抽水蓄能电化学储能技术的应用与展望

刘逸波，高树辉

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

储能技术作为新能源场站建设的重要环节，在实现可持续能源发展和应对能源安全挑战方面发挥着重要作用[1]。随着风力发电、光伏发电绿色能源的开拓与发展，抽水蓄能受到普遍注视和应用，其建设和运营面临着诸多挑战。其中，能源供应可靠性、电网负荷平滑、电网稳定性和可调度性等问题日益凸显。储能技术作为一种灵活、高效的能量转换技术综合应用于抽水蓄能和其他新能源场站之中。

储能技术在新能源场站中的作用不仅体现在提升能源供应可靠性方面，还能平滑电网负荷，增强电网稳定性和可调度性。

为了进一步推动新能源场站中储能技术的应用和优化，合理配置和优化运营储能系统可以显著降低能源消耗，提高能源利用效率。本文通过储能技术的应用和分析，结合实用状况，探索储能系统的选择和优化策略。

2 抽水蓄能电站概述

2.1 定义及背景

随着化石能源的日益枯竭和科学技术的进步，大量的可再生新能源场站（如太阳能、风能等）逐步取代原先的火力发电，同样为清洁能源的抽水蓄能电站，虽然较前两者来说起步较晚，但由于后发效应，起点却很高，已经逐步成为解决能源短缺和环境问题的重要方式[2，3]。

抽水蓄能电站，又称蓄能式水电站。是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。抽水蓄能电站由上水库、输水系统、厂房和下水库等建筑物组成。其中上水库是蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时段由水库放下来发电。抽水蓄能电站是一种电能转换和储备措施，转换过程中会有电能损失，目前抽水蓄能电站的综合效率约在75%左右。

由于抽水蓄能电站的填谷作用（吸收后也剩余电能），提高火电机组设备的利用率，抽水蓄能电站利用低谷时火电空闲容量抽水蓄能，等到高峰负荷时发电。与传统火电站担负峰荷的方案相比较，可以节省一定量的燃料。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的电压，提高了系统中火电站的效率。

抽水蓄能电站良好的可靠性和经济适用性，为实现可持续能源发展贡献重要力量。随着相关技术的不断创新，抽水蓄能电站的应用前景将更加广阔。

2.2 发展现状及趋势

当前，可再生清洁能源发展成为全球能源领域的热门话题，并逐渐成为解决能源危机和环境问题的重要途径。抽水蓄能电站作为可再生清洁能源的典型应用形式，具有很强的代表性和示范效应。储能系统作为抽水蓄能电站和众多新能源场站的核心组成部分，发挥着重要的作用。抽水蓄能，作为成熟的储能技术，具有超大容量、系统友好、经济可靠、生态环保等优势和特点。

抽水蓄能电站启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能。做好抽蓄电站建设和调度运行，有利于更好地利用新能源资源，有利于提升电力系统综合效益。

抽水蓄能和电化学储能作为主流储能技术，未来均大有可为。从成本、使用便利性和已使用规模综合来看，抽水蓄能和电化学储能将有望继续保持其主流储能技术的地位。

根据CNESA的不完全统计，截至2020年底，全球已投运储能项目装机量191.1 GW，其中抽水蓄能的累计装机规模最大达到172.5 GW，占比90.3%;电化学储能紧随其后，累计装机规模为14.2 GW。在我国，抽水蓄能和电化学储能同样占据主导地位，二者的累计装机规模分别为31.79 GW和3.27 GW，合计占比接近99%。

随着我国新兴能源的大规模开发利用，抽水蓄能电站的配置由过去单一的侧重于用电负荷中心逐步向用电负荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面发展。

抽水蓄能电站是电力系统中最可靠、最经济、寿命长、容量大、技术最成熟的储能装置，是新能源发展的重要组成部分。通过配套建设抽水蓄能电站，可降低火电电机组运行维护费用、延长机组寿命；有效减少风电场并网运行对电网的冲击，提高风电场和电网运行的协调性以及电网运行的安全稳定性。

图1 抽水蓄能电站的整体结构

3 储能系统在新能源场站中的作用

3.1 储能系统的定义与分类

储能系统作为新能源场站中重要的组成部分，其作用不可忽视，首先，我们需要明确储能系统的定义与分类。根据其储存形式和储存介质的不同，储能系统可分为电化学储能系统（如图2）、机械储能系统、热能储能系统等多种类型。

