多能互补能源系统中储能原理及其应用

蒋文坤，韩颖慧，薛智文，朱勇奇，徐艳梅

（1.华北电力大学数理系，河北保定， 071003；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 101408）

0 引言

随着科技的进步，人们的生活质量稳步提升，对电能需求量不断增加。自然界中的不可再生能源随着逐年发电消耗，存储量越来越低。化石燃料的使用对环境污染愈发严重，绿色可持续发展成为世界能源发展的主题。清洁能源在中国能源体系中的地位不断上升，发展清洁能源将成为我国能源发展的必然趋势。根据风电、光伏发电、生物质能、水电、氢能各自的特点建立多能互补能源系统，可以保证发电侧和用户侧的平衡，有效利用清洁能源。能源体系的多能互补化是未来能源行业发展的重中之重。多能互补可以促进清洁能源快速发展，打开多种电源并存的新局面，也会增加风电、光伏发电的消纳，挺高供电质量，保障电网安全稳定运行，助力“双碳”目标实现［1］。

储能技术在多能互补能源系统中起着十分重要的作用，它直接影响清洁能源的利用率。新型清洁能源与储能技术的发展将会使电力系统的形态、结构、功能发生变革；坚实有效推进清洁能源可持续发展，需要绿色环保、经济效益高、储能规模大、储能效率高的储能技术。利用多能互补能源系统可以将风能、光能、生物质能等清洁能源产生的电能不断输入电网，有效利用清洁能源。但是由于自然环境的因素，这些能源发电存在间歇和波动的问题，会对电网造成巨大冲击，影响电网的安全性和稳定性；若利用储能设备将用电低峰期多余的电能存储起来，在用电高峰时再输入电网，便可解决风力、光伏发电等清洁能源发电的随机性和波动性问题，减少清洁能源发电对电网的冲击［2］，同时减轻火电机组的负担，降低化石燃料的使用量，减少环境污染，且储能设备输出功率可智能化控制，输出十分稳定。因此将储能技术用于多能互补能源系统，可使能源互补模式在电网中应用得更加顺利，发展更加迅速。该技术理念契合绿色可持续发展能源主题，可有效利用我国丰富的自然清洁能源，为达成“双碳”目标奠定了更加坚实的基础。

1 储能技术原理

1.1 氢储能

氢储能是一种将能量转化为氢能储存起来的技术，一般在可再生能源发电系统中应用［3］。由于风能、太阳能和其他可再生能源具有发电不稳定、电力间歇产生的特征，该技术可将富余的能源用来大规模制氢，再将氢储存起来。当电力或其他能源输出不足时，可利用氢气通过燃料电池或其他反应形式进行补充，这样可有效解决可再生能源发电并网的问题。当然也可将氢气直接输送到交通、冶金等其他工业领域中直接利用［4］。

氢储能技术还涉及材料、装备和网络等领域，其系统结构及其应用如图1所示。

图1 氢储能系统结构及其应用Fig.1 Principle and application of hydrogen storage technology

1.2 电化学储能

电化学储能是利用化学反应，将电能以化学能进行储存和再释放的一类技术［5］。相比于物理储能，电化学储能的优势在于电化学储能的能量和功率配置灵活、受环境影响小，易实现大规模利用，同时可制备各种小型、便携器件，作为能源驱动多种电力电子设备［6］。电化学储能技术包括超级电容器储能技术和蓄电池储能技术。目前已报道的电化学储能器件有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等［6］。

1.2.1 超级电容器储能

超级电容器具有电池储存电荷的能力，同时具有较高的放电功率，对环境污染较小，是目前较为理想的储能器件［7］。双层电容器通过电极和电解质之间形成的界面双电层储存电能。界面双电层是电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的2 层电荷［8］。这种电容器的储能过程是可逆的，储存电能的过程中，电解质溶液只进行电化学极化，并没有产生电化学反应。赝电容器是基于双电层电容器发展出的一类超级电容器。该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容［9］。对于赝电容器，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，还包括电解液中的离子在电极活性物质中因氧化还原反应将电荷储存于电极中的过程［10］。双电层超级电容器工作原理如图2所示。

