劉逸波，高樹(shù)輝

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

儲(chǔ)能技術(shù)作為新能源場(chǎng)站建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和應(yīng)對(duì)能源安全挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電綠色能源的開(kāi)拓與發(fā)展，抽水蓄能受到普遍注視和應(yīng)用，其建設(shè)和運(yùn)營(yíng)面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，能源供應(yīng)可靠性、電網(wǎng)負(fù)荷平滑、電網(wǎng)穩(wěn)定性和可調(diào)度性等問(wèn)題日益凸顯。儲(chǔ)能技術(shù)作為一種靈活、高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)綜合應(yīng)用于抽水蓄能和其他新能源場(chǎng)站之中。

儲(chǔ)能技術(shù)在新能源場(chǎng)站中的作用不僅體現(xiàn)在提升能源供應(yīng)可靠性方面，還能平滑電網(wǎng)負(fù)荷，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可調(diào)度性。

為了進(jìn)一步推動(dòng)新能源場(chǎng)站中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化，合理配置和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以顯著降低能源消耗，提高能源利用效率。本文通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和分析，結(jié)合實(shí)用狀況，探索儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇和優(yōu)化策略。

2 抽水蓄能電站概述

2.1 定義及背景

隨著化石能源的日益枯竭和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量的可再生新能源場(chǎng)站（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）逐步取代原先的火力發(fā)電，同樣為清潔能源的抽水蓄能電站，雖然較前兩者來(lái)說(shuō)起步較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點(diǎn)卻很高，已經(jīng)逐步成為解決能源短缺和環(huán)境問(wèn)題的重要方式[2，3]。

抽水蓄能電站，又稱蓄能式水電站。是利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的水電站。抽水蓄能電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、廠房和下水庫(kù)等建筑物組成。其中上水庫(kù)是蓄存水量的工程設(shè)施，電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段可將抽上來(lái)的水儲(chǔ)存在庫(kù)內(nèi)，負(fù)荷高峰時(shí)段由水庫(kù)放下來(lái)發(fā)電。抽水蓄能電站是一種電能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)備措施，轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)有電能損失，目前抽水蓄能電站的綜合效率約在75%左右。

由于抽水蓄能電站的填谷作用（吸收后也剩余電能），提高火電機(jī)組設(shè)備的利用率，抽水蓄能電站利用低谷時(shí)火電空閑容量抽水蓄能，等到高峰負(fù)荷時(shí)發(fā)電。與傳統(tǒng)火電站擔(dān)負(fù)峰荷的方案相比較，可以節(jié)省一定量的燃料。它可將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的電壓，提高了系統(tǒng)中火電站的效率。

抽水蓄能電站良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)適用性，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，抽水蓄能電站的應(yīng)用前景將更加廣闊。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

當(dāng)前，可再生清潔能源發(fā)展成為全球能源領(lǐng)域的熱門話題，并逐漸成為解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。抽水蓄能電站作為可再生清潔能源的典型應(yīng)用形式，具有很強(qiáng)的代表性和示范效應(yīng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為抽水蓄能電站和眾多新能源場(chǎng)站的核心組成部分，發(fā)揮著重要的作用。抽水蓄能，作為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，具有超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟(jì)可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

抽水蓄能電站啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能。做好抽蓄電站建設(shè)和調(diào)度運(yùn)行，有利于更好地利用新能源資源，有利于提升電力系統(tǒng)綜合效益。

抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能作為主流儲(chǔ)能技術(shù)，未來(lái)均大有可為。從成本、使用便利性和已使用規(guī)模綜合來(lái)看，抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能將有望繼續(xù)保持其主流儲(chǔ)能技術(shù)的地位。

根據(jù)CNESA的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)量191.1 GW，其中抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大達(dá)到172.5 GW，占比90.3%;電化學(xué)儲(chǔ)能緊隨其后，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為14.2 GW。在我國(guó)，抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能同樣占據(jù)主導(dǎo)地位，二者的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模分別為31.79 GW和3.27 GW，合計(jì)占比接近99%。

