儲能是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)，能夠提供調(diào)峰、調(diào)頻等多種服務(wù)，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段。綜述了現(xiàn)有主要儲能技術(shù)的特點(diǎn)，分析了電源側(cè)、用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用場景下儲能的作用和需求。根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，指出影響儲能進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的安全性、經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)模式關(guān)鍵問題。最后從儲能應(yīng)用方角度提出應(yīng)加強(qiáng)儲能運(yùn)行模擬、多重組合利用、集中和分散相結(jié)合等建議。本文可為儲能技術(shù)的應(yīng)用研究和發(fā)展提供參考。

本文來源：南方能源建設(shè) 微信公眾號 ID：EnergyGEDI

引言

我國能源轉(zhuǎn)型的重要手段是提高清潔能源在發(fā)電中的比例，發(fā)展新能源是我國能源發(fā)展的基本方向。2018年，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重約為30%，國家發(fā)展改革委、國家能源局2016年12月29日發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016－2030）》提出2030年比重力爭達(dá)到50%，必須大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源才能實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。根據(jù)國際能源署《電力轉(zhuǎn)型——風(fēng)電、光伏以及靈活性電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性》報(bào)告[1]， 因系統(tǒng)不同，可再生能源年發(fā)電量占比達(dá)到25%~40%時，亟須對電力系統(tǒng)傳統(tǒng)電源配置、運(yùn)行方式、輸電規(guī)劃等做出重大調(diào)整，提出新的電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制方案等。

儲能技術(shù)在提高電網(wǎng)對新能源的接納能力、電網(wǎng)調(diào)頻、削峰填谷、提高電能質(zhì)量和電力可靠性等方面的重要作用已經(jīng)在國際上達(dá)成共識。近年來，隨著電化學(xué)儲能技術(shù)的不斷成熟、成本的快速下降，我國電化學(xué)儲能增長迅速，總裝機(jī)容量從2015年的105 MW增長到2018年的1.034 GW，年增長114%。儲能靈活的能量時間搬運(yùn)功能，可以使得可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)更加友好、可控，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供支撐，還可以給裝置于用戶側(cè)，為用戶提供峰谷調(diào)節(jié)、提升供電能力、提升供電可靠性等多種需求，因此，儲能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)均儲能均取得快速規(guī)?；瘧?yīng)用[2-7]，已經(jīng)成為我國能源清潔化轉(zhuǎn)型和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。

儲能技術(shù)類型多樣，特點(diǎn)差別較大，適合的應(yīng)用場景也有較大差別，目前發(fā)展也遇到一些關(guān)鍵問題，本文將就儲能的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場景、面臨的主要問題等進(jìn)行綜述總結(jié)，并給出對策建議，為儲能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供支撐。

儲能技術(shù)現(xiàn)狀

廣義的儲能技術(shù)包括儲電、儲熱、其他形式轉(zhuǎn)換（如電制氫）等，這里主要討論日以下時間周期、以充放電為目標(biāo)的電儲能技術(shù)。

根據(jù)充放電能量轉(zhuǎn)換形式，大致可以分為物理儲能、電化學(xué)儲能以及電磁儲能，物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電化學(xué)儲能主要包括鉛酸電池儲能、鋰離子電池、鉛炭電池、鈉硫電池、液流電池等；電磁儲能主要包括超級電容器儲能、超導(dǎo)儲能等。

從儲存能量的時間尺度和為電力系統(tǒng)提供支撐的功能來看，主要分能量型儲能和功率型儲能，功率型儲能特點(diǎn)是比功率高，主要用于瞬間高功率輸入、輸出場合，一般為中短期儲能，放電時間為秒級到分鐘級，典型的如飛輪儲能、超級電容儲能和超導(dǎo)儲能；能量型儲能特點(diǎn)是比能量高，主要用于高能量輸入、輸出場合，一般為中長期儲能，放電時間達(dá)到小時至日級別，典型的如抽水蓄能、鋰離子電池、鉛炭電池等。

