大规模储能系统发展现状及示范应用综述

许守平，李相俊，惠东

（中国电力科学研究院，北京 100192）

储能技术是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微网系统及电动汽车发展必不可少的支撑技术之一，不但可以有效地实现需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷，而且可以提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性和可靠性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段，此外储能技术还可以协助系统在灾变事故后重新启动与快速恢复，提高系统的自愈能力[1-4]。近年来，储能技术的研究和发展一直受到各国重视，世界各国都投入了大量的人力、物力进行了很多的应用研究。特别是随着智能电网的构建，储能技术更是发展迅猛，已从小容量小规模的研究和应用发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用。到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电能存储方式，主要可分为机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能等。机械储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；化学储能方式主要有铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等；电磁储能方式有超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能等[5-9]。

1 机械储能

机械储能是指将电能转换为机械能存储，在需要使用时再重新转换为电能，主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。

1.1 抽水蓄能

目前，全世界共有超过90 GW的抽水储能机组投入运行。日、美、西欧等国家和地区在20世纪60～70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期。抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为3%左右，部分国家超过10%，其中法国占18.7%，奥地利达到16.3%，瑞士12%，意大利11%，日本达10%。从技术水平看，日本最为先进。

和欧美日发达国家相比，我国抽水蓄能电站建设起步较晚，20世纪90年代开始才进入开始发展期，兴建了广州抽蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等一批大型抽水蓄能电站[10]。到目前为止，我国抽水蓄能电站装机容量约5.7 GW，占全国装机容量的2.6%左右，主要分布在华北、华东和华南地区，总装机规模为13 620 MW。

1.2 压缩空气储能

目前，全世界仅有3座大型空气压缩储能系统和数个小型示范系统，并没有得到大规模推广应用。第一座位于德国的Huntorf，于1978开始运转运行，主要作为紧急备用电源和系统调峰使用，系统容量为290 MW×2 h，空气储槽容量为310 000 m3，深度达600 m；第二座位于美国的阿拉巴马州McIntosh，建造于1991年，系统额定容量为110 MW×26 h，主要用于调节系统峰值电力，空气储槽容量超过500 000 m3，深度高达450 m。第三座位于日本的Sunagawa，建于1997年，装机容量为35 MW×6 h。在国内，对于压缩空气储能技术，华北电力大学、西安交通大学、华东科技大学等开展了相关研究工作，但主要还是集中在理论研究和小型实验层面，并没有应用的实例。

1.3 飞轮储能

目前，国外已有公司和研究机构尝试将飞轮储能引入风力发电。其中，德国Piller公司的飞轮储能具备在15 s内提供1.65 MW电力的能力；美国Beacon Power公司的20 MW飞轮储能系统已在纽约州Stephen Town开建，主要用来配合当地风场进行发电，建成后可以满足纽约州10%的储能需要，可以对当地电网系统的进行调频，改善电能质量。

在国内，早在20世纪80年代初期，中国科学院电工研究所和清华大学就开始了飞轮储能系统的探索，但之后国内没有开展实质性的研究工作。直到20世纪90年代中期，在国外技术进步的影响下，国内的飞轮储能技术研发才逐步兴起[11]。2008年，中国电科院电力电子所在北京306医院安装了一台容量为250 kW，磁悬浮轴承，能运行15 s的飞轮储能装置，可与备用的柴油发电机相互配合，这是飞轮储能首次在中国配电系统中安装使用，但与国外技术水平仍有差距。

2 化学储能

通过发生化学反应来储存或者释放电能量的过程即为化学储能[12]。化学储能的实质就是化学物质发生化学反应，且反应是可逆的。根据化学物质的不同可以分为铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等。

2.1 铅酸电池

在用作储能电源方面，近年来，世界各地已经建立了许多基于铅酸电池的储能系统，国外基于铅酸电池的大型储能系统如表1所示。

目前中国铅酸电池产量超过世界电池产量的1/3，成为世界电池的主要生产地，生产研发技术与国际先进水平差距已不明显。国内基于铅酸电池的大型储能电站很少，典型的有中国电科院电工所于2012年在河北省张北县国家风电检测中心建立的储能实验室，包含有100 kW×6 h的铅酸电池储能系统，主要功能是跟踪风电计划出力，削峰填谷，改善电能质量；浙江温州市洞头县鹿西岛并网型微网示范工程中的2 MW×2 h铅酸电池储能系统，主要功能是改善电网质量，提高电网可靠性。

