張文亮，丘明，來(lái)小康

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市海淀區(qū)100192）

摘要：基于大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，從需求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，考慮到我國(guó)能源的區(qū)域性特征、西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)格局和國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，探討了電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。十一五期間國(guó)家電網(wǎng)公司將立足研發(fā)100kW級(jí)全釩液流電池、MW級(jí)鈉流電池和MJ級(jí)容量液氮溫區(qū)運(yùn)行超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，加快建設(shè)10GW級(jí)抽水蓄能混合式電站，以優(yōu)化電網(wǎng)配置、加強(qiáng)調(diào)節(jié)和輸變電能力、解決跨區(qū)域供需矛盾、確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，并滿足人們對(duì)電能質(zhì)量的要求和可再生能源發(fā)展的需要。

0引言

儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中采–發(fā)–輸–配–用–儲(chǔ)六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來(lái)重大變革。

近幾十年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國(guó)能源、交通、電力、電訊等部門的重視。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷儲(chǔ)能等。各種儲(chǔ)能技術(shù)在能量和功率密度等方面有著明顯區(qū)別，表1顯示了不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)能量和功率密度的要求。本文著重介紹MW級(jí)大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)狀況和應(yīng)用實(shí)例，并基于我國(guó)能源布局和電力系統(tǒng)需求，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的層面加以分析，探討儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。

1電力儲(chǔ)能方式和發(fā)展現(xiàn)狀

1.1抽水蓄能電站

抽水儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行時(shí)必須配備上、下游兩個(gè)水庫(kù)(上、下池)，負(fù)荷低谷時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫(kù)的水抽到上游水庫(kù)保存，負(fù)荷高峰時(shí)抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電。按上水庫(kù)有無(wú)天然徑流匯入分為純抽水、混合抽水和調(diào)水式抽水蓄能電站，建站地點(diǎn)力求水頭高、發(fā)電庫(kù)容大、滲漏小、壓力輸水管道短、距離負(fù)荷中心近。

抽水儲(chǔ)能電站可以按照一定容量建造，儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾天，綜合效率在70%~85%之間。抽水儲(chǔ)能是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和特種的運(yùn)行效率。

目前，抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)規(guī)劃已形成規(guī)范。機(jī)組由早期的四機(jī)、三機(jī)式機(jī)組發(fā)展為水泵水輪機(jī)和水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組成的二機(jī)式可逆機(jī)組，極大地減小了土建和設(shè)備投資。施工已采用瀝青混凝土面板防滲、HT-100高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)、斜井全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖、鋼岔管考慮圍巖分擔(dān)為壓、上水庫(kù)和地下廠房信息化施工等先進(jìn)技術(shù)。為進(jìn)一步提高整體

經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組正向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，現(xiàn)已接近單級(jí)水泵水輪機(jī)和空氣冷卻發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造極限，今后的重點(diǎn)將立足于對(duì)振動(dòng)、空蝕、變形、止水和磁特性的研究，著眼于運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機(jī)組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率控制。提高機(jī)電設(shè)備可靠性和自動(dòng)化水平，建立統(tǒng)一調(diào)度機(jī)制以推廣集中監(jiān)控和無(wú)人化管理，并結(jié)合各國(guó)國(guó)情開(kāi)展海水和地下式抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1.2壓縮空氣儲(chǔ)能電站

壓縮空氣儲(chǔ)能電站(compressed air energy storage，CAES)是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，并將其儲(chǔ)藏在典型壓力7.5MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過(guò)程中，燃料的2/3用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%，同時(shí)可以降低投資費(fèi)用、減少排放。CAES建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。CAES儲(chǔ)氣庫(kù)漏氣開(kāi)裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長(zhǎng)，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。

