新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀與分析

丁志康　王維俊　米紅菊　張國平　劉華

摘????? 要：新能源發(fā)電是目前全球能源發(fā)展的主流方向，但由于間歇性大和可控性差等問題，其發(fā)展一直受到制約。在改善其電能輸出穩(wěn)定性的過程中，儲(chǔ)能技術(shù)得到較大規(guī)模的應(yīng)用，進(jìn)而也獲得了重要的發(fā)展契機(jī)。針對現(xiàn)有常見的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了簡介，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn);對混合儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例及優(yōu)缺點(diǎn);對國內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析對比，總結(jié)出了我國在新型儲(chǔ)能技術(shù)方面的劣勢與近年來取得的研究成果;總結(jié)分析出了當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展亟須解決的4個(gè)問題，并結(jié)合實(shí)際做了展望。

關(guān)? 鍵? 詞：新能源;儲(chǔ)能;混合儲(chǔ)能;現(xiàn)狀;分析

中圖分類號：TQ083⁺.1??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ????文章編號： 1671-0460（2020）07-1519-04

Current Situation and Analysis of Energy Storage

Technology in New Energy Power Generation System

DING Zhi-kang 1， WANG Wei-jun 2， MI Hong-ju1， ZHANG Guo-ping1， LIU Hua1

（1. Army Logistic University of PLA， Chongqing 400000， China; ??2. Academy of Military Sciences， Beijing 100000， China）

Abstract： New energy power generation is the mainstream direction of global energy development， but its development has been restricted due to big intermittency and poor controllability. In the process of improving the stability of its power output， energy storage technology has been applied in a large scale， and has also obtained an important development opportunity. In this paper， the existing common energy storage technologies were introduced， and the advantages and disadvantages were analyzed; the current situation of hybrid energy storage technology was introduced， and the corresponding application examples and advantages and disadvantages were given; the development status of domestic and foreign energy storage technology was analyzed and compared， and the disadvantages of new energy storage technology in China and the research achievements in recent years were summarized. At last， four problems in the current energy storage technology development were summarized and analyzed， and development trend was prospected in combination with the actual situation.

Key words： New energy; Energy storage; Hybrid energy storage; Current situation; Analysis

當(dāng)前，全球氣候變暖、大氣污染、酸雨蔓延、水體污染、臭氧層破壞、固體廢物污染等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，這對國際能源形勢的改變產(chǎn)生了較為深遠(yuǎn)的影響。新能源異軍突起，由于其具有清潔低碳、資源豐富、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為各國能源發(fā)展的主流方向。但新能源發(fā)電系統(tǒng)間歇性大和可控性差等問題，也一直嚴(yán)重制約其發(fā)展^[1]。在改善新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性的過程中，儲(chǔ)能技術(shù)得到較大規(guī)模的應(yīng)用，進(jìn)而也獲得了重要的發(fā)展契機(jī)。

儲(chǔ)能技術(shù)具有削峰填谷的重要作用^[2]。在產(chǎn)能高峰期時(shí)，可以將未消耗的一部分電能儲(chǔ)存起來，待產(chǎn)能低峰期出現(xiàn)時(shí)，再將電能釋放，用于減輕波動(dòng)，保證母線電壓的變化能夠維持在一定安全范圍內(nèi)，使得電網(wǎng)或者負(fù)載正常運(yùn)行。儲(chǔ)能技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中占據(jù)著重要地位，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)輸電、供配電、汽車制造、軌道交通、航天航空等領(lǐng)域。但囿于材料、性能、制造技術(shù)、政策限制等多方面的原因，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展還有極大的上升空間^[3]。

1 ?現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1? 儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要有化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、磁場儲(chǔ)能技術(shù)、電場儲(chǔ)能技術(shù)以及機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)等。其中，化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)以鋰離子電池、鉛酸蓄電池為主，液流、鈉硫、鎳氫電池等技術(shù)的研究也取得了極大的突破。磁場儲(chǔ)能技術(shù)主要是指超導(dǎo)儲(chǔ)能。電場儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電解電容儲(chǔ)能和超級電容儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)則以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等為代表^[4]。各類儲(chǔ)能技術(shù)簡介及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示^[5]。

1.2? 混合儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，受制于材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝等因素，尚未出現(xiàn)一種儲(chǔ)能技術(shù)能夠同時(shí)具有功率密度高、能量密度高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長、成本費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是無法兼顧高能量密度和高功率密度。因此，以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)作為解決辦法的方案較為常見。

