燃煤电厂调峰调频储能技术的研究进展

王金星，张少强，张瀚文，方旭，宋海文，张凯，彭雪风，赵源，马敬邦

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2.华北电力大学科技学院，河北保定071003；3.清华大学能源与动力工程系，北京100084）

0 引言

为应对化石能源紧张、环境恶化等问题，近年来风电等可再生能源发电迅速发展［1-3］。国际能源署和世界能源理事会对全球未来能源发展的情景预测显示，可再生能源在一次能源中的占比将进一步加大［4］。与此同时，大量间歇性可再生能源的嵌入对原有燃煤电厂灵活性提出了新的要求［5-6］。为提高电网对间歇性可再生能源的消纳能力，“十三五”明确规定了燃煤电厂需要承担电网的灵活调峰任务［7］。

现有提高燃煤电厂灵活性的措施包括：旁路改造、电热转换、余能利用等［8］。与之相比，储能技术能够通过降低“源”侧不确定性对“荷”侧的冲击，同时不需要以牺牲系统效率和降低能量品位为代价实现“源”侧和“荷”侧间的匹配，具有跨时空高效调节的潜力。目前应用于燃煤电厂的储能技术主要包括储热、蓄电、压缩空气储能等［9］。其中，储热技术是储能技术中的重要发展方向之一，大容量储热参与电力系统调峰，可以提高能源系统跨时空优化配置能力，作为一种灵活可控负荷，能够改善电力系统的调节能力［10］。蓄电技术由于其具有快速响应的优势，能够有效地提高系统调频的能力，主要表现为，蓄电装置可在电力系统过负荷引起频率升高、甩负荷引起频率降低时通过灵活充放电进行频率调节［11-12］。在发展储热技术、蓄电技术用于增强电网调峰调频能力的同时，其他类型的储能技术也引起了学者的关注，其中包括抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮储能。例如，Ciocan G D等人［13］研究发现，抽水蓄能应用于变速机组可以对频率进行准确调节、在电网运行状态改变时迅速满足电网需求。也有学者认为，飞轮储能应用于机组具有效率高、响应快、环境友好等特点［14-15］。由此可见，不同类型的储能技术由于其各自的运行特点，对机组适用性也有所差异。为此，针对燃煤电厂特定的调频调峰需求，仍有必要对储能类型及其运行策略进行综合评价。

本文从燃煤电厂调峰调频的储能技术出发，分别从储热应用技术、蓄电应用技术以及其他储能应用技术3个方面进行评述，着重介绍各储能应用技术的优缺点及在该领域近年来的研究进展，并结合燃煤电厂的发展需求进一步评论其发展潜力，为后续燃煤电厂调峰调频储能技术以及相关技术的研发提供参考。

1 储热技术的应用

1.1 单一储热装置

储热技术利用储热介质进行热量的储存和释放，主要用于燃煤电厂的调峰领域，其调峰机理为在低负荷时段，将不上网的低谷电力转换成热（或者高参数蒸汽），储存起来供热，增加高峰期供热能力。根据统计，我国22个火电灵活性改造试点项目中，采用储热技术进行改造的占比最大，至少有12个项目采用了储热相关技术进行改造，充分证明了储热技术参与火电厂调峰改造应用的可行性［16］。储热技术也可用于增加顶负荷能力，其工作机理为：将汽轮机内过剩的蒸汽热能转入到储热介质内存储起来，按储热介质可分为热水罐储能技术、相变储热技术、熔盐热储能技术以及混凝土储热技术等［17］。火电厂热水储能技术［18］主要用于热电厂供暖季热电解耦，作为季节性储热措施能够有效地提高供热机组的灵活运行能力，例如，蒙西电网的盛乐热电储能项目采用热水罐储能技术，打破传统“以热定电”模式，实现机组热电解耦功能，使电厂具备在最小运行方式以下进行深度调峰能力。熔盐储热技术由于工作温度高，比热容高，热稳定性好，蒸汽压力低的优势，已经在太阳能光热发电领域得到了广泛应用，如青海中控德令哈50 MW塔式熔盐储能光热电站配置熔盐储热系统，电站每年可节约标准煤4.6万t，减排CO2约12.1万t，证明了该技术具备良好的社会经济效益［19］。