目前，地下儲(chǔ)氣站采用報(bào)廢礦井、沉降在海底的儲(chǔ)氣罐、山洞、過(guò)期油氣井和新建儲(chǔ)氣井等多種模式，其中最理想的是水封恒壓儲(chǔ)氣站，能保持輸出恒壓氣體，從而保障燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。100MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)成熟，利用渠氏超導(dǎo)熱管技術(shù)可使系統(tǒng)換能效率達(dá)到90%。大容量化和復(fù)合發(fā)電化將進(jìn)一步降低成本。隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減小儲(chǔ)氣庫(kù)容積和提高儲(chǔ)氣壓力至10~14MPa的需要，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)(micro-CAES)已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

1.3飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負(fù)荷時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存能量，完成電能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過(guò)程；出現(xiàn)峰值負(fù)荷時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過(guò)程。飛輪儲(chǔ)能功率密度大于5kW/kg，能量密度超過(guò)20Wh/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)達(dá)20a，工作溫區(qū)為−40~50℃，無(wú)噪聲，無(wú)污染，維護(hù)簡(jiǎn)單，可連續(xù)工作，積木式組合后可以實(shí)現(xiàn)MW級(jí)，輸出持續(xù)時(shí)間為數(shù)min/數(shù)h，主要用于不間斷電源(uninterrupted power supply，UPS)/應(yīng)急電源(emergency power system，EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。

近年來(lái)，人們對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、軸承支撐系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，高強(qiáng)度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)極大地促進(jìn)了儲(chǔ)能飛輪的發(fā)展。機(jī)械式飛輪系統(tǒng)已形成系列產(chǎn)品，如Active Power公司100~2000kW Clean Source系列、Pentadyne公司65~1000kV AVSS系列、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix和Sat ConTechnology公司315~2200kVA系列。高溫超導(dǎo)磁浮軸承摩擦系數(shù)達(dá)到10−7量級(jí)，在此基礎(chǔ)上，1MWh超導(dǎo)飛輪已于1997年研制成功。隨著磁浮軸承的應(yīng)用、飛輪的大型化以及高速旋轉(zhuǎn)化和軸承載荷密度的進(jìn)一步提高，飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用將更加廣泛。

1.4超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導(dǎo)體制成的線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，功率輸送時(shí)無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快(ms級(jí))，轉(zhuǎn)換效率高(≥96%)、比容量(1~10Wh/kg)/比功率(104~105kW/kg)大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。SMES在技術(shù)方面相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問(wèn)題。目前，世界上1~5MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100MJ SMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行，5GWh SMES已通過(guò)可行性分析和技術(shù)論證。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。

SMES的發(fā)展重點(diǎn)在于基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運(yùn)行的MJ級(jí)系統(tǒng)，解決高場(chǎng)磁體繞組力學(xué)支撐問(wèn)題，并與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)探討分布式SMES及其有效控制和保護(hù)策略。

1.5超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電荷層間距非常小(一般0.5mm以下)，加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬(wàn)倍增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。但由于電介質(zhì)耐壓低，存在漏電流，儲(chǔ)能量和保持時(shí)間受到限制，必須串聯(lián)使用，以增加充放電控制回路和系統(tǒng)體積。

超級(jí)電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電電流400~2000A系列產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能量達(dá)到30MJ。但超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場(chǎng)合，如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級(jí)電容器正在開(kāi)發(fā)中。

1.6電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電，表2、3分別顯示了一些種類電池的基本特性和由它們構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)目前已達(dá)到的性能指標(biāo)。

鉛酸電池在高溫下壽命縮短，與鎳鎘電池類似，具有較低的比能量和比功率，但價(jià)格便宜，構(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，目前儲(chǔ)能容量已達(dá)20MW。鉛酸電池在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為斷路器提供合閘電源，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時(shí)發(fā)揮獨(dú)立電源的作用，為繼保裝置、拖動(dòng)電機(jī)、通信、事故照明提供動(dòng)力。然而，其循環(huán)壽命較短，且在制造過(guò)程中存在一定的環(huán)境污染。

鎳鎘等電池效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，但隨著充放電次數(shù)的增加容量將會(huì)減少，荷電保持能力仍有待提高，且因存在重金屬污染已被歐盟組織限用。鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)指標(biāo)往往達(dá)不到單體水平，使用壽命較單體縮短數(shù)倍甚至十幾倍。大容量集成的技術(shù)難度和生產(chǎn)維護(hù)成本使得這些電池在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)?；瘧?yīng)用。

鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲(chǔ)能電池。鈉硫電池儲(chǔ)能密度為140kWh/m3，體積減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達(dá)80%，單體壽命已達(dá)15a，且循環(huán)壽命超過(guò)6000次，便于模塊化制造、運(yùn)輸和安裝，建設(shè)周期短，可根據(jù)用途和建設(shè)規(guī)模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負(fù)荷。

液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，高性能離子交換膜的出現(xiàn)促進(jìn)了其發(fā)展。液流電池電化學(xué)極化小，能夠100%深度放電，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，額定功率和容量相互獨(dú)立，可以通過(guò)增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度達(dá)到增加電池容量的目的，并可根據(jù)設(shè)置場(chǎng)所的情況自由設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏形式及隨意選擇形狀。目前，鈉硫和液流電池均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，MW級(jí)鈉硫和100kW級(jí)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已步入試驗(yàn)示范階段。隨著容量和規(guī)模的擴(kuò)大、集成技術(shù)的日益成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本將進(jìn)一步降低，經(jīng)過(guò)安全性和可靠性的長(zhǎng)期測(cè)試，有望在提高風(fēng)能/太陽(yáng)能可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平滑用戶側(cè)負(fù)荷及緊急供電等方面發(fā)揮重要作用。

2電力儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1抽水蓄能系統(tǒng)

日、美、西歐等國(guó)家和地區(qū)在20世紀(jì)60~70年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期，到目前為止，美國(guó)和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家抽水儲(chǔ)能機(jī)組容量占世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量55%以上，其中：美國(guó)約占3%，日本則超過(guò)了10%，中國(guó)、韓國(guó)和泰國(guó)3個(gè)國(guó)家在建抽水蓄能電站17.530GW，加上日本后達(dá)到24.650GW，表4顯示了近十年來(lái)投入運(yùn)行的8個(gè)大型抽水蓄能電站的情況。

2.2壓縮空氣儲(chǔ)能電站

世界上第一個(gè)商業(yè)化CAES電站為1978年在德國(guó)建造的Huntdorf電站，裝機(jī)容量為290MW，換能效率77%，運(yùn)行至今，累計(jì)啟動(dòng)超過(guò)7000次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。在美國(guó)，McIntosh電站裝機(jī)容量為100MW，Norton電站裝機(jī)容量為2.7GW，用于系統(tǒng)調(diào)峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas開(kāi)始建造Markham電站，容量為540MW。在日本，1998年施工建設(shè)北海道三井砂川礦坑儲(chǔ)氣庫(kù)，2001年CAES運(yùn)行，輸出功率2MW。

在瑞士，ABB公司正在開(kāi)發(fā)大容量聯(lián)合循環(huán)CAES電站，輸出功率442MW，運(yùn)行時(shí)間為8h，貯氣空洞采用水封方式。此外，俄羅斯、法國(guó)、意大利、盧森堡、以色列等國(guó)也在長(zhǎng)期致力于CAES的開(kāi)發(fā)。

2.3飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

1999年歐洲Urenc Power公司利用高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制作飛輪，轉(zhuǎn)速為42000rad/min，2001年1月系統(tǒng)投入運(yùn)行，充當(dāng)

UPS，儲(chǔ)能量達(dá)到18MJ。美國(guó)波音公司Phantom工廠研制的高溫超導(dǎo)磁浮軸承100kW/5kWh飛輪儲(chǔ)能裝置，已用于電能質(zhì)量控制和電力調(diào)峰。部分飛輪儲(chǔ)能裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況見(jiàn)表5。

2.4超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

SMES在美國(guó)、日本、歐洲一些國(guó)家的電力系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了極其重要的作用，表6顯示了其中一些應(yīng)用實(shí)例。

2.5超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)