2.2 液流电池

液流电池（Flow Redox Battery）主要包括锌溴液流电池，多硫化钠/溴液流电池和全钒液流电池[13]等。

国内外大型液流电池储能系统如表2所示。

2.3 钠硫电池

目前运行的钠硫电池储能站大多用于电力平衡，其应用覆盖了商业、工业、电力、水处理等各个行业。此外，钠硫电池储能站还被应用于风力发电的储能，对风力发电的输出进行稳定。如在日本的六村所，一座34 MW的钠硫电池储能系统与51 MW的风力发电系统配套，保证了风力发电输出的安全平稳。近年来，日本已将钠硫电池推广到美国、欧洲和中东。美国从2002年9月开始运行第一个100 kW试验站，2006年在西维吉尼亚州的Chemical电站开始运行第一个1.2 MW/7.2 MW·h储能示范站，主要用于削峰填谷，延缓输变电设备的更新升级，提高电网资产的利用率。2008年，NGK公司在美国明尼苏达州Luverne投资兴建了一座1 MW/7 MW·h的钠硫电池储能系统，用于对当地11 MW风电场的电压支持，爬坡控制和调频。目前，美国已投运的钠硫电池容量达到9 MW，还将有9 MW于近期投运。2009年，NGK公司还与法国EDF公司签署为期5年的购货合同，提供150 MW的钠硫电池系统。

表1 国外大型铅酸电池储能系统一览表Tab.1 A list of large-scale lead-acid battery energy storage systems outside China

我国的钠硫电池研究起步与国际同步，开始是针对电动汽车应用，90年代末被迫中止。2005年9月，上海市电力公司与上海硅酸盐所联合对储能钠硫电池开展调研，于2006年8月21日，双方签订正式合作协议共同投资开发储能钠硫电池。2007年1月2日，第一只容量达到650 Ah的单体钠硫电池制备成功，在同年5月开展钠硫电池工程化技术研究，同时成立上海钠硫电池研制基地，实行准公司化运行。2010年4月，在上海漕溪能源转换综合展示基地建成国内第一座100 kW/800 kW·h的钠硫储能电站，主要作为示范研究，为后续大规模化探索经验[14]。

总的说来，从国际形势看，日本NGK在钠硫电池研发、生产、商业运营和工程应用上取得了巨大的成功。从国内形势看，我国已在大容量钠硫电池关键技术和小批量制备上取得了突破，但在生产工艺、重大装备、成本控制和满足市场需求等方面仍存在明显不足，离真正的产业化还有一段较长的路要走。

2.4 锂离子电池

锂离子电池因为具有储能密度高、储能效率高、自放电小、适应性强、循环寿命长等优点，得到了快速发展。近年来，随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，许多国家已经将锂离子电池用于储能系统，其研究也从电池本体及小容量电池储能系统逐步发展到应用于大规模电池储能电站的建设应用。国内外基于锂离子电池的大型储能系统如表3所示。

2.5 其他电池

除了上述电池，国内外上对其他化学储能也进行了相关研究，并取得了很大的进展。

早在2003年，法国Saft公司就在美国美国阿拉斯加州Fairbanks建设了一座储能规模为27 MW的镍镉电池储能系统，主要用于对当地电力系统提供无功补偿，进而改善电能质量，提高供电稳定性。2008年，中国第一座以春兰高能动力镍氢电池为储能系统的100 kW国家电网上海储能电站，成功实现商业运营，并投入上海世博会使用。该储能电站可将晚上电网上多余的电能储存，为白天用电高峰时供电，实现削峰填谷，而且还可以调压调频、稳定电网。

表2 国内外大型液流电池储能系统一览表Tab.2 A list of flow redox battery energy storage systems in the world

2012年，美国Aquion Energy公司宣布在宾夕法尼亚州的Pittsburgh建设一座钠离子电池储能系统，储能规模为14 kW×4 h，主要用于电能管理、当地电压支撑、可再生能源的调频和削峰填谷，改善当地电能质量。这是目前为止，钠离子电池用于储能系统示范电站的首次尝试。

