 Smart Grid 智能电网, 2013, 3, 8-13 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2013.31002 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) Research on Large-Scale Energy Storage Technology of Smart Grid Xuefeng Hu1,2*, Zhuo Yang3, Xiangyu Tan4, Dada Wang4, Xianping Zhao4, Ya jing Gao2, Lei Tian5, Shengping Zhao1 1Workstation of North China Electric Power University, Yunnan Power Grid Company, Kunming 2North China Electric Power University, Baoding 3Yunnan Power Grid Company, Kunming 4Power Research Institute of Yunnan Power Grid Company, Kunming 5Workstation of Kunming University of Science and Technology, Yunnan Power Grid Company, Kunming Email: *tohuf.angle@163.com Received: Dec. 18th, 2012; revised: Jan. 6th, 2013; accepted: Jan. 14th, 2013 Abstract: Large-scale energy storage system is an important part of the Smart Grid, it’s called the sixth part of the elec- tric system besides generation, transmission, substation, distribution and users. Based on the needs of the Smart Grid development, this article introduced the present situation of different ene rgy sto rage system briefly, and mainly analyzed the necessity and development trend of large-scale energy storage system construction. Finally, combined with the pro- ject team research situation, this article put forward some constructive suggestion about energy storage technology. Keywords: Energy Storage; Smart Grid; Pumped Storage; CAES; BESS 智能电网中大规模储能技术研究 胡雪峰 1,2*，杨 卓3，谭向宇 4，王达达 4，赵现平 4，高亚静 2，田 雷5，赵盛萍 1 1华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 2华北电力大学，保定 3云南电网公司，昆明 4云南电网电力研究院，昆明 5昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，昆明 Email: *tohuf.angle@163.com 收稿日期：2012 年12 月18 日；修回日期：2013 年1月6日；录用日期：2013 年1月14 日 摘 要：大规模储能系统是智能电网建设的关键一环，被称为电力成产中发电、输电、变电、配电和用电之外 的“第六环节”。本文结合智能电网发展需求，简要介绍了各种储能系统发展现状，重点分析了构建大规模储能 系统的必要性及其发展趋势，最后结合项目组调研情况，对当前储能技术发展提出了建设性意见。 关键词：储能；智能电网；抽水蓄能；压缩空气储能；电池储能 1. 引言 目前，世界各国都在结合本国电网特点规划建设 智能电网，智能电网的目标是通过全面改造现有的电 力系统，构建成高效、自愈、经济、兼容、集成和安 全的下一代电网。