西門子公司已成功開(kāi)發(fā)出儲(chǔ)能量達(dá)到21MJ/5.7Wh、最大功率1MW的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，并成功安裝在德國(guó)科隆市750V直流地鐵配電網(wǎng)中，該系統(tǒng)由4800支2600F/2.5V超級(jí)電容器組成，重量2t，體積2m3，超級(jí)電容器組儲(chǔ)能效率為95%。

美國(guó)TVA電力公司成功開(kāi)發(fā)了200kW超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐。

2.6電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.6.1鉛酸蓄電池系統(tǒng)

鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站充當(dāng)備用電源已使用多年，并在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了極其重要的作用，表7顯示了一些MW級(jí)鉛酸蓄電池系統(tǒng)及其功能。

2.6.2鈉硫電池系統(tǒng)

東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)研發(fā)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，擁有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，1999年在大仁變電站設(shè)置6MW×8h系統(tǒng)，2004年7月又在Hitachi自動(dòng)化系統(tǒng)工廠安裝了目前世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量9.6MW/57.6MWh；鈉硫電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和負(fù)荷側(cè)成功應(yīng)用100余套，總?cè)萘砍^(guò)100MW，其中近2/3用于平滑負(fù)荷。2004年，在美國(guó)哥倫比亞空軍基地安裝了12MW/120MWh鈉硫電池系統(tǒng)，充當(dāng)備用電站。

2.6.3液流電池系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代初，英國(guó)lnnogy公司成功開(kāi)發(fā)出5、20和100kW系列多硫化鈉／溴液流儲(chǔ)能電堆，并于2001年和2002年分別在英國(guó)和美國(guó)各建造了120MWh儲(chǔ)能電站，用于電站調(diào)峰和UPS；2001年，250kW/520kWh全釩液流電池在日本投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。近十多年來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家相繼將與風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰，表8顯示了其中一些示范應(yīng)用工程。

3我國(guó)能源的布局及電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求

3.1我國(guó)能源特點(diǎn)

我國(guó)能源具有以下特點(diǎn)：

（1）化石能源呈逐年下降趨勢(shì)，但以煤炭為主。

表9顯示了我國(guó)國(guó)土資源部對(duì)一次能源結(jié)構(gòu)比例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以看出，化石能源在整個(gè)20世紀(jì)所占的份額均在93%以上，其中煤炭能源占主要部分，2050年化石能源份額將減至70%以下，水電、核電和可再生能源的份額將增加到30%以上。21世紀(jì)上半葉，隨著我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展體系的逐步完善，人們已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到必須最大限度地提高能源生產(chǎn)與利用效率。

（2）資源分布區(qū)域性特征明顯。

我國(guó)已探明煤炭?jī)?chǔ)量為6044億t，其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古；可開(kāi)發(fā)的水電資源為1923.3TWh，99.4%分布在中、西部地區(qū)，其中65%分布在四川、云南和西藏；石油資源890億t，主要分布在東、西部地區(qū)；天然氣資源20×1013m3，主要分布在新疆、青海和四川。從能源分布可見(jiàn)，東部地區(qū)京、津、冀、魯、蘇、滬、浙、閩、粵是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)和發(fā)展速度最快的地區(qū)，其人口占全國(guó)的34.89%，GDP占全國(guó)的54.04%，但其煤炭和水電資源卻只占全國(guó)的8%和0.3%，是全國(guó)最嚴(yán)重缺乏能源資源的地區(qū)。而西部11個(gè)省、區(qū)人口占全國(guó)的25.25%，GDP占全國(guó)的17.32%，卻擁有大量的水電和煤炭資源。東西部能源資源分布不均，富煤、貧油、少氣、多水力的能源資源特點(diǎn)決定了我國(guó)特有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.2我國(guó)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

目前，我國(guó)燃煤發(fā)電量約占總發(fā)電量的75%，火力發(fā)電站多數(shù)靠近煤炭資源比較豐富的西北部地區(qū)；水力發(fā)電量約占23%，大多集中在西、南部地區(qū)；核電、太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等非水能可再生能源發(fā)電量約占2%；電力資源和負(fù)荷分布不均的現(xiàn)狀使得長(zhǎng)距離輸電成為必要。電能需求量日益增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010、2020年我國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)到550GW和800GW。為了改善電能質(zhì)量并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，要求電力系統(tǒng)各部分電氣緊密連接，電力系統(tǒng)向更大規(guī)模方向發(fā)展。