2012年，加拿大Hydrogenics公司宣布与德国意昂集团合作做，赢得了欧洲的一个氢储能项目，为德国北部Falkenhagen小镇提供2 MW的氢储能设备，该设备主要由一个350 bar的电化学压缩机、30 Nm3PEM电解系统、90 kW燃料电池组成，将展示和验证将可再生能源发电与加氢设施连接后的氢储能系统在技术和经济上的可行性，增加可再生能源发电量，促进电网的平衡。

2012年，澳大利亚Ecoult公司在美国西宾夕法尼亚州Lyon Station建立的一座超级电池储能系统投入运行，该系统的储能规模为3 MW×15 min，主要用于对当地电网进行频率调节与出力爬坡控制，改善电能质量，提高供电可靠性。

表3 国内外大型锂离子电池储能系统一览表Tab.3 A list of large-scale lithium ion battery energy storage systems in the world

3 电磁储能

电磁储能包括超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能。

3.1 超导储能

20世纪90年代以来，超导储能在提高电能质量方面的功能被高度重视并得到积极开发，美国、德国、意大利、韩国等都开展了MJ级的SMES的研发工作，并将研制的装置投入了实际电力系统试运行。在我国，中国科学院电工研究所、清华大学、华中科技大学等单位开展了超导磁储能系统的研究工作[15]。国内外超导储能系统如表4所示。

3.2 超级电容储能

各发达国家都把超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目[16]。1996年欧洲共同体制定了超级电容器的发展计划，日本“新阳光计划”中列出了超级电容器的研制，美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器的研究计划。2005年美国加利福尼亚建造了一台450 kW超级电容器储能装置，用以减小950 kW风力发电机组向电网输送功率的波动[13]。在新加坡，ABB公司利用超级电容器储能的DVR装置安装在4 MW的半导体工厂，该装置可以实现160 ms的低电压跨越。2011年，西门子公司已成功开发出储能量达到21 MJ/5.7 Wh、最大功率1 MW的超级电容器储能系统，并成功安装在德国科隆市750 V直流地铁配电网中，储能效率为95%。目前，美国计划在纽约的Malverne建设一座容量为2 MW的超级电容器储能电站，2013年建成运行，主要功能是为当地电力系统提供电压支撑。

表4 国内外超导储能系统一览表Tab.4 A list of superconducting magnetic energy storage systems in the world

我国也很重视对超级电容器的研究。浙江大学，华北电力大学等有关课题组将超级电容器储能系统应用到分布式系统的配电网中，通过逆变器控制单元，可以调节储能系统向用户及网络输送的无功以及有功的大小，从而达到提高电能质量的目的。2005年，由中国科学院电工所承担的863项目“可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”通过专家验收，该项目完成了用于光伏发电系统的300 Wh/1 kW超级电容器储能系统的研究开发[17]。

4 相变储能

相变储能是利用某些物质在其物相变化过程中，可以与外界进行能量交换，能达到能量交换与能量控制的目的。根据相变的形式，相变储能材料的不同基本上可分为固-固相变、固-液相变、液-气相变和固-气相变等，从材料的化学组成来看，又可分为无机材料相变、有机材料相变和混合材料相变等。相变储能是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，在可再生能源的利用、电力系统的移峰填谷、废热和余热的回收利用，以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点[18-19]。在国外，相变储能的利用方式主要是冰储冷方式，特别是在美国已经建立了示范工程，主要用于能量管理，改善电能质量，提高系统稳定性等。在国内，相变储能的研究主要集中于相变材料上，真正的示范储能站还没有。

5 结论

通过对各种储能技术形式在当前国内外的实际应用进行总结，可以看到，电化学储能因为具有转换效率高、能量高密度化和应用低成本化等优点，正在成为大规模储能系统应用和示范的主要形式，在全球范围内已有不少的实际工程项目，成功应用于电力系统的各个领域。但电力系统的复杂环境使得单一的储能技术很难满足所有的要求，目前还没有哪一种储能技术能同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本性能等大规模应用的条件，在电力系统实际应用中，必须根据实际要求，将不同的储能技术结合使用，充分发挥各种储能技术的特点，使其优势互补，从而提高储能系统的灵活实用性和技术经济性。因此，未来大规模多类型混合储能系统有望在电网中发挥更大的作用。

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