李彥哲等^[6]提出了一種由含氫儲(chǔ)能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要用于優(yōu)化風(fēng)/光/儲(chǔ)-微電網(wǎng)的運(yùn)行。經(jīng)過HOMERPro軟件仿真分析，得出以下結(jié)論：該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)使微電網(wǎng)總凈現(xiàn)值成本和平均化能源成本均得到下降，減少了能源的浪費(fèi)，提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性;但氫氣不穩(wěn)定，運(yùn)行過程中，易發(fā)生安全事故，并且單獨(dú)考慮儲(chǔ)能成本，仍然較高。

鄧匯娟等^[7]建立了一種由超導(dǎo)儲(chǔ)能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能模型，主要用于平滑風(fēng)電功率波動(dòng)。經(jīng)過仿真分析，得出以下結(jié)論：該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠較好地平抑風(fēng)電功率的波動(dòng)，有效地減少電池的充放電次數(shù)及放電深度;但模型復(fù)雜，且預(yù)期經(jīng)濟(jì)成本較高。

韓舒淇等^[8]建立了一種由風(fēng)電制氫與超級電容組成的混合儲(chǔ)能模型，主要用于解決風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰壓力較大、棄風(fēng)率較高的現(xiàn)象。經(jīng)過PSCAD/EMTDC仿真分析后，得出以下結(jié)論：接入該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電機(jī)組出力可控且友好，大大削減了對電網(wǎng)沖擊;但氫儲(chǔ)能分系統(tǒng)運(yùn)行壽命無法保證，系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。

文獻(xiàn)^[9]提出了一種由化學(xué)儲(chǔ)能和抽水蓄能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要用于提升微電網(wǎng)對可再生能源利用率。經(jīng)過MATLAB/simulink仿真分析后，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，但控制系靈敏度和穩(wěn)定度較低，并且抽水蓄能電站建設(shè)成本較高。

曹智^[10]提出了一種由蓄電池和壓縮空氣儲(chǔ)能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要用于平衡風(fēng)功率和風(fēng)電場預(yù)測功率之間的偏差。經(jīng)過MATLAB仿真分析后，得到以下結(jié)論：該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命長，儲(chǔ)能周期長，在經(jīng)濟(jì)性上有較明顯的優(yōu)勢;但控制系靈敏度和穩(wěn)定度較低，并且壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的建設(shè)對場地要求較高，不具有普適性。

在各種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的提法中，由超級電容和蓄電池組合成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提法較多，并廣泛應(yīng)用于汽車制造、船舶航行、軌道交通運(yùn)行、微電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化、新能源發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值^[11]。

祝逍臨和張純江等^[12-13]提出了一種由超級電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，祝逍臨

等^[12]提出的系統(tǒng)主要用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中。在對儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理分析后，對系統(tǒng)主電路與控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過仿真分析，得到以下結(jié)論：儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)，并減小了系統(tǒng)對超級電容的容量要求;但控制較為復(fù)雜。張純江等^[13]提出的系統(tǒng)主要用于解決在光伏發(fā)電量和負(fù)載需求量接近的情況下，系統(tǒng)頻繁切換蓄電池的充放電狀態(tài)，導(dǎo)致船舶啟動(dòng)時(shí)，低電壓穿越能力較差的問題。利用MATLAB/simulink軟件搭建仿真模型，經(jīng)計(jì)算后得到以下結(jié)論：超級電容器的容量沒有得到完全的利用;超級電容單獨(dú)工作時(shí)，則可以充分發(fā)揮其快充快放的優(yōu)勢，減少了系統(tǒng)頻繁切換蓄電池充放電的次數(shù);母線電壓恢復(fù)至正常值的速度稍有變快，但未見較大優(yōu)勢。

1.3? 國外儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

以美國、日本、德國等為代表的發(fā)達(dá)國家，對新型儲(chǔ)能技術(shù)較為重視。在化學(xué)儲(chǔ)能、超級電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的研究發(fā)展處于較為領(lǐng)先的地位^[14]。美國能源部已將儲(chǔ)能技術(shù)定位為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，并制訂了一系列的稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)政策，用于支持儲(chǔ)能技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在2011年，美國就在西弗吉尼亞州建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，并投入運(yùn)營。該電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模為32 MW，用于匹配98 MW的風(fēng)力發(fā)電。日本則在液流電池、鈉硫電池和改性鉛酸電池等儲(chǔ)能技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究探索，尤其是在鈉硫電池領(lǐng)域已獲得重大突破，擁有了大量的專利技術(shù)。而在眾多歐洲的發(fā)達(dá)國家中，德國在推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)方面的動(dòng)作較大，尤其是對光伏儲(chǔ)能進(jìn)行了高額補(bǔ)貼^[15]。