1.2 电热转换-储热装置

电热转换-储热装置能够增强燃煤热电联产系统的“双向”调峰能力，既可提高低负荷运行能力，也能增加高峰期的顶负荷能力，其工作原理如图1所示［20］。通过电热转换进行储热的装置主要有电极锅炉和电锅炉固体储热装置。因为不涉及燃煤热电联产系统本体设备改造，对其正常运行影响较小，可直接消耗电能，减少其对外供电，调峰深度更大。热水储热型电锅炉主要是通过电阻热水锅炉作为系统热源，在非谷电时段，蓄热水箱中的高温水通过传递热能给采暖末端，满足采暖末端的需求，达到冬季供暖蓄热节能创新的目的［21］。北京航天控制仪器研究所142工业区采用此种模式，大大降低厂区冬季供暖运行费用，降低了污染物排放，起到了平衡电网峰谷用电的作用［22］。熔盐储热技术已在太阳能热发电电站实现应用。太阳能是一种间歇性、不稳定性的清洁能源，太阳能-电加热联合加热熔盐系统不仅具有良好的节能减排效果，还有很好的经济性［23］。

图1 电热转换-储热技术原理Fig.1 Principle of heat storage technology through thermo-electric conversion

1.3 热化学转化-储热装置（CaO-CaCO3等储热罐）

利用储热技术对不连续、不稳定的热量进行跨时空限制的利用，已成为一项提高能源利用效率的重要技术。其中热化学转化-储热技术是指利用储热材料可逆化学反应的反应热进行储存或释放热量［24-25］，其原理如图2所示。

在充热阶段，储热材料吸收热量（来自燃煤电厂高参数蒸汽），分解为2种及以上易于分离的物质；在存储阶段，将分解物分开保存，避免相互反应造成能量损失；在释热阶段，将分解物充分混合，创造适宜条件使其发生化合反应，释放存储的热能（输入燃煤电厂热力系统内）。通过对燃煤电厂高参数蒸汽能量的吸收与释放，可达到对其电负荷升降速率的调节，在满足汽轮机最小流量的条件下，也可适当降低最小电负荷。邓畅等人［26］系统研究了氧化钙-氢氧化钙热化学储热系统中固定床反应器内温度、压力、反应速率、流动和放热功率的变化过程以及储热性能指标，为热化学转化-储热系统的设计和开发提供指导。

闫霆等人［24］研究一种热化学复合吸附储热循环的储热特性以及能量品位提升性能时发现，MnCl2/SrCl2/NH3作为工质不仅可以保证输出热能温度稳定，而且能大幅度地提升输出热能的温度品位。由此可见，热化学转化-储能技术是实现能源清洁转换利用有效方式之一，可调节能量供需、移峰填谷，并能最大限度地利用加热过程中的热能或余热，以及将太阳能从辅助能源最终变为一种使用方便、可靠的主要清洁能源［27］。

综上所述，储热技术是燃煤电厂灵活调峰的有效措施之一。然而媒体目前对各种储热性能的报道以及投入回收期等经济性评价指标的分析仍有所匮乏，这也是后续工程应用方案优选参考的关键所在。

图2 热化学转化-储热技术充放热原理Fig.2 Charging and discharging principle of heat storage through thermo-chemical conversion

图3 蓄电池衰退特性曲线Fig.3 Battery degradation curve

2 蓄电技术的应用

2.1 单一蓄电装置

蓄电技术具有瞬时响应及精确控制能力，在保障电力系统高质量调频服务上获得了广泛认可。例如，山西省在运容量为9 MW/4.5 MW·h的3个电储能联合火电调频试点项目运行稳定，并根据装机占比增加情况进一步增加［28］。蓄电技术作为一种快速调频资源，在提高电网对可再生能源接纳水平方面具有重大的应用价值。例如，山西兴能电厂在300 MW机组上进行了交流电失电、事故状态、大电流启动等性能测试，认为其能够为电厂的安全提供保障［29］。王京等［30］研究发现采用蓄电储能系统可通过自动切换方式实现机组联合运行，同时能够保证储能系统的设备利用率。虽然依靠蓄电储能系统可以有效平衡一段时间内的能源需求和能源供应，但仅依靠单一蓄电侧调频仍然受到技术限制，其中包括高昂的投资成本［31］。此外，如图3所示，无论是锂电池［32］或者是铅蓄电池［33］，电池性能均存在衰退的性质，这将会加大其事故隐患。由于蓄电池的老化［34］与运行条件［35］存在一定的对应性，深入探讨蓄电池的运行策略是该领域经济性评价重点考虑的问题之一。