大规模储能技术的应用是实现智能 电网发展目标的关键因素，它通过在传统电力系统生 产模式的基础上增加储能环节，在负荷低谷时将电能 储存起来，负荷高峰时将存储的电能释放回电网，将 原来几乎完全“刚性”的电力系统变得“柔性”起来[1]， 从而实现智能电网各项设定目标，因此储能技术也 *通讯作者。 Copyright © 2013 Hanspub 8  智能电网中大规模储能技术研究 被称为电力生产中发电、输电、变电、配电和用电之 外的“第六环节”[2]。大规模储能技术在智能电网中 具有广阔的应用前景，在削峰填谷、消纳风能等可再 生能源发电、平稳电能输出、改善电能质量、应对突 发状况对系统冲击等方面具有巨大潜力[3]。 2. 各种储能方式简介 储能方式分为机械储能、电磁储能和化学储能， 其中机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储 能；电磁储能包括超导储能和超级电容储能；化学储 能主要是指电池储能系统，包括铅酸电池、液流电池、 钠硫电池和锂电池等。 2.1. 抽水蓄能 抽水蓄能电站配备上、下游两个水库，负荷低谷 电能富余时，将下游水库的水抽到上游水库保存；负 荷高峰电能缺口时，利用储存在上游水库中的水发 电。抽水蓄能是目前存储大规模电力技术最成熟、成 本效益最好的储能技术，也是当前惟一广泛采用的大 规模能量存储技术，世界总装机容量已超过 150,000 MW；缺点是其受地理条件、转化效率等方面的制约 较大，响应时间是分钟级，应对电网负荷波动能力较 差。抽水蓄能电站能够用于黑启动、控制电网频率、 提供备用容量和提高火电站和核电站的运行效率等 方面。 目前，我国已建成抽水蓄能电站20 余座，不足 全国总装机容量的 2%，低于一般工业化国家 5%~10% 的平均水平[4]。近期国家加快了相关技术研发的投入， 在建装机容量达到 12,040 MW，居世界第一，2020 年我国抽水蓄能电站总装机容量将达到约6000 万 kW。我国单机最大的浙江仙居抽水蓄能电站于 2010 年12 月开工建设，将安装 4台单机 37.5 万kW 的机 组，预计 2016 年建成，建成后可以为华东电网提供 300 万kW 调峰容量。2012 年6月15 日，国家 863 计划课题“大规模风电与大容量抽水储能在电网中的 联合优化技术”启动，将会进一步促进抽水蓄能电站 在国内的发展。 2.2. 压缩空气储能 压缩空气储能是利用电网负荷低谷时的剩余电 力压缩空气，将空气高压密封在密封空间中，在需要 电能时，释放高压空气推动汽轮机发电。压缩空气储 能燃料消耗比调峰用燃气轮机组可以减少1/3，所消 耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%，安全系数高 ，使 用寿命长[5,6]。压缩空气储能只适用于大型系统，同时 建造受地穴、矿井等特殊地形条件的限制[7]。 压缩空气储能由于其储能规模大、成本低，在全 球范围内有很大的发展空间。目前美国正计划在俄亥 俄州建造世界上最大容量的压缩空气储能电站，总装 机容量达到 2700 MW。我国于 2003 年开始压缩空气 储能的研究，哈尔滨电力部门正在利用现有的地道作 为贮气室进行研究。华北电力大学等国内高校正在进 行压缩空气系统热力性能计算及其经济分析的研究。 随着分布式能量系统的发展以及减少储气库容积和 提高储气压力的需要，8~12 MW微型压缩空气储能系 统已经成为当前研究的热点。 2.3. 飞轮储能 飞轮储能的原理是将电能通过电动机转化为飞 轮转动的动能储存起来，供电时，将飞轮的动能通过 发电机转化为电能输出到外部负载。飞轮储能的主要 优点是高充放电率，高循环次数，响应速度快，无污 染，维护简单，寿命一般为20 年；缺点是成本高、 能量密度较低，保证系统安全性方面的费用很高，储 能损耗较高，不适合用于能量的长期存储[8]。 受益于电力电子技术、磁悬浮技术和高强度碳素 纤维技术的进步，飞轮储能技术近年来发展迅速。文 献[9-11]介绍，国际先进的飞轮储能系统储能效率已 经达到了 99.4%，可储能 100 kWh。2004年，巴西实 现了利用超导与永磁悬浮轴承的飞轮储能，用于电压 补偿。2011 年，世界最大的飞轮储能系统完成安装， 容量 20 MW，采用了当前世界最先进的碳纤维复合飞 轮转子技术，吸收并释放 1 MW的电能仅需 15 分钟。 我国飞轮储能研究起步较晚，目前还只是从事系统基 础研究及小容量试点。飞轮储能技术的发展正朝着大 功率、高效率、低损耗和安全可靠的方向发展。 2.4. 电池储能 电池储能系统是指以蓄电池为能量载体与电网 进行电能交换的系统。具有充电/放电工作状态转换迅 速、设备维护工作量小、高度智能化等优点，可配合新 Copyright © 2013 Hanspub 9  智能电网中大规模储能技术研究 能源并网，可作应急电源，亦可小范围孤网运行[12-14]。 