儲能是能源互聯網的重要組成部分和關鍵支撐技術，能夠提供調峰、調頻等多種服務，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段。綜述了現有主要儲能技術的特點，分析了電源側、用戶側和電網側應用場景下儲能的作用和需求。根據應用現狀，指出影響儲能進一步發(fā)展應用的安全性、經濟性和商業(yè)模式關鍵問題。最后從儲能應用方角度提出應加強儲能運行模擬、多重組合利用、集中和分散相結合等建議。本文可為儲能技術的應用研究和發(fā)展提供參考。

本文來源：南方能源建設 微信公眾號 ID：EnergyGEDI

引言

我國能源轉型的重要手段是提高清潔能源在發(fā)電中的比例，發(fā)展新能源是我國能源發(fā)展的基本方向。2018年，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重約為30%，國家發(fā)展改革委、國家能源局2016年12月29日發(fā)布的《能源生產和消費革命戰(zhàn)略（2016－2030）》提出2030年比重力爭達到50%，必須大力發(fā)展風電、光伏等新能源才能實現該目標。根據國際能源署《電力轉型——風電、光伏以及靈活性電力系統的經濟性》報告[1]， 因系統不同，可再生能源年發(fā)電量占比達到25%~40%時，亟須對電力系統傳統電源配置、運行方式、輸電規(guī)劃等做出重大調整，提出新的電力系統規(guī)劃、運行和控制方案等。

儲能技術在提高電網對新能源的接納能力、電網調頻、削峰填谷、提高電能質量和電力可靠性等方面的重要作用已經在國際上達成共識。近年來，隨著電化學儲能技術的不斷成熟、成本的快速下降，我國電化學儲能增長迅速，總裝機容量從2015年的105 MW增長到2018年的1.034 GW，年增長114%。儲能靈活的能量時間搬運功能，可以使得可再生能源發(fā)電對電網更加友好、可控，參與電網調峰、調頻等輔助服務，為電網安全運行提供支撐，還可以給裝置于用戶側，為用戶提供峰谷調節(jié)、提升供電能力、提升供電可靠性等多種需求，因此，儲能在發(fā)電側、電網側和用戶側均儲能均取得快速規(guī)?；瘧肹2-7]，已經成為我國能源清潔化轉型和能源互聯網發(fā)展的重要組成部分和關鍵支撐技術。

儲能技術類型多樣，特點差別較大，適合的應用場景也有較大差別，目前發(fā)展也遇到一些關鍵問題，本文將就儲能的技術特點、應用場景、面臨的主要問題等進行綜述總結，并給出對策建議，為儲能技術發(fā)展和應用提供支撐。

儲能技術現狀

廣義的儲能技術包括儲電、儲熱、其他形式轉換（如電制氫）等，這里主要討論日以下時間周期、以充放電為目標的電儲能技術。

根據充放電能量轉換形式，大致可以分為物理儲能、電化學儲能以及電磁儲能，物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電化學儲能主要包括鉛酸電池儲能、鋰離子電池、鉛炭電池、鈉硫電池、液流電池等；電磁儲能主要包括超級電容器儲能、超導儲能等。

從儲存能量的時間尺度和為電力系統提供支撐的功能來看，主要分能量型儲能和功率型儲能，功率型儲能特點是比功率高，主要用于瞬間高功率輸入、輸出場合，一般為中短期儲能，放電時間為秒級到分鐘級，典型的如飛輪儲能、超級電容儲能和超導儲能；能量型儲能特點是比能量高，主要用于高能量輸入、輸出場合，一般為中長期儲能，放電時間達到小時至日級別，典型的如抽水蓄能、鋰離子電池、鉛炭電池等。

從技術成熟度看，抽水蓄能是目前電力系統最為可靠經濟、容量最大、技術最完善、壽命最長的大規(guī)模儲能技術，應用已經超過100 年，至2018年底，我國抽水蓄能占儲能裝機容量約96%，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到數天，綜合效率75%左右，非常適合用于電力系統調峰和用作長時間備用電源的場合。抽水蓄能的主要應用問題是其建設對地理條件要求比較高，建設周期也較長，單體容量較大，對于貼近于負荷中心的應用建設場地越來越難以尋找。