從技術(shù)成熟度看，抽水蓄能是目前電力系統(tǒng)最為可靠經(jīng)濟(jì)、容量最大、技術(shù)最完善、壽命最長的大規(guī)模儲能技術(shù)，應(yīng)用已經(jīng)超過100 年，至2018年底，我國抽水蓄能占儲能裝機(jī)容量約96%，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到數(shù)天，綜合效率75%左右，非常適合用于電力系統(tǒng)調(diào)峰和用作長時間備用電源的場合。抽水蓄能的主要應(yīng)用問題是其建設(shè)對地理?xiàng)l件要求比較高，建設(shè)周期也較長，單體容量較大，對于貼近于負(fù)荷中心的應(yīng)用建設(shè)場地越來越難以尋找。

除了抽水蓄能，我國其余電儲能基本上是各類電化學(xué)儲能，包括鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池。從技術(shù)應(yīng)用上來說，這三類電化學(xué)儲能已經(jīng)比較成熟，具有單體容量小、施工安裝難度小、建設(shè)速度快，能夠貼近負(fù)荷、各類新能源靈活配置，隨著價格的不斷降低，近年來，快速大量發(fā)展，至2018年底合計(jì)占儲能裝機(jī)比例約3.3%，其中，鋰離子電池占比約72%，鉛酸占25%，液流約2%。

這里從電池性能、經(jīng)濟(jì)性、安全性、工程實(shí)施、回收以及對三種主要電化學(xué)儲能進(jìn)行了概要比較。

表1 三種主要電化學(xué)儲能性能指標(biāo)

表2 三種主要電化學(xué)儲能工程評價

總體來說，鋰離子電池各方面的綜合表現(xiàn)較為優(yōu)秀，鉛蓄電池成本較低，液流電池循環(huán)壽命長但是初始投資大，且工程實(shí)施對場地要求較大。鋰離子電池對于功率型和能量型應(yīng)用均有較好表現(xiàn)，工程實(shí)施性好，應(yīng)用范圍較廣；隨著電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池的研發(fā)生產(chǎn)已有規(guī)模效應(yīng)，造價成本下降趨勢較快，因此，鋰離子電池獲得較優(yōu)的綜合性價比，實(shí)際應(yīng)用規(guī)模也最大。鉛蓄電池技術(shù)傳統(tǒng)但也有技術(shù)進(jìn)步，初始成本投資低一直是其突出優(yōu)勢，在大容量充放電的能量型應(yīng)用場合也有較多應(yīng)用。

由于抽水蓄能技術(shù)、應(yīng)用和商業(yè)模式都比較成熟，后面儲能應(yīng)用和討論主要針對的是非抽水蓄能的電儲能。

儲能的應(yīng)用場景和需求

儲能技術(shù)在提高電網(wǎng)對新能源的接納能力、電網(wǎng)調(diào)頻、削峰填谷、提高電能質(zhì)量和電力可靠性等方面的重要作用已經(jīng)在國際上達(dá)成共識。

儲能的靈活性、特點(diǎn)和應(yīng)用場景非常多，差異比較大，但根本上都是通過能量的時間轉(zhuǎn)移存儲，解決電力系統(tǒng)發(fā)用電的即發(fā)即用、時刻平衡帶來不靈活的缺點(diǎn)，秒級到分鐘級的能量平衡歸為頻率調(diào)節(jié)需求，小時級的能量平衡歸為峰谷調(diào)節(jié)需求。另一方面，隨著新能源的大規(guī)?？焖僭龆?，由于其發(fā)電的剛性，或可調(diào)節(jié)性較差，對電力系統(tǒng)的不同時間尺度能量平衡要求更高，帶來更大的調(diào)峰調(diào)頻需求。

從全社會角度看，通過儲能進(jìn)行能量的時間轉(zhuǎn)移存儲、發(fā)電和負(fù)荷曲線更優(yōu)匹配，增強(qiáng)電力系統(tǒng)消納更大規(guī)模清潔能源能力，提高電能質(zhì)量，降低電力系統(tǒng)綜合投資，達(dá)到電力供能更加清潔、綜合社會成本更低的目的，從而增強(qiáng)我國工業(yè)競爭力、實(shí)現(xiàn)社會發(fā)展綠色低碳的最終目標(biāo)。

從電力系統(tǒng)發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)看，儲能裝設(shè)在各個環(huán)節(jié)的作用和側(cè)重點(diǎn)也是不一樣的。