根据所用化学物质的不同，蓄电池可以分为铅酸 电池、液流电池、钠硫电池和锂电池等。铅酸电池价 格低廉，技术成熟，可靠性高，占据着电池储能 45%~ 50%的市场，但是其能量密度低、寿命短、污染环境 等缺点制约了铅酸电池的发展；液流电池是目前一种 前沿储能技术，克服了铅酸电池寿命短的缺点，但是 其同样具有污染性；钠硫电池比能量高，可实现大电 流、高功率放电，充放电效率高，但是它需要采用高 性能的真空绝热保温技术来维持 300℃~350℃的工作 温度，安全性较差，成本太高；锂离子电池体积小、 能量密度高、综合效率高、循环寿命长、无记忆效应、 绿色环保，受电动汽车产业的推动，锂电池的技术和 资金储备雄厚，是最具有发展前景的电池储能系统， 但是锂电池需要较复杂的电源管理系统，生产成本较 高。 美国电科院在2009 年开展了 MW级锂离子电池 储能系统用于平滑风电场功率波动的示范应用，目前 世界上运行的最大锂离子储能系统是 A123 公司投资 建设的，装机容量为 2 MW[15]。2009 年11 月，我国 成功研制出具有自主知识产权的容量为 650 A·h的钠 硫储能单体电池，使我国成为继日本之后世界上第二 个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。在日本 运营的容量为 4 MW 的全钒液流电池为当地 32 MW 的风电场提供储能，并已运行27 万次循环，世界上 还没有任何其他储能技术能够实现这一要求[16]。 2.5. 超导磁储能 超导储能装置利用超导线圈将电磁能直接储存 起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载。功率 输送时不需要能源形式的转换，具有响应速度快、综 合效率高和功率密度高等优点。超导储能装置不仅可 用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除 电网的低频功率振荡，改善电网的电压和频率特性， 同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系 统的稳定性。 近年来，超导材料实用化发展迅速，促进了超导 储能的研发和应用。但是，要实现超导储能的大规模 应用，还需要提高超导体的临界温度，研制出力学性 能和电池性能良好的超导线材，提高系统稳定性和使 用寿命[17]。目前世界上 1~5 MJ/MW低温超导磁储能 装置已形成产品，100 MJ超导磁储能系统已投入高压 输电网实际运行，5 GWh超导磁储能技术已通过可行 性分析和技术论证。我国十五“863”计划启动了高 温超导输电电缆、限流器、变压器以及高温超导磁储 能系统等超导电力应用技术项目，取得了良好的进 展。2005 年11 月，我国第一台直接冷却高温超导磁 储能系统在华中科技大学系统动模实验室成功实现 了动模试验运行[18,19]。 2.6. 超级电容器 超级电容器由 2个多孔电极、隔膜及电解质组成。 超级电容器充放电的速度快，几乎没有充放电次数以 及最大放电量的限制，平均寿命可达25年以上。缺 点是储能密度低于一般的化学电池，且放电时间很 短。其未来的发展主要是面向电动汽车，以及电力系 统中短时间、大功率负载的平滑，在电压跌落和瞬态 干扰期间提高供电水平等。 国外就超级电容器方面的研究较早，美国、日本 和俄罗斯的大公司一直占据着这一行业大部分市场 份额，产品领域包括电动汽车、轨道交通能量回收系 统、小型新能源发电系统及军用武器等方面。我国在 这个行业也有了一定成果，大庆华隆电子有限公司是 我国首家实现超级电容器产业化的公司；无锡力豪科 技有限公司与中科院电工研究所无锡分所经过多年 联合攻关，于 2011年8月成功研制出基于超级电容 器的动态电压恢复器；超级电容公交电车方面，中国 是唯一将超级电容公交车投入量产的国家。 各种储能方式特点及其优缺点比较如表 1所示。 3. 智能电网发展大规模储能的必要性 3.1. 满足可再生能源发展需要 由于风能和太阳能等新能源具有随机性、间歇 性、出力变化快等特点，而且风能还具有不可预测、 反调峰特性，大容量的新能源发电直接并网会对电网 运行、控制及有功调度带来较大的影响，并网问题现 已成为了制约可再生能源发展的瓶颈。新能源发电设 备中若配有储能装置，利用储能装置秒级甚至毫秒级 的有功调节能力，可以平滑新能源的输出曲线。储能 系统的有功动态调节能力使其可发挥类似发电机的 Copyright © 2013 Hanspub 10  智能电网中大规模储能技术研究 Copyright © 2013 Hanspub 11 Table 1. Energy storage ways comparison 表1. 