2.2 多能互补蓄电系统

由于可再生能源具有随机性和不稳定性，且不同可再生能源发电可实现周期互补，如何获得连续、稳定的电能输出是制约其发展的重要问题。目前多能互补蓄电系统更多的是针对间歇性可再生能源间的互补性进行的储能设计，尤其是利用蓄电装置快速响应电负荷需求的特点，其中蓄电池在整个发电系统中主要起储能和稳压作用，同时也具有能量调节和平衡负载的作用［36］。CHEN Qun等人［37］将蓄电池用于燃煤电厂、燃煤热电联产以及风电组成的系统中，研究发现增设蓄电池明显增加系统适应间歇性风电的能力，其原理如图4所示。随着多能互补独立电力系统的发展，解决了我国偏远地区以及无电力海岛的供电问题，为了提高供电可靠性和电能质量，独立电力系统一般都要采用蓄电储能技术［38-39］。因此在多能互补蓄电系统中，不仅需要考虑各供电“源”测的互补性，还需要兼顾蓄电池的性能以及储放电能的运行策略。

图4 多能互补蓄电系统原理Fig.4 Principle of multi-energy complementary electric storage system

图5 耦合多储能技术的蓄电实例系统Fig.5 Examples of electric storage system coupling multi-energy storage technologies

2.3 耦合多储能技术的蓄电系统

在新能源电力系统中，储能技术应用于电力调峰、抑制新能源电力系统所带来的波动性、提高电力系统运行稳定性和提高电能质量，能够有效地吸收或释放电功率，实现“削峰填谷”［40］。特别是在为解决风光互补发电的间歇性、波动性以及发电量与用电负荷不匹配的问题方面，相对于单一蓄电装置，耦合多储能技术的蓄电系统结合不同的储能技术在响应时间、容量规模、技术成熟度及成本等方面各有特点，可以更有效地满足用电系统的技术性和经济性要求［41］。

常见的储能可分为功率型储能和能量型储能，关于耦合多储能系统，它的功率分配和容量配置对整个电网系统的技术性和经济性有着重要的影响。黄先进等［42］针对压缩空气储能与超级电容混合系统展开研究（如图5a所示），结果表明混合系统储能容量大、充放电速度快、响应速度快，具有更高的调节能力。但目前压缩空气储能受地质条件影响大而飞轮储能和超级电容充放电持续时间短、成本高，导致整个系统应对功率的能力不足，技术仍有待完善。对于风光互补发电系统的微电网，李瑞民等［41］提出一种由压缩空气储能、锂电池和超级电容器组成的混合储能系统（如图5b所示）。通过分析3种储能装置的原理和输出特性，建立其详细的数学模型，采用二次移动平均滤波法分配3种储能的功率，在连续性运行和系统供电可靠性等约束条件下，优化配置储能的容量，通过实际的案例计算验证了该混合储能系统的优越性以及提出的功率分配和容量优化配置方法的有效性。李冲等［43］认为铅酸蓄电池和飞轮、超级电容器或超导储能都具有互补性，把铅酸蓄电池和超级电容器或者铅酸蓄电池和飞轮储能混合使用，可以优化铅酸蓄电池的充放电过程，延长铅酸蓄电池的使用寿命、提高系统的能量转化效率、经济性能和技术性能等，对于独立风光互补发电系统的优化设计有着积极的作用。但该种能源利用形式仍有一些技术问题需要重点考虑。例如，SharmaRK等人［44］提出将燃料电池、锂电池和超级电容3种储能装置耦合于风光互补发电系统，研究表明燃料电池运行环境要求相对苛刻，造价很高，使得该项技术仍处于探索阶段。

综上所述，掌握各蓄电装置运行特性及衰退规律是优化系统运行策略的重要内容。更值得关注的是，蓄电技术适用条件也是方案优选关键性因素之一。

3 其他储能技术的应用

除上述储热和蓄电技术外，其他储能技术可将燃煤电厂的电能在电需求低谷时转换为水的势能（抽水蓄能）、空气的内能（压缩空气储能）以及飞轮动能（飞轮储能）等，在电需求峰值时又将其转换为电能，达到燃煤电厂调峰的目的，同时能量转换过程的响应时间也决定着储能技术辅助调频的能力。