我國(guó)現(xiàn)已形成華北、東北、華東、華中和西北5個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)以及新疆、青海和西藏3個(gè)獨(dú)立省網(wǎng)，電壓等級(jí)包括110、220、500、800kV(西北為110、330、750kV)，并實(shí)現(xiàn)了華中與華東超高壓直流的跨大區(qū)異步互聯(lián)網(wǎng)，建成了三峽至華東和正在建設(shè)三峽至南方電網(wǎng)的30GW的超高壓直流輸電系統(tǒng)，投入運(yùn)行葛(洲壩)滬(上海)、三(峽)常(州)、三(峽)廣(東)、三(峽)滬(上海)、天(天生橋)廣(東)、貴(州)廣(東)Ⅰ回、Ⅱ回等7個(gè)超高壓直流輸電工程和靈寶直流背靠背輸電工程。預(yù)計(jì)到2020年底，中國(guó)還將建成覆蓋華北、華中、華東地區(qū)的特高壓交流同步電網(wǎng)，建成±800kV向家壩—上海、錦屏—蘇南、溪洛渡—浙西等特高壓直流工程15個(gè)，總輸送容量達(dá)94.40GW。上述工程為大區(qū)內(nèi)保持同步電網(wǎng)、大區(qū)間實(shí)現(xiàn)直流異步互聯(lián)奠定了良好基礎(chǔ)，基本形成了西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的格局。

3.3我國(guó)電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)需求

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1）確保大電網(wǎng)的安全性和可靠性。

我國(guó)電網(wǎng)覆蓋面積大，結(jié)構(gòu)薄弱，各種一次能源的分布與負(fù)荷的密度極不均勻，且電源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，裝機(jī)容量與輸電跨度比小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量?jī)H占總裝機(jī)容量的1.7%左右，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到合理水平，且尚未建立用于瞬態(tài)電能質(zhì)量管理和電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)/補(bǔ)償?shù)目焖俅笕萘績(jī)?chǔ)能系統(tǒng)，只能依靠繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置切機(jī)，被動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，因此，很難從根本上避免大面積停電事故。近20年來(lái)，我國(guó)由于系統(tǒng)失穩(wěn)造成的大停電事故已達(dá)140余起，每次損失數(shù)千萬(wàn)元乃至數(shù)億元。因此，迫切需要建立起以多點(diǎn)儲(chǔ)能裝置支撐的系統(tǒng)，有效地支持電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和頻率，消除由于電網(wǎng)互聯(lián)和負(fù)荷突變而形成的區(qū)域振蕩，實(shí)現(xiàn)輸/配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理和電能質(zhì)量管理，提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

（2）加強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)峰谷負(fù)荷的自調(diào)節(jié)性。

電力負(fù)荷存在白天高峰和夜間低谷的周期性變化，負(fù)荷峰谷差往往達(dá)到發(fā)電出力的30%~40%，近年來(lái)存在迅速遞增的趨勢(shì)，如夏季空調(diào)制冷負(fù)荷就已接近華中、川渝電力負(fù)荷的1/3，華東達(dá)28.7%，京津唐達(dá)28.9%。電網(wǎng)峰谷差給發(fā)電和電力調(diào)度造成困難。因缺乏調(diào)峰電源，許多省、區(qū)高峰時(shí)段不得不拉閘限電。建立既經(jīng)濟(jì)又反應(yīng)快速的調(diào)峰電站和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，以便將低谷電能轉(zhuǎn)化為高峰電能，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負(fù)荷調(diào)節(jié)的有效途徑，也是推動(dòng)電力工業(yè)市場(chǎng)化的前提。

