置1 MW/0.5 MW·h移動(dòng)式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電的棄風(fēng)量為蓄熱式電鍋爐提高電力供應(yīng)，電鍋爐產(chǎn)生的熱量一部分直接用于負(fù)荷低谷時(shí)段家庭供暖，剩余部分采用蓄熱裝置進(jìn)行儲(chǔ)存，在負(fù)荷非低谷時(shí)段向居民保障熱力供應(yīng)。經(jīng)計(jì)算共消納風(fēng)電952.97 MW·h，風(fēng)電有效利用小時(shí)數(shù)提高了11.273 h，上升了73.2%，效果顯著。

2.4 河南電網(wǎng)100 MW電池儲(chǔ)能示范工程

該工程在河南省內(nèi)選取9 個(gè)地市共16 個(gè)變電站，綜合配置21 組模塊容量4.8 MW/4.8 MW·h、總規(guī)模為100.8 MW/100.8 MW·h 的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，于2018 年底建成投運(yùn)，是我國(guó)建成投運(yùn)的首個(gè)電網(wǎng)側(cè)分布式百兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能工程，由于河南電網(wǎng)峰谷差較大，約為峰值負(fù)荷的40%，因此該儲(chǔ)能示范工程可以有效進(jìn)行削峰填谷，提高新能源的消納能力，這是儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用于電網(wǎng)側(cè)的一大突破。

綜上所述，各儲(chǔ)能示范工程特點(diǎn)如表2所示。

表2 儲(chǔ)能示范工程特點(diǎn)Table 2 Characteristics of energy storage demonstration projects

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

根據(jù)前述各儲(chǔ)能示范工程可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提高電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電的消納能力及削峰填谷有著關(guān)鍵作用，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本較高，在工程應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性不可忽視。因此，綜合考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，制定儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置方案就顯得尤為重要［30］。

文獻(xiàn)［31］提出一種分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置和有序布點(diǎn)的綜合優(yōu)化算法，考慮長(zhǎng)期規(guī)劃和短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，建立雙層優(yōu)化框架。文獻(xiàn)［32］結(jié)合儲(chǔ)能運(yùn)行調(diào)度，建立上層儲(chǔ)能選址定容、下層儲(chǔ)能運(yùn)行優(yōu)化的雙層模型，提升配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。文獻(xiàn)［33］基于分布式電源集群規(guī)劃，建立分布式光伏與儲(chǔ)能雙層協(xié)調(diào)選址定容規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［34］考慮負(fù)荷峰值與分布式電源最大出力的時(shí)序不匹配性引起的電壓越限問題，以總成本最小為目標(biāo)確定儲(chǔ)能的接入容量、位置和類型。文獻(xiàn)［35］針對(duì)電力大用戶負(fù)荷情況，結(jié)合峰谷電價(jià)及用戶電費(fèi)的計(jì)費(fèi)規(guī)則，對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能的配置與運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化研究。以IEEE-33 節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)模型為例，如圖3所示，進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究。

圖3 IEEE-33節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.3 IEEE-33 node distribution network system diagram

場(chǎng)景1：光伏和儲(chǔ)能均未配置；場(chǎng)景2：只配置光伏；場(chǎng)景3：光伏和儲(chǔ)能均配置。

對(duì)比3 種場(chǎng)景下各節(jié)點(diǎn)電壓幅值和電壓偏差率，結(jié)果如圖4、圖5 所示。結(jié)合配網(wǎng)系統(tǒng)圖可知，在長(zhǎng)線路末端遠(yuǎn)離電源側(cè)，節(jié)點(diǎn)電壓往往下降較嚴(yán)重以至低于國(guó)標(biāo)限值，而配置光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)后改變?cè)芯€路功率分布，使得線路損耗減小，節(jié)點(diǎn)電壓幅值得到很大提升，電壓偏差率減小。

圖4 節(jié)點(diǎn)電壓幅值Fig.4 Node voltage amplitude

圖5 節(jié)點(diǎn)電壓偏差率Fig.5 Node voltage deviation rate

如圖6 所示，對(duì)原始負(fù)荷曲線和配置光儲(chǔ)后的負(fù)荷曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在負(fù)荷低谷時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電能，在負(fù)荷高峰時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能。配置光儲(chǔ)系統(tǒng)后負(fù)荷波動(dòng)明顯減小，達(dá)到很好的削峰填谷效果。

圖6 負(fù)荷特性曲線Fig.6 Load characteristic curve

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式研究

儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命極大影響其成本，因此為延長(zhǎng)壽命、降低成本，儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作周期內(nèi)充放電功率越小越好，即為滿足電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償功率越小越好。當(dāng)新能源發(fā)電量小于負(fù)荷要求時(shí)，為提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，優(yōu)先調(diào)用柴油發(fā)電機(jī)來滿足，若不滿足時(shí)，再調(diào)用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)儲(chǔ)能處于放電工作狀態(tài)；當(dāng)新能源發(fā)電量大于負(fù)荷要求，即電網(wǎng)無法消納新能源時(shí)，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余電能，此時(shí)儲(chǔ)能處于充電工作狀態(tài)，充電功率越小，表明新能源消納能力越好，當(dāng)充電功率為零時(shí)，說明新能源全部消納，可有效避免棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