图2 中国储能市场装机规模拆分

按照能量的储存方式，储能可分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能、氢储能五类，其中机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能主要包括超级电容器、超导磁储能；电化学储能主要包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠硫电池等。

电化学储能这几年的发展速率是高于抽水储能，从原来不足5%到现在接近10%，未来占比会更多。

从目前情况看，抽水蓄能、锂离子电池、液流电池、铅酸电池技术因一定的优势，仍将在储能领域保持较大的比重。

3.2 储能技术在抽水蓄能电站中的应用

抽水蓄能电站中的储能技术扮演着至关重要的角色，是抽水蓄能电站的核心技术和发电运行的原理。

技术上来说，抽蓄是成熟的方案：它有上下两个水库和中间的引水系统，本质上是一个水电站，利用夜间低谷时段抽水将电能转化成势能储存起来，白天用电高峰期将水放下来发电，抽水和发电用的是同一套电机水泵。根据调峰需要，有时甚至实现一天内两次抽水发电循环，效率很高而且安全可靠。但其建设周期较长，对选址的要求较高，受地理条件约束较大。

电化学储能通过化学反应来实现电能的存储和释放。与抽水蓄能相比，电化学储能布置较为灵活，建设周期较短，且响应速度较快，一般可以达到秒级响应。但其成本较高且安全性差也是其不可忽视的弊端

抽水蓄能和电化学储能在技术方面存在一定的互补性。在新型电力系统中，如果能将抽水蓄能与电化学储能协同配置，可以提升调节电源容量、减少碳排放等，达到“1+1>2”的效果。

与单一的抽蓄或者电化学储能电站相比，两者相结合的抽水蓄能电站拥有3大优势。

（1）提升电力系统调节能力

抽水蓄能在电力系统中一般有六大功能：调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动。电化学储能与抽水蓄能协同运行，可利用电化学储能的快速响应特性提升整体的调节性能。在系统发生频率波动时，电化学储能响应速度较快，可以立即响应进行系统调频，对频率起到快速支撑的作用，防止系统频率迅速增高或跌落。但一般情况下，电化学储能的容量较小，无法长时间维持充电或放电状态，而抽水蓄能通常容量较大，可以在响应后进行较长时间的持续功率支撑，以维持电网频率稳定。

（2）优化调节电源容量配置

抽水蓄能与电化学储能在调节能力、响应速度、建设条件、建设规模等方面具有一定互补性。针对电力系统不同的调节需求，两种调节电源的协同配置可以优化调节电源的容量规模，避免冗余配置、资源浪费。另外，随着电力市场建设的逐步完善，抽水蓄能和电化学储能协同配置，可参与多种电力系统辅助服务，发挥各自优势，并获得经济收益。

（3）减少碳排放

现阶段，电力系统的调峰、调频等服务很大程度上依赖火电机组。新能源装机占比的不断提升可能导致电力系统调节能力不足。这在一定程度上也会制约新能源的发展。因此，构建新型电力系统需要开发清洁低碳的调节电源，如抽水蓄能和电化学储能等。二者协同运行可为新能源电源接入创造更有利的系统环境，还能起到降低碳排放的作用。

因此国内大多数在建的新能源场站都有要求配套建设储能装置，尤其是新疆西藏等用电需求较大，电网平稳性差，波动性较大的地区，储能装置的配置就显得尤其格外重要。

目前，国内应用的几大储能系统厂家，如奇点新能源股份有限公司，厂家生产的储能装置，除了主体的储能电池单元和智能电池模块汇控柜和智能电池模块集控柜外，还配置有单独的EMS控制柜和后台控制系统，能够实现AGC控制功能（如图3所示），即由国网公司调度中心集中配置储能系统充放电操作的执行和充放电功率的调配，当电网频率过高时，储能系统可以接收过剩的电能存储起来；当电网频率过低时，储能系统可以释放储存的电能进行补偿，从而保持电网频率在合理范围内。通过整体的AGC的调配，也可以使电网电压控制在合理的范围内。

图3 储能系统中的AGC应用

综上所述，储能系统在新能源场站中的应用十分广泛。通过容量配置设计结合本身的AGC功能，实现了调峰填谷、削减峰值负荷、频率调节和电压支撑等功能，为新能源场站的稳定运行提供了重要支持。