（3）提高輸變電能力，解決跨區(qū)域供需矛盾。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的依賴性較高，2001年終端用戶能源消費(fèi)支出1.25萬(wàn)億元，占GDP總量的13%，而美國(guó)僅為7%。盡管核電技術(shù)已經(jīng)引進(jìn)，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)格局基本形成，但電力供需地域性矛盾依然嚴(yán)峻，京津唐、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲三大負(fù)荷地區(qū)現(xiàn)有的電力并不能滿足實(shí)時(shí)需要，據(jù)2005年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)缺電量高達(dá)30GW。在增加發(fā)電容量的同時(shí)，充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)、最大限度地提高現(xiàn)有設(shè)備輸變電能力、經(jīng)濟(jì)高效地利用電能是解決問(wèn)題的根本所在。

（4）增加供電可靠性，改善用戶電能質(zhì)量。

在電力系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)事故和電網(wǎng)崩潰時(shí)，為防止醫(yī)院、消防、通信、銀行等重要負(fù)荷區(qū)電力中斷，儲(chǔ)能設(shè)備將充當(dāng)UPS/EPS提供動(dòng)力，可為電網(wǎng)恢復(fù)爭(zhēng)取時(shí)間，避免損失擴(kuò)大。同時(shí)，可以與電力電子變流技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無(wú)功控制，快速平衡系統(tǒng)中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率，減小擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，改善用戶電能質(zhì)量。

（5）滿足可再生能源系統(tǒng)的需要。

我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量為764MW，2020年時(shí)將達(dá)到30GW，而光伏發(fā)電將達(dá)到1GW，可再生能源在我國(guó)未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點(diǎn)，并網(wǎng)容量和電網(wǎng)容量相比較小時(shí)對(duì)系統(tǒng)沖擊不大，利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)能夠保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電、光電容量所占比例超過(guò)10%后，對(duì)局部電網(wǎng)將產(chǎn)生明顯沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)大規(guī)模惡性事故。因此，研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。

圖1顯示了各種儲(chǔ)能技術(shù)的功率等級(jí)及其目前的技術(shù)成熟度，具體方式的選擇需考慮實(shí)際用途、額定功率、橋接時(shí)間、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成本、環(huán)境條件等多種因素。針對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需要，并從國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃和城市電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展大計(jì)綜合考慮，2007年國(guó)家電網(wǎng)公司提出了能源轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究—儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究框架，并進(jìn)行了周密部署，十一五期間將以電力儲(chǔ)能技術(shù)前期研究和共性問(wèn)題研究為基礎(chǔ)，以先進(jìn)儲(chǔ)能裝置和電網(wǎng)接入系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究為主攻方向，以示范工程為成果展示平臺(tái)，以前瞻性研究為儲(chǔ)能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)自主創(chuàng)新掌握電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心技術(shù)，并推動(dòng)實(shí)際工程的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用、研究與開(kāi)發(fā)表現(xiàn)出以下3個(gè)特征：

（1）以可再生能源系統(tǒng)應(yīng)用為切入點(diǎn)，開(kāi)發(fā)100kW級(jí)全釩液流和MW級(jí)鈉流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，逐步替代鉛酸電池系統(tǒng)，為區(qū)域電網(wǎng)平滑負(fù)荷、提高配電網(wǎng)供電可靠性、UPS等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

由于全釩液流電池正、負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，只是價(jià)態(tài)不同，可以避免正、負(fù)極活性物質(zhì)通過(guò)離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，成本低、壽命長(zhǎng)，已成為液流電池體系中主要的商用化發(fā)展方向之一。自1995年起，我國(guó)就開(kāi)始了全釩液流電池的研究，已成功開(kāi)發(fā)出10kW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大于80%，最大輸出功率超過(guò)25kW，并建立了電池實(shí)驗(yàn)室模型，在電極設(shè)計(jì)、溶液制備、濃度控制、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、公用管道設(shè)計(jì)、電池組裝配和調(diào)試等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)化全氟磺酸離子膜有望取代進(jìn)口離子膜材料，這為自主研發(fā)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)奠定了條件。2008年，中國(guó)電力科學(xué)研究院將研發(fā)用于風(fēng)電場(chǎng)的100kW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并考核其運(yùn)行的可靠性和耐久性。