3.1 抽水蓄能

抽水蓄能同样能够在低负荷时吸收能量（电能转化为势能）在高负荷时释放能量（势能转化为电能），可实现电能的有效存储，进而有效调节电力系统生产、供应、使用，保持了三者之间的动态平衡关系［45］。抽水储能电站的工作原理为（如图6所示），负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存（以水的势能），负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电［46］。另外，虽然我国水能资源丰富，但地区分布极不平衡，为应用于调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用以及提供系统的备用容量，需要根据容量的需要进行抽水储能电站的构建［47-48］，为此掌握抽水储能电站的变工况特性尤为重要。此外，抽水蓄能过程中蓄能效率和发电效率也是设计抽水储能电站容量的重要参考因素。

图6 抽水蓄能原理Fig.6 Principle of pumped storage

3.2 压缩空气储能

压缩空气储能运行维护相对方便、响应快、综合效率高，是应用于燃煤电厂调峰调频具有竞争性的方案［49］。压缩空气储能系统通过消耗电能将空气进行压缩储存，在释能阶段将高压空气释放通过膨胀机做功发电，是一种新型大规模电力储能系统，在很多领域都具有广泛的应用价值［50-51］。根据压缩空气储能系统的存储容量可分为大型、小型和微型系统。按照辅助燃烧特征也可分为传统压缩空气储能系统（D-CAES）和先进绝热压缩空气储能系统（A-CAES）［52］。D-CAES主要包括压缩机、储气室、透平机组、冷却器、燃烧室、发电机组及控制系统，其原理如图7所示。与D-CAES相比，ACAES系统增加了蓄热环节，在储能期间压缩机压缩空气，通过换热器把热量传递给储热介质，再将储热介质收集起来存在蓄热器高温罐内，空气则进入储气室等待做功。在释能期间高压空气先流经换热器吸热，再进入透平做功，带动发电机发电，储热介质在高低温罐中被循环利用［48］。与D-CAES相比，A-CAES虽然发电量偏低，但该系统采用绝热压缩技术，通过回收压缩热代替燃烧室，很适合用于可再生能源发电系统与电网的整合。然而由于系统复杂，成本较高，且受到压缩机的材料限制［53］，至今没有商业运行的A-CAES电厂。

图7 传统压缩空气储能系统原理Fig.7 Principle of traditional compressed air energy storage system

3.3 飞轮储能

飞轮储能的基本原理是同时调整绕定轴旋转的刚体转速来决定其获得和释放能量。现有飞轮储能主要指电能与飞轮动能之间的双向转化，其特征为飞轮与电机同轴旋转，通过电力电子装置控制飞轮电机的旋转速度，实现升速储能、降速释放的功能。供电系统的平均电源容量可达到数百兆瓦，由于容量大、工作时间短，一般采用大型飞轮储能发电机组实现供电［54］，以减少对公共电网的冲击。应用于托卡马克电源的飞轮储能发电系统是一种典型的高功率脉冲电源（典型脉冲宽度为毫秒到秒），其特点是电动机与发电机独立设置。20世纪50年代，瑞士Oerlikon公司设计了飞轮电池驱动巴士，其飞轮电池储能可达到32 MJ（直径1.6 m），续航为1 200 m［55］。与众多储能方式对比，飞轮储能技术的经济优势应用领域在电能质量和调频，其放电时间为分秒级，总投资约900欧元/kW，是锂电的75%，年化循环（1 000次/年）成本为200欧元，为锂电的50%［56］。飞轮储能技术发展面临超级电容器和高功率电池的技术竞争，解决其工程应用中的关键技术在于提高技术经济性能，进而获得更多的储能市场份额。

综上所述，技术经济性仍是评价储能技术重要指标之一。为进一步对储能技术评估与优选以及多储能技术有机结合，需重点考虑其适用条件和投资成本。

4 结束语

储能技术是燃煤电厂调峰调频技术之一，其跨时空调节的特点展现出不可替代的优势。目前应用于燃煤电厂的储能技术主要包括储热、蓄电以及其他储能技术。由于储能技术自身的特点以及燃煤电厂特定的需求，目前耦合储能应用技术的方式并不统一，甚至对于同一类储能技术的选择，现有工程应用中仍未能达共识性结论。储能装置的运行特性以及针对燃煤电厂制定的运行策略是优选燃煤电厂调峰调频储能技术的2个关键性因素，然而目前尚未见有成果报道，成为了该领域深挖储能应用技术潜能的瓶颈问题之一。为此，储能技术的性能研究以及其工程示范应用有望成为后续燃煤电厂调峰调频储能技术研发的焦点。