颠覆性的储能技术助力清洁能源发展

高 雅/文

进入10月份以来，我国许多地方出现严重雾霾天气，其中以北京及其周边地区最为严重。大气污染是我们目前面临的最大威胁，而从长远的发展来看，气候变化对地球的影响更大。美国气象学会今年发布的第26期年度《气候状况报告》显示，气温、二氧化碳、海洋热量和北极海冰等所有的变化在2015年都达到了创纪录的水平。

2016年，全球气温继续飙升，上半年的温度已经远远高于2015年。这份报告的第一作者杰西卡·布伦登说：“2016年很有可能会创造新的全球高温纪录。”

环境污染、气候变化、雾霾等已经成为人类急迫需要解决的问题，而发展清洁能源成为解决难题的全球共识。据统计，全球水能资源超过100亿千瓦，陆地风能资源超过1万亿千瓦，太阳能资源超过100万亿千瓦，仅开发其中0.05%就可以满足未来人类社会对能源的需求。然而，能源转型要伴随着各种新技术的突破，一步步从诞生、快速成长走向大规模普及。

一、让电网更稳定

近年来，我国清洁能源持续快速发展。截至2015年底，全国风电、光伏发电装机分别达到1.28亿千瓦、4158万千瓦，均居世界第一。国家电网成为全球接入清洁能源规模最大、发展最快的电网。

然而，与火电等同步发电机相比，风电、光伏等新能源发电尚不具备惯性调频、自主调压、阻尼功率振荡的能力，故障应对能力差，大规模接入电网后，将影响电网的安全稳定运行。中国电力科学研究院新能源中心总工迟永宁表示，要想达到与火电等常规同步发电机同样稳定的效果，虚拟同步机技术是一个很好的解决方案。

虚拟同步机是一种基于先进同步变流和储能技术的电力电子装置，可通过模拟同步电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使含有电力电子接口（逆变器、整流器）的电源和负荷，从运行机制及外特性上与常规同步机相似，从而参与电网调频、调压和抑制振荡。

这并不是一项新技术，早在1997年，IEEE就提出过虚拟同步机的概念。随后，比利时鲁汶大学、加拿大多伦多大学、英国利物浦大学相继开展了模拟同步发电机外特性、虚拟惯性频率控制策略等研究。2012年，国家电网公司依托千人计划专项，开展虚拟同步机技术研究。2013年，中国电科院成功研制世界首台50千瓦虚拟同步机样机。2014年，南瑞集团、许继集团成功研制500千瓦虚拟同步机样机，目前正在开展兆瓦级样机研制。

“风电、光伏通过虚拟同步机接入电网，一是能够主动参与一次调频、调压，提供一定的有功和无功支撑；二是能够提供惯性阻尼，有效抑制频率振荡。可使新能源具备与火电接近的外特性，对电网稳定起到支撑作用，是解决新能源发电‘先天不足’问题的有效手段。”迟永宁说。

作为实现大规模清洁能源消纳的有效手段之一，虚拟同步机技术被国家电网公司列入“十大重点科技创新工程”，由国网冀北电力公司牵头，中国电力科学研究院、南瑞集团、许继集团等单位共同参与，开展虚拟同步发电机技术标准、仿真分析、设备研制与检测等工作，旨在研究解决虚拟同步电机接入电网的关键技术，建设发电侧虚拟同步电机接入电网的示范工程。

示范工程对现有风机、光伏发电的逆变器和控制系统进行改造，新建大容量集中式虚拟同步机，调节能力达到547.5兆瓦，是世界上规模最大的虚拟同步机示范工程，计划2017年年底建成。

应用虚拟同步机技术成本并不高，据迟永宁介绍，风电场虚拟同步机改造成本100元/千瓦；新建风电场标配虚拟同步机基本不增加成本。光伏电站虚拟同步机改造成本600元/千瓦；新建光伏电站标配虚拟同步机增加成本200元/千瓦。集中式虚拟同步机成本220元/千瓦，随着储能价格下降，造价将持续降低。

技术只有转变为标准，才能具有更普遍的意义。“目前有两项标准正在制订中，分别是《单元式光伏虚拟同步发电机技术要求和试验方法》和《风电机组虚拟同步发电机技术要求和试验方法》，我们希望能够进一步明确虚拟同步机技术参数，推动新能源参与电力系统调频、调压技术规范的出台，形成新能源建设和并网的标准模式。”迟永宁说。

二、颠覆性的储能技术

风能和太阳能是清洁能源的重要来源，但都有波动性。在晚上或无风的日子里，太阳能和风能无法满足电力用户的能源需求，除非我们可以将风能和太阳能储存起来备用。储能的魅力就在于可以使这一梦想成为现实。

今年5月份，国家发展改革委、国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划(2016～2030年)》，其中，储能技术作为能源互联网和可再生能源产业发展的关键技术被列为中国未来15年的关键创新任务之一。

储能技术将是未来智能电网的重要组成部分，涉及其建设的各个主要环节。储能技术在接纳风电、太阳能发电等间歇性清洁能源入网方面也发挥着不可或缺的重要作用。国家应对气候变化战略研究和国际合作中心主任李俊峰曾表示：“真正影响未来能源大格局的就是储能技术，一旦储能技术能够突破了，其他的都好解决。”

近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国重视。“广义上来讲，储能可分为物理、电磁、电化学三大类型，压缩空气储能是物理储能的一种。”全球能源互联网研究院电力电子所副所长徐桂芝表示。

压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动膨胀机发电的储能方式。与电池、超级电容等秒级响应的功率型储能技术相比，其响应速度约为分钟级，效率有一定差距，但具有储能容量大、成本低、寿命长且无污染等优点。

自1949年提出压缩空气储能技术以来，围绕提高效率和储能密度，先后发展出传统压缩空气储能技术、绝热压缩空气储能技术、深冷液化空气储能技术和超临界压缩空气储能技术四种主要技术方案。

“压缩空气储能技术将空气液化并存储，同时回收利用压缩过程中的余热以及膨胀过程中的余冷，可提升系统效率。此外，液态空气能量密度高，约是高压储气的10倍甚至更高，安全性好、储气罐成本低，彻底摆脱地理条件限制。液态空气所回收的低温冷能品位高，能量高效储能利用的要求高，进口设备造价高。”徐桂芝介绍了压缩空气储能的优势和不足。

为解决关键设备成本高的难题，国家电网公司目前正在研究高效蒸发器和蓄冷器，“如果研制成功，这将是世界上最先进的技术，相关造价将大幅下降。”徐桂芝表示。

为抢占新型储能技术制高点，2016年国家电网公司研究了压缩空气储能示范工程实施方案，明确了建设规模、组织形式等。工程将依托张北风光储输二期工程建设，通过能量型规模化储能技术，提高新能源消纳水平，发挥风光储输工程的示范作用。

张北的示范项目建成后，将成为世界上储能容量最大的压缩空气储能系统。前期研发团队依据国内设备厂家所提供数据，通过热力学计算分析，开展了系统的工艺方案的设计研究。系统能量密度可达约100wh/L，是传统压缩空气储能系统能量密度的20倍以上。该系统电电转换效率为50～60%。

近百年前，大发明家托马斯·爱迪生就曾畅想利用取之不尽的太阳能源。如今，这一梦想已经变为现实。清洁能源发展之路，虽崎岖，但却是大势所趋。随着新能源发电技术、虚拟同步机技术和压缩空气储能技术的日渐成熟，清洁能源必将迎来更大发展。