除了抽水蓄能，我國其余電儲能基本上是各類電化學儲能，包括鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池。從技術應用上來說，這三類電化學儲能已經比較成熟，具有單體容量小、施工安裝難度小、建設速度快，能夠貼近負荷、各類新能源靈活配置，隨著價格的不斷降低，近年來，快速大量發(fā)展，至2018年底合計占儲能裝機比例約3.3%，其中，鋰離子電池占比約72%，鉛酸占25%，液流約2%。

這里從電池性能、經濟性、安全性、工程實施、回收以及對三種主要電化學儲能進行了概要比較。

表1 三種主要電化學儲能性能指標

表2 三種主要電化學儲能工程評價

總體來說，鋰離子電池各方面的綜合表現較為優(yōu)秀，鉛蓄電池成本較低，液流電池循環(huán)壽命長但是初始投資大，且工程實施對場地要求較大。鋰離子電池對于功率型和能量型應用均有較好表現，工程實施性好，應用范圍較廣；隨著電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池的研發(fā)生產已有規(guī)模效應，造價成本下降趨勢較快，因此，鋰離子電池獲得較優(yōu)的綜合性價比，實際應用規(guī)模也最大。鉛蓄電池技術傳統但也有技術進步，初始成本投資低一直是其突出優(yōu)勢，在大容量充放電的能量型應用場合也有較多應用。

由于抽水蓄能技術、應用和商業(yè)模式都比較成熟，后面儲能應用和討論主要針對的是非抽水蓄能的電儲能。

儲能的應用場景和需求

儲能技術在提高電網對新能源的接納能力、電網調頻、削峰填谷、提高電能質量和電力可靠性等方面的重要作用已經在國際上達成共識。

儲能的靈活性、特點和應用場景非常多，差異比較大，但根本上都是通過能量的時間轉移存儲，解決電力系統發(fā)用電的即發(fā)即用、時刻平衡帶來不靈活的缺點，秒級到分鐘級的能量平衡歸為頻率調節(jié)需求，小時級的能量平衡歸為峰谷調節(jié)需求。另一方面，隨著新能源的大規(guī)?？焖僭龆啵捎谄浒l(fā)電的剛性，或可調節(jié)性較差，對電力系統的不同時間尺度能量平衡要求更高，帶來更大的調峰調頻需求。

從全社會角度看，通過儲能進行能量的時間轉移存儲、發(fā)電和負荷曲線更優(yōu)匹配，增強電力系統消納更大規(guī)模清潔能源能力，提高電能質量，降低電力系統綜合投資，達到電力供能更加清潔、綜合社會成本更低的目的，從而增強我國工業(yè)競爭力、實現社會發(fā)展綠色低碳的最終目標。

從電力系統發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)看，儲能裝設在各個環(huán)節(jié)的作用和側重點也是不一樣的。

1發(fā)電側儲能

儲能裝設在發(fā)電側，又包括傳統電源側和新能源側，這兩個場景對儲能的要求和性能要求有很大的區(qū)別，討論發(fā)電側儲能應該把傳統電源側和新能源側這兩個儲能區(qū)分開來。

調頻儲能配套裝設在火電廠側，主要是進行協助提供二次調頻輔助服務。當參與二次調頻的火電機組受爬坡速率限制，不能精確跟蹤調度調頻指令時，由高速響應的儲能根本上改善火電機組的AGC能力，從而獲得更多的AGC補償收益。這是目前儲能商業(yè)模式典型成熟成功的一個場景。

儲能裝置于風電、光伏等新能源廠站，可以平滑新能源出力的功率波動性，可以跟蹤發(fā)電計劃，應對考核獎懲；可以削峰填谷，儲存電量減少棄光棄風，提升經濟效益；還可以提升新能源的調頻調壓能力，主要是一次調頻、基礎無功支撐能力，使得新能源對電網更友好。

2用戶側儲能

儲能裝設在用戶側，有幾個應用場景和目的：

1）工商業(yè)用戶通過裝設儲能節(jié)省電費開支。包括利用儲能調節(jié)峰平谷不同電價時段的用電電量，節(jié)省電費支出；通過儲能減少報裝容量水平，節(jié)省報裝基本容量費。