4 储能系统选择与优化

4.1 储能系统的选择因素

储能系统是新能源场站中不可或缺的重要组成部分。在选择合适的储能系统时，需要考虑一系列因素。

（1）储能系统的容量是一个关键因素。根据新能源场站的实际需求和负荷情况，需要确定合适的储能系统容量。过大的储能容量可能造成资源浪费，而过小的容量则会导致储能系统无法满足能量需求。目前随新能源电站建设的储能电站的容量选择一般设计为总装机容量的10%~20%来进行配置，这个比例更多考虑的是为了电网的稳定性，其在功能上还并不具备作为一个单独的储能电站来进行运行。

（2）储能系统的效率是选择重要因素。效率直接关系到电能的储存和释放效果，因此选择具有高效能转换的储能系统可以在能量转换过程中减少能量损失，提高整体系统效率。在这一块目前我国的技术已经相对成熟，储能系统的充电，放电效率均能达到95%以上，根据国家电网的相关要求，所有配备储能系统的新能源场站并网后进行性能测试时，储能系统都要进行3次以上的满充/满放试验，测试结果必须达到95%的效率以上，才能算是测试通过，该场站才算具备转商运的投产条件。

（3）储能系统的成本是重要的考虑因素。不同类型的储能系统在成本方面存在差异，因此需要综合考虑成本与效益来选择合适的储能系统。目前国内大部分储能系统配置的储能电池单元使用的都是磷酸铁锂电池，该类型的电池成本可接受，回本周期短。

（4）储能系统的可靠性和安全性也需要被重视。储能装置内都配备有单独的消防柜，每个智慧能量块柜内也都配备有气溶胶，起到了保护作用。

在选择储能系统时，需要综合考虑以上因素，只有选择合适的储能系统，才能确保新能源场站的稳定运行，并发挥储能系统在新能源场站中的重要作用。

4.2 储能系统优化策略

储能系统是新能源场站中非常重要的组成部分之一，它能够解决新能源发电的间断性和波动性问题，提高能源利用效率和供电稳定性。储能系统的优化策略可以进一步提高其在新能源场站中的作用。

储能系统的优化策略包括储能系统的容量与功率的匹配优化、能量管理优化。能量管理是指对储能系统充放电过程进行优化控制，以实现能量存储和释放的最佳效果。通过合理的能量管理优化，可以最大限度地提高储能系统的能量存储效率和供电稳定性。

目前储能系统多作为新能源电站的配套装置建设在电网侧，但鉴于储能系统的多种优秀特性，如果储能装置能安装在用户侧将会给未来的城市化建设带来更加的效益。

首先，依据目前的专业技术，通过配置独立的远动信息系统，独立的调度通信网，储能装置完全具备脱离新能源发电站而单独成站的硬件条件。

其次，如果城市内所有具备条件的建筑周边都配置了独立的储能电站，这些独立的储能电站不仅可以在平时通过峰谷电价差来取回收益，更重要的是，这些储能电站之间，通过调度数据网的调配，完全可以在城市用电高峰的时，对一些重要部门起到保供电的重要作用。

综上所述，未来的储能系统，在用户侧单独运行，城市不再单一依靠电网，城市化的发展将会更有保障，城市智能化将会更高，通过合理的优化策略，可以提高储能系统在新能源场站中的作用，实现供电稳定性和能源利用效率的最大化。

图4 储能电站在未来的应用场景

5 结语

本文从新能源场站中储能系统的作用出发，通过研究分析了储能系统在实现可持续能源发展和应对能源安全挑战方面的重要性。结合国内外相关实践和经验，总结了储能系统的设计和运营管理策略。合理配置和优化运营储能系统可显著降低能源消耗、提高能源利用效率并降低空气污染。

通过对新能源场站未来前景描述可知，未来的研究方向包括但不限于以下几个方面：首先，可以进一步优化储能系统的运营管理策略，提高能源利用效率和降低成本。其次，可以深入研究储能系统与电力市场的关系，探索储能系统在电力市场中的定价机制和市场运营模式。另外，在新能源场站中引入新的储能技术和设备，如电动汽车电池储能系统和氢能储能系统，也是未来研究的方向之一。