隨著我國(guó)新興能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，抽水蓄能電站的配置由過(guò)去單一的側(cè)重于用電負(fù)荷中心逐步向用電負(fù)荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發(fā)展。

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命長(zhǎng)、容量大、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分。通過(guò)配套建設(shè)抽水蓄能電站，可降低火電電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、延長(zhǎng)機(jī)組壽命；有效減少風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性以及電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

圖1 抽水蓄能電站的整體結(jié)構(gòu)

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源場(chǎng)站中的作用

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義與分類

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為新能源場(chǎng)站中重要的組成部分，其作用不可忽視，首先，我們需要明確儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義與分類。根據(jù)其儲(chǔ)存形式和儲(chǔ)存介質(zhì)的不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（如圖2）、機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)、熱能儲(chǔ)能系統(tǒng)等多種類型。

圖2 中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模拆分

按照能量的儲(chǔ)存方式，儲(chǔ)能可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能五類，其中機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等；電磁儲(chǔ)能主要包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等。

電化學(xué)儲(chǔ)能這幾年的發(fā)展速率是高于抽水儲(chǔ)能，從原來(lái)不足5%到現(xiàn)在接近10%，未來(lái)占比會(huì)更多。

從目前情況看，抽水蓄能、鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池技術(shù)因一定的優(yōu)勢(shì)，仍將在儲(chǔ)能領(lǐng)域保持較大的比重。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在抽水蓄能電站中的應(yīng)用

抽水蓄能電站中的儲(chǔ)能技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，是抽水蓄能電站的核心技術(shù)和發(fā)電運(yùn)行的原理。

技術(shù)上來(lái)說(shuō)，抽蓄是成熟的方案：它有上下兩個(gè)水庫(kù)和中間的引水系統(tǒng)，本質(zhì)上是一個(gè)水電站，利用夜間低谷時(shí)段抽水將電能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，白天用電高峰期將水放下來(lái)發(fā)電，抽水和發(fā)電用的是同一套電機(jī)水泵。根據(jù)調(diào)峰需要，有時(shí)甚至實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)兩次抽水發(fā)電循環(huán)，效率很高而且安全可靠。但其建設(shè)周期較長(zhǎng)，對(duì)選址的要求較高，受地理?xiàng)l件約束較大。

電化學(xué)儲(chǔ)能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。與抽水蓄能相比，電化學(xué)儲(chǔ)能布置較為靈活，建設(shè)周期較短，且響應(yīng)速度較快，一般可以達(dá)到秒級(jí)響應(yīng)。但其成本較高且安全性差也是其不可忽視的弊端

抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能在技術(shù)方面存在一定的互補(bǔ)性。在新型電力系統(tǒng)中，如果能將抽水蓄能與電化學(xué)儲(chǔ)能協(xié)同配置，可以提升調(diào)節(jié)電源容量、減少碳排放等，達(dá)到“1+1>2”的效果。

與單一的抽蓄或者電化學(xué)儲(chǔ)能電站相比，兩者相結(jié)合的抽水蓄能電站擁有3大優(yōu)勢(shì)。

（1）提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

抽水蓄能在電力系統(tǒng)中一般有六大功能：調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)。電化學(xué)儲(chǔ)能與抽水蓄能協(xié)同運(yùn)行，可利用電化學(xué)儲(chǔ)能的快速響應(yīng)特性提升整體的調(diào)節(jié)性能。在系統(tǒng)發(fā)生頻率波動(dòng)時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能響應(yīng)速度較快，可以立即響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)頻，對(duì)頻率起到快速支撐的作用，防止系統(tǒng)頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學(xué)儲(chǔ)能的容量較小，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持充電或放電狀態(tài)，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應(yīng)后進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)功率支撐，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