2）微網和重要用戶。儲能作為分布式電源提升局部電網供電可靠性，支撐電網獨立運行能力。

3）分布式新能源配套儲能。

其中，工商業(yè)用戶通過裝設儲能節(jié)省電費開支，是目前用戶側儲能投產規(guī)模最大的場景，商業(yè)模式也較為成熟，但總體上受電價政策影響較大。

此外，用戶裝設儲能后還能作為分布式儲能響應電網功率調度要求，對電網輸出功率，支撐電網電能質量穩(wěn)定。未來，隨著電力市場改革的進一步深化，還可能利用儲能參與電力市場，進行套利。

3電網側儲能

電網側儲能，從字面上理解是接入電網側的儲能，為電網提供供電、削峰填谷、調頻調壓等功能服務，一般容量大、規(guī)模大，典型的是抽水蓄能。電網側儲能作為電網中優(yōu)質的有功無功調節(jié)電源，對電網的安全穩(wěn)定經濟運行意義重大，隨著大規(guī)模電化學儲能的成熟，也已經有多個試點應用，國家電網最新發(fā)布的《國家電網有限公司關于促進電化學儲能健康有序發(fā)展的指導意見》：在工程可研設計、建設改造等環(huán)節(jié)，將電網側儲能視為電網的重要電氣元件和一種技術方案選擇，逬行綜合比選論證。目前應用的電網側儲能主要發(fā)揮以下三個作用：

1）供電和削峰填谷。江蘇鎮(zhèn)江[6]因為當地機組退役，導致電網供電能力不足，為了保證用戶供電，利用鋰電池儲能投產速度快的優(yōu)勢，滿足鎮(zhèn)江地區(qū)供電需求，減少有序供電壓力；湖南大容量電網側儲能投產目的之一，也是可以有效滿足當地峰值負荷供電需求。

2）一次調頻。系統內存在較大頻率波動風險（如大容量直流、大容量機組等大電源丟失風險），而系統相對較小或系統內機組一次調頻能力相對不足（如大規(guī)模新能源的接入、已有機組一次調頻能力有限等），需要儲能等快速充放電設備協助確保系統安全穩(wěn)定運行。江蘇和湖南的大容量儲能都有這個應用目的。

3）AGC調頻輔助服務。大容量電網側儲能或獨立儲能電站應具備AGC這個能力，目前國內山西等地剛剛開始試點，在美國這個商業(yè)模式已經非常成熟。

4)儲能還可以應用在配網側，比如臺區(qū)儲能的應用，解決動態(tài)擴容、調節(jié)末端電壓等。

5）電網豐富儲能應用模式。國家電網推行“三站合一”，即原變電站改造為變電站、充換電站（儲能站）和數據中心站三站合一，在堅強智能電網的基礎上建設泛在電力物聯網，發(fā)揮集中調控大量分布式儲能的作用。南方電網積極支持儲能技術發(fā)展和應用，作為推進數字化轉型和數字南網建設的重要組成部分。目前電網側儲能主要是電網投資，集中大容量布點，服務于電網供電和安全運行，電網后續(xù)也可以通過云方式購買服務，調用大量分布式儲能為電網服務，從這個意義上來說，也可以定義有為電網安全和供電服務功能、以及接入電網側的都叫電網側儲能。

儲能發(fā)展面臨的關鍵問題和應用建議

儲能作為能源清潔化轉型和能源互聯網發(fā)展的重要組成部分，裝機規(guī)?？焖僭鲩L，然而，由于技術經濟和政策配套還沒完全跟上，在其發(fā)展和應用過程中仍面臨幾個關鍵問題：

一是安全性問題。特別是鋰電池儲能在輔助火電廠調頻等高頻次、高倍率充放電情況下，對儲能系統安全可靠性要求較高，韓國已經發(fā)生多起電化學儲能起火事件，國內也有發(fā)生。