图2 双电层超级电容器工作原理Fig.2 Working principle of electric double⁃layer supercapacitors

1.2.2 蓄电池储能

蓄电池储能系统主要是通过电池正负极的氧化还原反应进行充放电［11］。一般由电池体、双向变流器（直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC））、控制装置和辅助设备（安全、环境保护设备）等组成。目前，蓄电池储能系统在多能互补能源系统中应用十分广泛，且是多能互补能源系统中的关键技术。蓄电池储电性能的优劣直接影响储能系统的运行［12］。蓄电池具有环境适应性好、比能量高、效率高、响应时间短和循环寿命长等特点，更好地满足了多能互补能源系统的需求［13］。蓄电池根据使用的电极材料、电解液的不同，性能相差很大。目前蓄电池主要有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等。

铅酸电池的充放电原理：电极主要由铅及其氧化物组成［14］，电解液为硫酸溶液，通过化学反应方程式（1），（2）实现充放电。

钠硫电池的充放电原理：负极使用钠金属材料，正极由液态的硫组成，中间隔有陶瓷管作为电解质隔膜［15］；电池运行温度保持在300 ℃以上，钠离子透过电解质隔膜与液态硫发生可逆反应，形成能量释放和储存。钠硫电池通过化学反应方程式（3），（4）实现充放电。

正极：

全钒液流电池是一种通过氧化还原反应储存能量的、新型绿色环保的电化学储能装置［16］。全钒液流电池正负极全部使用钒盐溶液，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物质中。液态电解质储存在电池外部，用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜，将电能转化为化学能储存起来。全钒液流电池通过化学反应方程式（5），（6）实现充放电。

正极：

钠离子电池和锂离子电池也具有相似的电池结构和工作原理［17］。钠离子电池使用钠离子容易嵌入（脱嵌）的活性材料作为电池正负极，依靠钠离子在正负极之间移动充放电，充电时Na＋从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极材料，这时负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给负极，保证正负极电荷平衡。放电过程则与充电过程相反，Na＋从负极脱嵌经过电解质嵌入正极。正常的充放电情况下，钠离子在正负极间的嵌入（脱嵌）不会破坏电极材料的化学结构。

锂离子电池的充放电原理：利用电化学嵌入（脱嵌）反应原理来实现锂离子在正负极间的移动［18］，如图3 所示。磷酸铁锂电池通过化学反应方程式（7），（8）实现充放电。

图3 钴酸锂离子电池结构原理示意Fig.3 Schematic structure of a lithium cobalt oxide battery

正极：

负极：

1.3 压缩空气储能

压缩空气储能（CAES）是一种提供电力以满足电力系统峰值负载要求的技术［19］。它结合了最先进的燃气轮机和一个地下储层。该储层可能是含水层、盐腔或开采的硬岩洞穴。燃气轮机的压缩机和涡轮部分将交替地连接到电动机/发电机上，以便在不同的时间段内运行［20］，原理如图4 所示。在夜间和周末电力非高峰时段，使用低成本电力压缩储存在地下蓄水池中的空气。在随后白天的电力高峰负荷期间，取出存储中的压缩空气，与燃料混合、燃烧并通过涡轮机膨胀以产生峰值功率。与目前用于提供峰值功率的简单循环燃气轮机相比，这一概念将传统CAES 系统的石油燃料消耗量减少了60%以上。一些先进的CAES 系统根本不需要任何石油燃料［21］。