但近10年來，其他國家也開始意識到儲(chǔ)能技術(shù)的重要性，紛紛加快了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局和技術(shù)的發(fā)展，美國、日本等發(fā)達(dá)國家的優(yōu)勢地位開始逐漸下降。據(jù)德國萊茵TüV與中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）聯(lián)合發(fā)布的《2018儲(chǔ)能系統(tǒng)白皮書》預(yù)測：到2026年，美國、中國、印度將成為全球電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能安裝規(guī)模最大的前三個(gè)國家。這也說明，在儲(chǔ)能技術(shù)方面，國內(nèi)外的差距已經(jīng)越來越小^[16]。

1.4? 國內(nèi)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在抽水蓄能這一傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)中，擁有較大優(yōu)勢，按照總裝機(jī)容量來看，我國以32.0 GW位列全球第一，日本和美國次之。表2展示了全球運(yùn)行抽水蓄能項(xiàng)目總裝機(jī)容量前10的國家。

但我國在新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，和其他發(fā)達(dá)國家相比， 起步較晚^[17]，目前仍處于積極探索和建設(shè)示范工程的初級階段。根據(jù)美國能源部于2016年8月16日更新的全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)顯示，我國儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到32.1 GW，其中抽水蓄能裝機(jī)容量就高達(dá)32.0 GW，電化學(xué)儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能裝機(jī)容量均為0.05 GW，其余儲(chǔ)能項(xiàng)目數(shù)據(jù)未統(tǒng)計(jì)^[18]。從上述數(shù)據(jù)中，可以看出我國在新型儲(chǔ)能技術(shù)方面的劣勢。

為改善這一問題，我國政府部門也制訂了一系列的優(yōu)惠政策，包括降低稅收、提高補(bǔ)貼、減少審批流程、鼓勵(lì)科研立項(xiàng)等措施，尤其是在“十三五”規(guī)劃的百大工程項(xiàng)目中，就有多個(gè)與儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目。

目前，我國已建成了一大批具有代表性的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。圖1為“張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程“，在儲(chǔ)能技術(shù)上，示范應(yīng)用了磷酸鐵鋰電池、鉛酸鋰電池、全釩液流電池、鉛炭電池以及超級電容等多種技術(shù)路線^[19]。

圖2為“魯能海西州多能互補(bǔ)示范工程”，該項(xiàng)目是國內(nèi)最大的發(fā)電側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目，于2018年12月25日順利并網(wǎng)發(fā)電，其中磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量達(dá)到50 MW^[20]。

除此以外還有“大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站”、“長沙微網(wǎng)分布式新能源儲(chǔ)能節(jié)能國家級示范基地”、“二連浩特風(fēng)電+光伏+光熱+儲(chǔ)能示范基地”、“河南電網(wǎng)100兆瓦電池儲(chǔ)能示范工程”等大規(guī)模儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目?？梢哉f，我國新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了快車道，與發(fā)達(dá)國家之間的技術(shù)差距正在逐漸減小^[21]。

2? 待解決問題

目前，多數(shù)儲(chǔ)能技術(shù)在理論上已經(jīng)較為成熟，但在實(shí)踐過程中，成本、壽命等短板問題就凸顯出來了。經(jīng)過分析，可總結(jié)出有以下問題亟須解決：

1）降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本;

2）延長儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命;

3）改進(jìn)優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制算法，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和輸出的穩(wěn)定性;

4）提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。

針對上述問題，可以考慮從以下兩個(gè)方面著手解決：

1）政府加強(qiáng)引導(dǎo)。通過政策扶持、鼓勵(lì)研發(fā)、資金投入、簡化審批等手段，吸引更多科研機(jī)構(gòu)和企事業(yè)單位進(jìn)入儲(chǔ)能領(lǐng)域。

2）行業(yè)規(guī)范制定?；谖覈鴥?chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，行業(yè)內(nèi)部制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范，使整個(gè)產(chǎn)業(yè)得以有序、高效的發(fā)展，進(jìn)而營造出一種良性的競爭氛圍。

3? 展 望

目前，國內(nèi)外學(xué)者已提出多種合理可行的儲(chǔ)能技術(shù)，其中大多數(shù)技術(shù)也已運(yùn)用到了工程實(shí)踐之中，但仍暴露出了不少問題。隨著新能源發(fā)電的規(guī)模不斷擴(kuò)大，為保證電網(wǎng)或負(fù)載的正常運(yùn)行，大力研究與發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)是勢在必行的方向。

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號：2016YFC0305001）;國家科技支撐計(jì)劃課題資助（項(xiàng)目編號：2014BAC01B05）。

收稿日期： 2020-01-31

作者簡介：丁志康（1996-），男，湖北省武漢市人，碩士，研究方向：電氣工程。E-mail：dzk.marco.reus@foxmail.com。

通訊作者： 王維?。?964-），女，湖北省武漢市人，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力保障裝備和多能源發(fā)電技術(shù)。