二是電化學儲能的經濟性問題。目前總體上來說電化學儲能全壽命周期度電成本相對較高，限制了儲能在多個場合應用，若儲能全生命周期度電成本0.5元，應用于峰谷調節(jié)或解決新能源棄電場景，要求有足夠的峰谷電價差或新能源電量價格。

三是部分場景商業(yè)模式還在探索，尤其是電網側儲能投資和回收機制不夠清晰，導致電網側儲能發(fā)展沒有較好的持續(xù)性。

上述問題的解決主要需要依賴儲能系統技術進步、標準制訂和政策調整，特別是對于電網側儲能，相關政策標準的制定更為關鍵，如儲能的合法身份界定，接入、安全、消防標準制定等，需要生產和集成廠家、行業(yè)和政府一起努力，這里不再討論。下面僅就各個儲能應用層面提出以下幾個建議：

1）重視儲能在電網運行模擬和仿真，建立儲能應用的評價指標體系。儲能系統高度靈活可控，其作用的發(fā)揮高度依賴于其控制策略的優(yōu)化和實現，因此，需要高度重視儲能在電網運行模擬和仿真研究，研究儲能的暫態(tài)特性和控制，研究儲能中長期能量控制策略的優(yōu)化，研究相關建模仿真工具的實現，研究并建立電力新型儲能的暫態(tài)分析模型和經濟分析模型，開展儲能規(guī)劃方法模型集算法研究，建立儲能應用的評價指標體系。

2）充分利用儲能技術多樣化、功能多樣化特點，重視儲能綜合功能的多重利用，探索多種儲能技術的組合利用。掌握各類儲能基礎數據，對各類儲能技術特性、適用場景有全面把握，合理據測發(fā)展趨勢。在此基礎上，重視儲能綜合功能的多重利用，如用戶側儲能，既可以調節(jié)峰平谷不同電價時段的用電電量，節(jié)省電費支出，也可以減少報裝容量水平，節(jié)省報裝基本容量費，還可以作為需求側響應、電網安全支撐的一部分。未來，積極探索多種儲能技術組合利用，如能量型儲能鋰離子電池和功率型儲能飛輪儲能組合，既能滿足電池調用頻次高的需求，也能滿足較大規(guī)模能量轉移存儲的需求。

3）儲能建設集中和分散相結合，充分利用云平臺實現儲能的共享利用[7]。儲能還是集中與分散相結合，單個場站和用戶的特性改善與系統層面集中儲能實行合理分配，比如儲能應用在新能源場站，就地儲能應以短時間尺度改善調頻調壓性能、出力波動性為主要目標，而新能源缺乏的調峰能力和二次調頻能力屬于系統層面，應建立長時間尺度、大容量集中式儲能場站，各個新能源場站利用云平臺共享利用。此外，對于多個分散式的儲能電站，利用云平臺實現集中調用，作為需求側響應，為電網提供支撐也是儲能電站功能充分利用的重要發(fā)展方向。

結論

1）電化學儲能具有性能優(yōu)越、應用靈活的特點，隨著技術成熟和成本的快速下降，在我國電力系統中呈爆發(fā)增長趨勢。電化學儲能以鋰離子電池為主，其次是鉛酸電池和液流電池。

2）儲能進行能量的時間轉移存儲、發(fā)電和負荷曲線更優(yōu)匹配，增強電力系統消納更大規(guī)模清潔能源能力，提高電能質量，降低電力系統綜合投資，在發(fā)電側、用戶側和電網側均有廣泛的應用，但在各個環(huán)節(jié)的作用和側重點也是不一樣的，目前發(fā)電側、用戶側儲能的應用商業(yè)模式已經較為成熟。

3）儲能發(fā)展和應用過程中仍面臨安全性、經濟性和商業(yè)模式關鍵問題，本文就應用層面提出建議有：重視儲能在電網運行模擬和仿真，建立儲能應用的評價指標體系；充分利用儲能技術多樣化、功能多樣化特點，重視儲能綜合功能的多重利用，探索多種儲能技術的組合利用；儲能建設集中和分散相結合，充分利用云平臺實現儲能的共享利用。

參考文獻略，詳見《南方能源建設》2019年第6卷第3期原文。

原標題:張東輝：儲能技術應用場景和發(fā)展關鍵問題