鈉流電池能量密度高，維持300ºC左右運(yùn)行溫度的技術(shù)難題已得到解決，但目前價(jià)格較高，推廣應(yīng)用主要障礙源于國(guó)外企業(yè)的技術(shù)壟斷。通過(guò)國(guó)產(chǎn)化來(lái)降低成本，實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，成本將接近鉛酸電池系統(tǒng)。目前，上海電力公司正著手50kW~1MW不同容量等級(jí)鈉硫電池系統(tǒng)的研制，用于UPS/EPS，力圖掌握大尺寸電解質(zhì)陶瓷管等核心部件制備技術(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并實(shí)現(xiàn)模塊化、規(guī)?；a(chǎn)。

（2）以液氮溫區(qū)運(yùn)行SMES研究為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，提高我國(guó)大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制低頻振蕩，增加高壓線路的輸電能力。

在大電網(wǎng)互聯(lián)的模式下，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)并不總是能夠足夠快地響應(yīng)擾動(dòng)以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定。SMES的ms級(jí)響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞決定了其在提高大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面是無(wú)可替代的：SMES在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，抑制同步振蕩和諧振，并在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

在九五和十五期間，我國(guó)已先后研制成功25kJ~1MJSMES系統(tǒng)，目前1MJSMES正處于并網(wǎng)調(diào)試中，但低溫超導(dǎo)SMES制冷系統(tǒng)較復(fù)雜，技術(shù)要求高，而鉍系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機(jī)冷卻，穩(wěn)定裕度低。為進(jìn)一步改善SMES性能、降低成本并提高其經(jīng)濟(jì)性，中國(guó)電力科學(xué)研究院正在分階段、有重點(diǎn)地開(kāi)展第二代高溫超導(dǎo)帶材——釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7)涂層導(dǎo)體SMES儲(chǔ)能單元構(gòu)造、低損耗快速功率變換及其控制策略、模塊化系統(tǒng)集成、動(dòng)態(tài)建模與仿真、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃及其與電網(wǎng)匹配運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)的探索性研究，通過(guò)示范推動(dòng)SMES的實(shí)際應(yīng)用，確保大電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。

（3）加快建設(shè)GW級(jí)抽水蓄能混合式電站，滿足大電網(wǎng)調(diào)峰和緊急事故備用的現(xiàn)實(shí)需要。

為了優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，保證電網(wǎng)安全，改善電能質(zhì)量，我國(guó)抽水蓄能電站的建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計(jì)工作正在全國(guó)范圍內(nèi)蓬勃展開(kāi)。抽水蓄能電站的運(yùn)行正逐漸向雙日或周季調(diào)節(jié)過(guò)渡，并通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高轉(zhuǎn)換效率、增加運(yùn)行靈活性。為提高經(jīng)濟(jì)效益，潘家口、響洪甸、佛磨、雙溝和天堂等電站融水利、水電、抽水蓄能于一體，選擇混合模式開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)電站的新建和擴(kuò)建，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和資源的節(jié)約利用。

5結(jié)束語(yǔ)

電力儲(chǔ)能技術(shù)正朝著轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化和應(yīng)用低成本化方向發(fā)展，通過(guò)試驗(yàn)示范和實(shí)際運(yùn)行日趨成熟，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮出調(diào)峰、電壓補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量管理等重要作用，確保了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行?；谖覈?guó)能源分布特點(diǎn)，國(guó)家電網(wǎng)已基本形成西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的格局。為確保大電網(wǎng)的安全性和可靠性、加強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)峰谷負(fù)荷的自調(diào)節(jié)性、提高輸變電能力、解決跨區(qū)域供需矛盾、增加供電可靠性、改善用戶電能質(zhì)量并滿足可再生能源系統(tǒng)的需要，將以開(kāi)發(fā)100kW級(jí)全釩液流、鈉流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液氮溫區(qū)運(yùn)行SMES為重點(diǎn)，加快建設(shè)10GW級(jí)抽水蓄能混合式電站，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化配置和電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。