图4 压缩空气储能装置原理Fig.4 Principle of a compressed air energy storage device

1.4 飞轮储能

飞轮储能是一种利用电能加速一个放在真空环境中的、质量很大的转子，使电能以动能的形式储存起来［22］。飞轮储能系统的基本结构包括飞轮、轴承、电动发电机组、真空腔［23］，如图5 所示。当电网中有多余的电量需要存储时，系统中的高速电机带动飞轮加速转动，当飞轮达到设定的最大转速后，动能不变，系统处于能量保持状态，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮体中。当电网系统的电能供给不足时，给飞轮储能系统一个释放能量的控制信号，系统将会控制高速旋转的飞轮利用其惯性带动发电机，飞轮转子减速，动能转化为电能，新产的电能经变流器在电网中输出适用于电网需求的电能［24］。

图5 飞轮储能原理Fig.5 Principle of flywheel energy storage technology

1.5 抽水蓄能

抽水蓄能系统是通过势能与电能的相互转化实现存储释放能量。当负荷低谷时段，利用电网内部过剩的电能将下水库的水抽到上水库，将电能转换成水的势能储存起来，此时抽水蓄能电站相当于电网内的一个用户；当电网进入用电高峰时段，抽水蓄能电站启用水轮发电机，将上水库的水放到下水库来发电，使储存的水的势能转化为电能输入电网，达到弥补用电缺口的目的。

1.6 超导电磁储能

超导电磁储能系统是通过直流电在超导体线圈内流动形成磁场来储存能量［25］，原理如图6所示。

图6 超导电磁储能原理Fig.6 Principle of superconducting electromagnetic energy storage technology

超导线圈的电阻很小，欧姆损耗基本为零，从而能量转换损失较小。超导储能系统在放电模式下，能够在毫秒级的时间内将几兆瓦的电能传输到电网中。

设计超导储能系统的材料具有低温超导和高延展性，如铌钛（NbTi）细线圈和液氦冷却剂或4.2 K 超流体氦冷却。当超导体线圈充电储能后，如果能使低温保持在临界值以下，能量将会永久储存，电流不会衰减。储能技术优缺点见表1。

表1 储能技术优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of energy storage technologies

2 储能技术在多能互补能源系统中的应用

2.1 超级电容储能技术应用

超级电容是一种具有功率密度大、循环寿命长、绿色环保、高效实用的能量存储装置。超级电容器具有工作过程中无运动部件、无污染、充放电时间短、可靠性髙、响应时间快等特点，使得它在小型分布式发电装置应用中具有较强的优势［26］。超级电容储能将成为光伏发电系统储能技术的发展方向。多能互补能源系统中风力发电与光伏发电等新型清洁能源占比较大，这些新型清洁能源发电存在输出功率不稳定的缺陷。当将这些分布式发电接入电网时势必会造成对电网的冲击，破坏电网的安全稳定运行。而超级电容具有功率密度大、储能效率高等优点［27］，可为清洁能源发电并网时稳定输出功率。超级电容可充当电网波动或故障时的备用电源，进而提高电网的供电稳定性。但是超级电容储能能量密度低，耐压水平一般，不能满足大部分电网的需求，导致其应用受限。文献［28］在一个独立的光伏发电系统中，使用超级电容和铅酸电池建立了一个混合储能系统，超级电容的加入使得这个光伏发电系统的输出功率十分稳定。将超级电容与电池结合，形成新的储能设备是目前超级电容储能技术的发展方向之一。

2.2 电池储能技术应用

电池储能技术的快速发展使得电池储能技术逐渐成熟，利用电池储能技术对多能互补能源系统进行优化的可行性增强。使用电池储能技术可以提高火电机组系统运行的稳定性和经济性。电池储能参与含风、光电系统的调峰和优化，使系统受风、光电出力的影响变小，减少弃风造成的能量损耗，降低光电的不稳定性影响，是现在应用的主要方向。

全钒液流电池储能技术在多能互补能源系统的调峰中应用广泛。全钒液流电池具有使用寿命长、反应时间短、安全高效等特点，是大规模高效储能的方式之一。中国科学院大连化学物理研究所和大连融科储能公司合作，成功开发出国内最大功率级即32 kW 级高功率全钒液流电池电堆。在120 mA/cm2电流密度下充放电，能量效率达81.2%。我国建设的全球最大规模的5 MW/10 MW·h全钒液流电池储能系统成功并网运行，证明我国多能互补能源系统中全钒电池储能技术走在了国际前列［29］。但由于全钒电池体积大、比能量低、密封性不好等原因导致其应用受限。