對(duì)補(bǔ)償功率進(jìn)行離散傅里葉變換DFT，得到對(duì)應(yīng)的頻域序列，發(fā)現(xiàn)既有高頻分量又有低頻分量，高頻分量幅值小、波動(dòng)速度快，低頻分量幅值大、波動(dòng)速度慢。以往很多研究中只采用單一類型儲(chǔ)能進(jìn)行補(bǔ)償，例如鋰電池、蓄電池等能量型儲(chǔ)能設(shè)備，該類設(shè)備能量密度大，但充放電周期長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢，無法滿足對(duì)高頻分量快速補(bǔ)償?shù)囊?。而采用超?jí)電容器等功率型儲(chǔ)能設(shè)備，因此自身能量密度低的特點(diǎn)，同樣不適用于低頻分量的高幅值補(bǔ)償要求。為綜合兩者特點(diǎn)，有效補(bǔ)償電網(wǎng)功率缺額，工程多采用鋰電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

對(duì)于高低頻分界點(diǎn)的選擇直接影響到鋰電池和超級(jí)電容器接受的功率指令，從而影響鋰電池的使用壽命和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置結(jié)果。當(dāng)分界點(diǎn)值過低時(shí)，大部分補(bǔ)償功率由超級(jí)電容器承擔(dān)，超級(jí)電容器單價(jià)成本較高，配置需求的增加不利于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)分界點(diǎn)值過高時(shí)，大部分補(bǔ)償功率由鋰電池承擔(dān)，而鋰電池的功率指令中高頻分量增多，造成鋰電池頻繁充放電，使用壽命縮短，增加鋰電池的全壽命周期成本。因此，必須合理選擇高低頻分界點(diǎn)，控制運(yùn)行壽命成本。通過比較不同分界點(diǎn)下儲(chǔ)能成本，確定最小成本下的高低頻最優(yōu)分界點(diǎn)，合理分配儲(chǔ)能功率指令。

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)核心設(shè)備制造研究

以飛輪儲(chǔ)能為例，飛輪儲(chǔ)能作為一種機(jī)械能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，儲(chǔ)能容量主要靠提高轉(zhuǎn)子飛輪的速度來實(shí)現(xiàn)，因此研究大功率高速飛輪儲(chǔ)能電機(jī)對(duì)其發(fā)展至關(guān)重要。永磁同步電機(jī)具有損耗小、功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，多用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前針對(duì)高速永磁電機(jī)主要集中在以下幾個(gè)方面的研究：1）電機(jī)本體研究。為減小轉(zhuǎn)子渦流損耗，采用定子斜槽結(jié)構(gòu)，多層永磁體結(jié)構(gòu)和Halbach 結(jié)構(gòu)具有較高的功率密度和效率，采用多層永磁體結(jié)構(gòu)可通過減小d 軸電感Ld來增強(qiáng)弱磁能力，獲得寬調(diào)速范圍，提高電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速［36］。2）高速電機(jī)軸承研究。軸承作為高速電機(jī)的核心部件之一，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，軸承摩擦損耗嚴(yán)重，嚴(yán)重影響使用壽命。磁懸浮軸承技術(shù)具有無機(jī)械損耗、無需冷卻潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)應(yīng)用于高速電機(jī)上主要有磁力軸承和磁懸浮無軸承兩類。3）轉(zhuǎn)子溫升散熱。受渦流損耗影響，而且轉(zhuǎn)子冷卻散熱條件差，容易產(chǎn)生較高溫升，目前大部分研究主要集中在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，加強(qiáng)散熱條件上。通過選擇導(dǎo)熱性更好的材料，增加散熱面積，優(yōu)化溫度場(chǎng)分布，在轉(zhuǎn)子表面涂高發(fā)射率材料來增強(qiáng)熱輻射能力，提高散熱水平。

6 結(jié)語

文章介紹了各類儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用，對(duì)比各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，并列舉了目前我國(guó)在運(yùn)的重點(diǎn)規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用示范工程，總結(jié)其關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)；基于電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，歸納分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究，制定合理有效的配置方案可大幅提升電網(wǎng)電壓質(zhì)量，并能達(dá)到很好的平抑負(fù)荷波動(dòng)的效果；介紹儲(chǔ)能與新能源發(fā)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，針對(duì)儲(chǔ)能補(bǔ)償功率，總結(jié)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的高低頻控制方法；對(duì)飛輪儲(chǔ)能用高速永磁電機(jī)的核心制造技術(shù)進(jìn)行分析，指出研究重點(diǎn)。隨著新能源在電網(wǎng)的滲透率不斷加強(qiáng)，儲(chǔ)能技術(shù)未來前景廣闊。目前主要應(yīng)用的機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能等技術(shù)均在充放電短周期內(nèi)使用，若需進(jìn)行長(zhǎng)周期的儲(chǔ)能，如跨季節(jié)時(shí)儲(chǔ)能則會(huì)受到其容量的限制，而氫儲(chǔ)能技術(shù)效率高、無污染、更利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。目前氫儲(chǔ)能技術(shù)并未得到廣泛應(yīng)用，作為長(zhǎng)周期儲(chǔ)能具有很大的開發(fā)潛力。