（2）優(yōu)化調(diào)節(jié)電源容量配置

抽水蓄能與電化學(xué)儲(chǔ)能在調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度、建設(shè)條件、建設(shè)規(guī)模等方面具有一定互補(bǔ)性。針對(duì)電力系統(tǒng)不同的調(diào)節(jié)需求，兩種調(diào)節(jié)電源的協(xié)同配置可以優(yōu)化調(diào)節(jié)電源的容量規(guī)模，避免冗余配置、資源浪費(fèi)。另外，隨著電力市場(chǎng)建設(shè)的逐步完善，抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能協(xié)同配置，可參與多種電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，并獲得經(jīng)濟(jì)收益。

（3）減少碳排放

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)很大程度上依賴火電機(jī)組。新能源裝機(jī)占比的不斷提升可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。這在一定程度上也會(huì)制約新能源的發(fā)展。因此，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)清潔低碳的調(diào)節(jié)電源，如抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能等。二者協(xié)同運(yùn)行可為新能源電源接入創(chuàng)造更有利的系統(tǒng)環(huán)境，還能起到降低碳排放的作用。

因此國(guó)內(nèi)大多數(shù)在建的新能源場(chǎng)站都有要求配套建設(shè)儲(chǔ)能裝置，尤其是新疆西藏等用電需求較大，電網(wǎng)平穩(wěn)性差，波動(dòng)性較大的地區(qū)，儲(chǔ)能裝置的配置就顯得尤其格外重要。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的幾大儲(chǔ)能系統(tǒng)廠家，如奇點(diǎn)新能源股份有限公司，廠家生產(chǎn)的儲(chǔ)能裝置，除了主體的儲(chǔ)能電池單元和智能電池模塊匯控柜和智能電池模塊集控柜外，還配置有單獨(dú)的EMS控制柜和后臺(tái)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)AGC控制功能（如圖3所示），即由國(guó)網(wǎng)公司調(diào)度中心集中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電操作的執(zhí)行和充放電功率的調(diào)配，當(dāng)電網(wǎng)頻率過(guò)高時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以接收過(guò)剩的電能存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)電網(wǎng)頻率過(guò)低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放儲(chǔ)存的電能進(jìn)行補(bǔ)償，從而保持電網(wǎng)頻率在合理范圍內(nèi)。通過(guò)整體的AGC的調(diào)配，也可以使電網(wǎng)電壓控制在合理的范圍內(nèi)。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)中的AGC應(yīng)用

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源場(chǎng)站中的應(yīng)用十分廣泛。通過(guò)容量配置設(shè)計(jì)結(jié)合本身的AGC功能，實(shí)現(xiàn)了調(diào)峰填谷、削減峰值負(fù)荷、頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐等功能，為新能源場(chǎng)站的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要支持。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇與優(yōu)化

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇因素

儲(chǔ)能系統(tǒng)是新能源場(chǎng)站中不可或缺的重要組成部分。在選擇合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要考慮一系列因素。

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量是一個(gè)關(guān)鍵因素。根據(jù)新能源場(chǎng)站的實(shí)際需求和負(fù)荷情況，需要確定合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。過(guò)大的儲(chǔ)能容量可能造成資源浪費(fèi)，而過(guò)小的容量則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法滿足能量需求。目前隨新能源電站建設(shè)的儲(chǔ)能電站的容量選擇一般設(shè)計(jì)為總裝機(jī)容量的10%~20%來(lái)進(jìn)行配置，這個(gè)比例更多考慮的是為了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，其在功能上還并不具備作為一個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)能電站來(lái)進(jìn)行運(yùn)行。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率是選擇重要因素。效率直接關(guān)系到電能的儲(chǔ)存和釋放效果，因此選擇具有高效能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中減少能量損失，提高整體系統(tǒng)效率。在這一塊目前我國(guó)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電，放電效率均能達(dá)到95%以上，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的相關(guān)要求，所有配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)后進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)都要進(jìn)行3次以上的滿充/滿放試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果必須達(dá)到95%的效率以上，才能算是測(cè)試通過(guò)，該場(chǎng)站才算具備轉(zhuǎn)商運(yùn)的投產(chǎn)條件。