锂离子电池具有电池中最高的能量密度，电池的效率极高，可达95%以上，循环次数在5 000 次以上，环境污染低，是较理想的储能电池。锂离子储能电池应用于多能互补能源系统的调峰、光伏储能等，有广阔的应用前景。2019 年长沙榔梨电池储能电站在电网侧使用锂离子电池储能技术，成功缓解了长沙局部地区高峰期供电压力，同时提升了新能源供电稳定性。2020 年广州和佛山利用锂离子电池储能技术对当地电网进行调峰，提高了电网运行灵活性，提升了该区域供电可靠性，支撑电网安全稳定运行［30］。随着锂离子电池的应用越来越广泛，锂离子电池未来可能会使用能量密度更高的正极材料，同时制造成本也会增加，提高锂离子电池性价比也是锂离子电池发展需要考虑的因素。锂离子电池由于电池内部电解液和隔膜材料的性质，电池的受热稳定性、安全性有待提高。

铅酸电池储能技术比较成熟，因其结构简单、价格低廉、维护方便、性能稳定安全等优点，常常作为多能互补能源系统中的备用电源。铅酸电池储能系统与光伏发电系统配合，可以解决光电入网带来的波动性问题，且有助于电网调峰。2011 年East Penn“500 kW·h 光电平滑+1 MW·h 光储一体化”电网级铅碳储能项目通过PNM 电力瓦斯公司验收，为美国东部地区13个州超过5 800万人服务。我国新能源示范城市吐鲁番屋顶容量为2 MW·h 的光伏电站暨微电网系统试点工程为电网削峰填谷做出了巨大贡献［30］。铅酸电池大功率放电时可用容量降低，将铅酸电池与超级电容器等储能器件结合，形成超级电池，是未来铅酸电池的发展途径之一。

钠硫电池能量密度高、充放电能效高、循环寿命长，如果能解决安全性的问题，钠硫电池将成为多能互补能源系统的重要部分。目前只有日本NGK公司能制造出高性能的钠硫电池。

2.3 压缩空气储能技术应用

多能互补模式中经常以风电、火电和水电互补，然而风电容易受到天气、地理环境等自然因素的影响，会出现明显的波动性和间歇性，所以对风电进行有效、清洁的储能是进行多能互补的关键。

风电机组在产生电能的同时会产生大量的机械功，利用这些机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了电能转换机械功的损耗，使得能量利用最大化。压缩空气储能密度高，储存容量可达兆瓦级，空气介质的获取不受环境影响，压缩空气过程中不会产生任何污染物质，是一种环保、安全的手段；同时压缩空气储能装置占地面积较小，可以适用大多数的风力发电场合。德国建立了压缩功率60 MW、发电功率321 MW 的Hundorf 站。Highview 公司联合苏格兰南方电力公司试用的80 MW 的压缩空气储能装置并入电网试验成功［31］。

压缩空气储能技术需要较大的空穴储存压缩空气，对应用的地区地理环境要求较高。我国压缩空气储能技术起步较晚，国内机构积极开展与国外研究机构交流合作，2018 年搭建了500 kW 的新能源储能平台，国家电网在平台上开展了压缩空气储能试验，取得良好成果，有望将液化储能技术结合到后期风力发电等新能源的应用建设中。

2.4 风氢耦合储能系统应用

我国具有丰富的风能储备，利用风能发电具有良好的经济效益和环保效益，但是风电接入电网会带来电压波动、频率波动等问题。储能技术与风力发电耦合可以解决风电并网的难题。氢能是全世界公认的理想清洁能源，引入风氢耦合储能技术能高效利用我国风能资源，用氢气发电再并入电网就可以解决风电的波动性、随机性问题。