各储能方式比较 储能类型 典型额定功率(MW) 放电时间 优点 缺点 适用场合 抽水蓄能 100~2000 1~24 h 大规模、低成本、 技术相对成熟 相应速度较慢、 受地形条件限制 削峰填谷， 频率控制和系统备用 压缩空气 10~200 1~24 h 大规模、低成本 受地形条件限制 削峰填谷、调频、 系统备用 机械储能 飞轮储能 0.005~1.5 1 ms~15 min 比功率大 损耗高、噪声大、 低能量密度 调峰、频率控制、 UPS 和电能质量 超导磁储能 0.01~1 1 s~5 min 响应快、比功率高、 效率高、损耗极低 成本高、维护困难 电能质量控制、 输配电稳定、UPS 电磁储能 超级电容器 0.01~1 1~30 s 相应快、比功率高 成本高、储能量低 与FACTS结合 铅酸电池 0.001~50 1 min~3 h 技术成熟、成本低 寿命短、有污染 电能质量、频率控制、 电站备用、黑启动、 可再生储能 液流电池 0.005~100 1~20 h 寿命长、高能力、 适于组合、效率高 低储能密度、有污染 电能质量、备用电源、 调峰填谷、能量管理、 可再生储能 钠硫电池 0.1~100 数小时 高效率、高能密度 高成本、安全性较差 电能质量、备用电源、 调峰填谷、能量管理、 可再生储能 化学储能 锂电池 几千瓦至几兆瓦 数分钟至数小时 高效率、高能密度 高成本、安全性较差 电能质量、 备用电源、UPS 对电网的频率调节作用，调和电力供给与需求之间的 差异。储能系统在新能源领域的另一项应用是风光储 一体化发电系统，该系统可以充分利用风能和光伏在 时间和地域上的天然互补性，同时配合储能系统对电 能的存储和释放，改善整个风、光发电系统的功率输 出特性，缓解风电、光电等可再生能源对电网的不利 影响，增加电网对可再生能源的吸纳程度。2009年6 月，总投资 200亿元，张北成为了世界第一个风光储 试验基地。 文献[20,21]通过仿真研究，表明超导储能和超级 电容储能系统能有效改善风电输出功率及系统的频 率波动。针对这些控制方案将降低风电机组效率的缺 陷，文献[22]通过对飞轮储能系统的充放电控制，实 现了平滑风电输出功率、参与电网频率控制的双重目 标。 3.2. 削峰填谷，减少系统备用，提高设备利用率 电力生产要求发电、供电、用电之间必须随时保 持平衡，然而白天和黑夜、不同季节间的峰谷差要求 电力系统又必须配有一定的发电备用容量，随着新能 源产业及社会经济的迅速发展，通过增加旋转备用来 满足高峰负荷需求变得越来越困难。储能系统可以在 电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电， 在电网负荷峰值的时候向电网输送电能，实现削峰填 谷功能[23,24]，同时，还可以减少电网对发电设备的投 资，提高电力设备的使用率，减小线路损耗，提高供 电可靠性，创造巨大的经济效益和社会效益。 储能系统具有响应速度快、运行成本低等特点， 将比火电机组更适合充当发电备用的角色。如果将来 能够建设更大容量的储能站，或者在全网分散布置大 量的小容量储能站，当整体储能容量达到一定规模 时，就能逐步减少火电机组的旋转备用。 文献[25]通过在 PSCAD 下建模仿真说明了超级 电容在解决分布式发电电能质量等问题方面有很好 的效果。文献[26,27]研究了采用电池储能系统来提高 电能质量的问题，结果表明，该储能系统能实现与系 统的快速有功、无功功率交换，有效改善电压波动性， 适用于解决风电并网带来的电能质量问题。 3.3. 减缓输电压力，提升配网智能化水平 在我国许多地区，电力输送能力的增长远远跟不 上电力需求增长的步伐，在高峰电力需求时输配电系  智能电网中大规模储能技术研究 统往往变得拥挤阻塞，影响系统正常运行。若把储能 系统安装在输配电系统阻塞段的潮流下游，电能被存 储在没有输配电阻塞的区段，在电力需求高峰时储能 系统释放电能，从而减少输配电系统容量的要求，缓 解输配电系统阻塞的情况。同时，储能系统还可以减 少电力传输中的异常和干扰，解决输电稳定性阻尼和 次同步谐振阻尼等问题，改善动态电压稳定性，以及 减少系统低频时甩负荷量。 置于用户侧的储能系统，可增强系统的供电可靠 性，改善用户的电能质量。随着智能电网的发展，微 网的概念逐步得到推广。各种储能系统作为微网的分 布式电源之一，通过电力电子装置在秒级甚至毫秒级 快速响应，可以实现微网“永不断电”的目标。另一 方面，小型的家庭式储能设备和区域性的微网储能装 置，可以通过智能表计接入到周围的大中型电网中， 在用电高峰时向电网供电，增加了电力用户与电网的 互动。 3.4. 促进电动汽车产业发展 近日，在海口举行的“中国国际电动汽车及充电 装置、储能技术展览会”上，电网公司强调要加速充 换电基础设施建设，迎接电动汽车的高速发展时期。 