（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本是重要的考慮因素。不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)在成本方面存在差異，因此需要綜合考慮成本與效益來(lái)選擇合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)大部分儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的儲(chǔ)能電池單元使用的都是磷酸鐵鋰電池，該類型的電池成本可接受，回本周期短。

（4）儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和安全性也需要被重視。儲(chǔ)能裝置內(nèi)都配備有單獨(dú)的消防柜，每個(gè)智慧能量塊柜內(nèi)也都配備有氣溶膠，起到了保護(hù)作用。

在選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮以上因素，只有選擇合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)，才能確保新能源場(chǎng)站的穩(wěn)定運(yùn)行，并發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源場(chǎng)站中的重要作用。

4.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)是新能源場(chǎng)站中非常重要的組成部分之一，它能夠解決新能源發(fā)電的間斷性和波動(dòng)性問(wèn)題，提高能源利用效率和供電穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化策略可以進(jìn)一步提高其在新能源場(chǎng)站中的作用。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化策略包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量與功率的匹配優(yōu)化、能量管理優(yōu)化。能量管理是指對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放的最佳效果。通過(guò)合理的能量管理優(yōu)化，可以最大限度地提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)效率和供電穩(wěn)定性。

目前儲(chǔ)能系統(tǒng)多作為新能源電站的配套裝置建設(shè)在電網(wǎng)側(cè)，但鑒于儲(chǔ)能系統(tǒng)的多種優(yōu)秀特性，如果儲(chǔ)能裝置能安裝在用戶側(cè)將會(huì)給未來(lái)的城市化建設(shè)帶來(lái)更加的效益。

首先，依據(jù)目前的專業(yè)技術(shù)，通過(guò)配置獨(dú)立的遠(yuǎn)動(dòng)信息系統(tǒng)，獨(dú)立的調(diào)度通信網(wǎng)，儲(chǔ)能裝置完全具備脫離新能源發(fā)電站而單獨(dú)成站的硬件條件。

其次，如果城市內(nèi)所有具備條件的建筑周邊都配置了獨(dú)立的儲(chǔ)能電站，這些獨(dú)立的儲(chǔ)能電站不僅可以在平時(shí)通過(guò)峰谷電價(jià)差來(lái)取回收益，更重要的是，這些儲(chǔ)能電站之間，通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的調(diào)配，完全可以在城市用電高峰的時(shí)，對(duì)一些重要部門起到保供電的重要作用。

綜上所述，未來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在用戶側(cè)單獨(dú)運(yùn)行，城市不再單一依靠電網(wǎng)，城市化的發(fā)展將會(huì)更有保障，城市智能化將會(huì)更高，通過(guò)合理的優(yōu)化策略，可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源場(chǎng)站中的作用，實(shí)現(xiàn)供電穩(wěn)定性和能源利用效率的最大化。

圖4 儲(chǔ)能電站在未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景

5 結(jié)語(yǔ)

本文從新能源場(chǎng)站中儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用出發(fā)，通過(guò)研究分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和應(yīng)對(duì)能源安全挑戰(zhàn)方面的重要性。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理策略。合理配置和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)儲(chǔ)能系統(tǒng)可顯著降低能源消耗、提高能源利用效率并降低空氣污染。

通過(guò)對(duì)新能源場(chǎng)站未來(lái)前景描述可知，未來(lái)的研究方向包括但不限于以下幾個(gè)方面：首先，可以進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理策略，提高能源利用效率和降低成本。其次，可以深入研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)與電力市場(chǎng)的關(guān)系，探索儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力市場(chǎng)中的定價(jià)機(jī)制和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式。另外，在新能源場(chǎng)站中引入新的儲(chǔ)能技術(shù)和設(shè)備，如電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和氫能儲(chǔ)能系統(tǒng)，也是未來(lái)研究的方向之一。