2014 年我国将风氢耦合集成系统关键技术列入国家高技术研究发展计划（863计划）。2015年容量为200 MW 的风电场和10 MW 电解水制氢系统——沽源风电制氢项目正式启动。2019 年全国弃风电量高达169 GW·h，相当于约3 Mt 电解水制氢的电耗。若将制得的氢气用于工业生产领域可给国家带来极大的经济效益，同时可减少煤的使用约50 Mt，减少CO2排放约150 Mt［32］，有助于“双碳”目标实现。

世界上许多国家都十分重视清洁能源耦合制氢技术，其中最著名的是美国的Wind2H2 计划，此计划主要目的在于研究可再生能源与电解槽技术耦合制氢技术。德国的Enertrag公司在2011年利用3 台2 MW 风力发电机在用电低谷时进行制氢并存储起来。2012 年德国成功投运了RH2-WKA 风氢热电联产示范工程。2017 年英国萨福克郡建成风电容量为750 kW 的风氢能源办公楼系统。2019年，荷兰成功开展了世界上第1 个海上风电制氢试点项目PosHYdon［33］。柏林和勃兰堡利用电网用电低峰时多余电能制备氢气，为新型燃料电池公共交通工具提供清洁能源，降低电网负载压力［34］。丹麦准备大力发展海上风电转化为氢能技术，将海上风电这一不稳定能源高效稳定地存储起来［35］。这样的耦合储能系统能有效利用自然资源，减少化石燃料的使用，广泛使用氢能有助于世界各国减少碳排放。

2.5 飞轮储能技术应用

我国已经掌握了合金飞轮技术。合金飞轮临界点储电量在5 kW·h 左右，功率密度较高，在电网中有广阔的应用前景。在多能互补能源系统中需要一个寿命长、储能功率大、响应速度快、循环能力强的系统来解决电网中发电、用电不平衡而出现的波动问题，而飞轮储能系统恰好具有这些优点。所以将飞轮储能系统应用到多能互补能源系统中能够有效帮助电网调频，解决电网中的波动问题。其中最具代表性的是Beacon Power，其运营的飞轮储能调频系统承担了纽约地区23.5%的调频任务，调频准确率高达95%［36］。中国电力科学研究院电力电子研究所为北京360医院安装了一套磁悬浮轴承的飞轮储能系统，为医院配电系统调频作出巨大贡献［37］。风力发电量通常超过或不符合出口限制，超过出口限制的发电量将被视为违规，可能导致当地电网运营商被管理部门罚款，超过出口限制的多余电量可用于补充低发电期，使风电场输出平稳，并提供更大的现场总输出。由于飞轮具有高循环率的恢复能力，因此非常适合在这种情况下存储能量［38］。另外，飞轮储能系统体积较小，可以灵活建造布置，从而减少占地面积以及建造成本，应用在多能互补能源系统中经济效益较高。

飞轮储能技术向复合材料转子及磁轴承的方向发展，但是国内对于复合材料转子技术的掌握尚不成熟，其次飞轮储能技术能量密度低，只能持续几分钟，由于轴承和空气阻力，具有一定的自放电缺陷，导致飞轮储能技术应用受限。

2.6 抽水蓄能技术应用

多能互补能源系统中使用大规模储电技术是解决电网调度、保证电网稳定运行的有效手段。抽水蓄能技术是目前我国掌握的较为成熟的储能手段之一。抽水蓄能属于大规模、集中式能量储存，储能效率最高可达80%～85%，负荷响应速度快等特点满足多能互补储能的要求。