随着电网智能化水平以及电动汽车保有量的大 幅提高，电动汽车的车载电池作为可移动储能单元， 丰富了电网的可控资源，对智能电网平衡大量不可控 的可再生能源有着重要的作用。在用电低谷时，电动 汽车和储能电站的电池可以从电网吸纳大量富余电 力，用电高峰来临时，电池的电能可以反过来被电网 吸收，或可以作为停电时的备用电源。把这两者有机 结合在一起可以充分利用电池储能站的配套设施，可 达到资源的最大利用。 3.5. 电网应急相应的需要 在电网失电的情况下，通过传感器技术和通信与 信息技术进行故障快速诊断，储能电站切换至电网紧 急模式，储能装置向用电设备提供已储备的电能，起 到应急供电的作用。 储能系统能够为用户提供备用电源，具有辅助设 备简单，厂用电少，启动速度快等优点，为系统黑启 动提供电源，提高供电可靠性和抵御自然灾害的能 力。其移动性和灵活的特点尤其适用于地震洪水等自 然灾害后的恢复。 对于一些重要负荷或者供电可靠性很差的部分 地区，在发生事故失去主网电源或者输配电设备检修 时需要孤网运行，孤网容量较小，要求备用电源必须 相应速度快，储能电站是最适合孤网供电的备用电 源。 4. 大规模储能技术发展展望 1) 由于不同的储能技术在额定功率下的放电时 间不同，因此应用在电网不同的地方时，应该选择合 适的储能方式。当用于电能质量改善、电网频率稳定 及UPS 时，应选择响应快速、放电时间短的电池，例 如超级电容器、飞轮储能等；当用于供电的连续性、 缓冲或者备用电源时，则选择能放电数秒到数分钟的 相应的短时储能方式；当用于电网的削峰填谷或者风 能、太阳能等新能源的并网储能时，则选择能够大规 模储能，且自放电小的储能方式，例如抽水蓄能、压 缩空气储能等；在地理条件受限制的时候，可以选择 钠硫电池、液流电池等。 2) 就目前的储能技术发展水平看，单一的储能技 术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使 用寿命、环境特性以及成本等性能指标，如果将两种 或以上性能互补性强的储能技术相结合，组成复合储 能，则可以取得良好的技术经济性能。在电网应用中， 要实现系统的稳定控制，电能质量改善和削峰填谷等 多时间尺度上的功率平准控制，可以将超导储能、飞 轮储能或超级电容器等功率密度、高储能效率高以及 循环寿命长的储能技术与铅酸电池、液流电池或钠硫 电池等能量密度高但受制于电化学反应过程的储能 技术相结合，以最大程度地发挥各种储能技术的优 势，降低全寿命周期费用，提高系统经济性。 3) 目前的大容量储能技术主要是抽水蓄能和压 缩空气储能。有条件的地方可以因地制宜建设抽水蓄 能电站，用于电力系统调峰，或作为可再生能源发电 厂的调频备用，减小其发点波动性对系统的影响。考 虑到我国海上风电资源大规模开发利用的前景，如选 择三面环山的海湾作为水库的坝址，围海建立大型抽 水蓄能电站；或选择一些条件好的废弃矿井、洞穴， 修建压缩空气储能电站，与当地的大型风电场或光伏 Copyright © 2013 Hanspub 12  智能电网中大规模储能技术研究 Copyright © 2013 Hanspub 13 电站相结合，为这些可再生能源电站的稳定运行提供 支持，增加可再生能源发点的容量可信度，使其称为 具有一定可预测性和可调度性的稳定电源。 5. 总结 大规模储能技术对现阶段电网的影响是变革性 的，电力系统发、输、变、配、用各个环节都将受益 于相关技术的进步。智能电网建设将会促进储能技术 的发展，相关科技日新月异是可以预见的。结合储能 技术发展遇到的问题，在此提出促进储能技术发展的 建议： 1) 合理规划，优先在电网关键节点建设储能设 施。大规模储能建设投资高，为充分发挥其经济效益， 应优先在窝电严重区域、频繁缺电区域及枢纽变电站 配置储能系统。 2) 积极推动储能技术标注体系的建立。国家应加 速出台有关新能源及储能设施建设的标准体系和相 关规章制度，企业及科研机构也要积极参与建立储能 标准，抢占产业发展主导权。 3) 建设示范工程，加速成熟储能技术产业化。技 术欠成熟储能技术，如超导储能、飞轮储能、压缩空 气储能等，安排储能示范项目，为未来大规模应用积 累技术数据和运行经验；技术成熟技术，如抽水蓄能、 电池储能、超级电容器储能等，加速实现产业化，促 进其健康有序发展。 4) 加速储能价格机制的建立。政府和电网公司应 分别从政策和技术层面，加快出台峰谷电价、储能电 价，使的储能设施建设能尽快收回投资，增进企业发 展储能技术的积极性。 5) 培养家庭及工商业避峰用电的习惯和意识。私 人电动汽车晚上充电、高耗能企业夜间生产等活动习 惯，将使得储能概念深入人心，同时促进了低碳社会 发展。 参考文献 (References) [1] A. 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