我国西部的高原地区，日照充足，大风日居多，自然资源丰富，储存了多种高原特色资源。据不完全统计，整个高原地区的清洁能源储量超过1 500 GW，其中水能资源理论储量约314 GW，风能资源理论储量约180 GW，太阳能理论储量约700 GW，还拥有十分丰富地热能资源［39-41］。抽水蓄能电站建设清洁能源产区，可充分利用清洁能源储电发电，再通过风电、光电、水电协同供电可解决清洁能源电网不稳定的难题。抽水蓄能电站还可以利用空闲容量吸纳系统，在负荷高峰时段发电输入电网，减少火电电量消耗，从而减少火力发电煤炭燃烧量，获得经济环保效益。但是抽水蓄能电站厂址依赖特定的地理条件，有一定的局限性，同时与负荷中心有一定的距离需要长距离输电。

我国建设的丰宁抽水蓄能电站装机规模3 600 MW，为北京地区电网统一调频、调相、负荷备用起到了关键性作用［42］。贵州电网和哈密地区针对其现存问题，准备建设抽水蓄能电站帮助这些地区的多能互补能源系统发挥更大作用，收获更多效益［43］。

2.7 超导储能技术应用

超导储能是一种新颖的储能形式，可直接将电能储存在磁场中，储存过程中无能量形式的转换，能量的充放电非常快，功率密度很高，响应速度极快。超导储能通过电力电子换流器与外部系统快速地交换有功功率与无功功率，进而提高电力系统的稳定性。将超导储能技术应用在多能互补能源系统中，能有效改善电网供电质量。但是超导材料价格昂贵、能量密度低、维护复杂，在电网中的应用受限。目前开发的超导电磁电网储能系统，规模相对较小，一般用于电网功率调节，只能提供1 MW 以下的电力。建设提供1 000 MW 或更高输出的超导电磁储能系统已被各发达国家提上议程；然而，产生巨大磁力所需的电磁储能系统线圈的物理结构十分巨大，迄今还没有足够的经济性来支撑其构造。

超导电磁储能在未来拥有十分广阔的应用前景和较好的经济效益。国外开始进行超导电磁储能并入电网的经济性分析。例如西班牙将超导电磁储能并入电网提上立法议程，如果使用超导电磁储能系统将使国内生产总值上升，同时会减少大量的碳排放［44-45］。

3 总结与展望

清洁能源的大力发展将使中国能源体系发生巨大变革。清洁能源与可再生能源发电大规模接入电网是必然趋势。多能互补能源系统将会普遍应用在电网中。储能技术为多能互补能源系统的安全稳定运行做出了重要贡献。

目前储能技术还有一些局限性，氢储能技术受到各国重点关注。氢气具有可燃性好、制备方法简单、燃烧产物无污染、作为燃料可减轻燃料自重等特点。

全球正在追求碳中和目标，高效利用氢能可节约国家发展的碳成本，但氢能存储运输困难是亟待解决的问题。锂离子电池虽然具有电池中最高的比能量，但其稳定性、安全性较低，且成本偏高。开发性价比高的固态锂离子电池，以提升其安全性和综合性是未来发展趋势。压缩空气储能技术需要更加巧妙地设计系统结构，降低地理环境因素的影响，增加压缩空气储能全过程的能量利用率。抽水蓄能技术可大规模集中式储能，最高效率约为80%～85%。

具有日调节能力的抽水蓄能技术配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电可发挥出巨大效益，但其应用受到地域和成本等限制。飞轮储能技术十分成熟，具有寿命长、效率高、维护成本低、功率密度高等特点。目前，飞轮储能技术多用于工业调频，在大型电网中应用较少。超导电磁储能尚不成熟，如何降低超导储能设备和维护成本也是其走向实用的瓶颈问题。超级电容兼具高能量密度和高功率密度双重性能，随着国内规模化生产制造以及组装工艺的提升，目前很多国产品牌的超级电容已得到国际认可，并在多能互补领域的示范工程中有不少应用案例，但是为了进一步完善工艺，还需要通过创新电极和电解质材料来提升自身的能量密度及耐压值。

随着我国具有自主知识产权的各种储能技术和制造工艺的不断创新发展，国产储能设备在延长使用寿命、缩短充电时间、提高能量密度和降低成本等方面有望在“十四五”期间取得重要突破，并在多能互补能源系统中得到广泛应用。