1發(fā)電側(cè)儲能

儲能裝設(shè)在發(fā)電側(cè)，又包括傳統(tǒng)電源側(cè)和新能源側(cè)，這兩個場景對儲能的要求和性能要求有很大的區(qū)別，討論發(fā)電側(cè)儲能應(yīng)該把傳統(tǒng)電源側(cè)和新能源側(cè)這兩個儲能區(qū)分開來。

調(diào)頻儲能配套裝設(shè)在火電廠側(cè)，主要是進(jìn)行協(xié)助提供二次調(diào)頻輔助服務(wù)。當(dāng)參與二次調(diào)頻的火電機(jī)組受爬坡速率限制，不能精確跟蹤調(diào)度調(diào)頻指令時，由高速響應(yīng)的儲能根本上改善火電機(jī)組的AGC能力，從而獲得更多的AGC補(bǔ)償收益。這是目前儲能商業(yè)模式典型成熟成功的一個場景。

儲能裝置于風(fēng)電、光伏等新能源廠站，可以平滑新能源出力的功率波動性，可以跟蹤發(fā)電計(jì)劃，應(yīng)對考核獎懲；可以削峰填谷，儲存電量減少棄光棄風(fēng)，提升經(jīng)濟(jì)效益；還可以提升新能源的調(diào)頻調(diào)壓能力，主要是一次調(diào)頻、基礎(chǔ)無功支撐能力，使得新能源對電網(wǎng)更友好。

2用戶側(cè)儲能

儲能裝設(shè)在用戶側(cè)，有幾個應(yīng)用場景和目的：

1）工商業(yè)用戶通過裝設(shè)儲能節(jié)省電費(fèi)開支。包括利用儲能調(diào)節(jié)峰平谷不同電價時段的用電電量，節(jié)省電費(fèi)支出；通過儲能減少報(bào)裝容量水平，節(jié)省報(bào)裝基本容量費(fèi)。

2）微網(wǎng)和重要用戶。儲能作為分布式電源提升局部電網(wǎng)供電可靠性，支撐電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行能力。

3）分布式新能源配套儲能。

其中，工商業(yè)用戶通過裝設(shè)儲能節(jié)省電費(fèi)開支，是目前用戶側(cè)儲能投產(chǎn)規(guī)模最大的場景，商業(yè)模式也較為成熟，但總體上受電價政策影響較大。

此外，用戶裝設(shè)儲能后還能作為分布式儲能響應(yīng)電網(wǎng)功率調(diào)度要求，對電網(wǎng)輸出功率，支撐電網(wǎng)電能質(zhì)量穩(wěn)定。未來，隨著電力市場改革的進(jìn)一步深化，還可能利用儲能參與電力市場，進(jìn)行套利。

3電網(wǎng)側(cè)儲能

電網(wǎng)側(cè)儲能，從字面上理解是接入電網(wǎng)側(cè)的儲能，為電網(wǎng)提供供電、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能服務(wù)，一般容量大、規(guī)模大，典型的是抽水蓄能。電網(wǎng)側(cè)儲能作為電網(wǎng)中優(yōu)質(zhì)的有功無功調(diào)節(jié)電源，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大，隨著大規(guī)模電化學(xué)儲能的成熟，也已經(jīng)有多個試點(diǎn)應(yīng)用，國家電網(wǎng)最新發(fā)布的《國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲能健康有序發(fā)展的指導(dǎo)意見》：在工程可研設(shè)計(jì)、建設(shè)改造等環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)側(cè)儲能視為電網(wǎng)的重要電氣元件和一種技術(shù)方案選擇，逬行綜合比選論證。目前應(yīng)用的電網(wǎng)側(cè)儲能主要發(fā)揮以下三個作用：

1）供電和削峰填谷。江蘇鎮(zhèn)江[6]因?yàn)楫?dāng)?shù)貦C(jī)組退役，導(dǎo)致電網(wǎng)供電能力不足，為了保證用戶供電，利用鋰電池儲能投產(chǎn)速度快的優(yōu)勢，滿足鎮(zhèn)江地區(qū)供電需求，減少有序供電壓力；湖南大容量電網(wǎng)側(cè)儲能投產(chǎn)目的之一，也是可以有效滿足當(dāng)?shù)胤逯地?fù)荷供電需求。

2）一次調(diào)頻。系統(tǒng)內(nèi)存在較大頻率波動風(fēng)險（如大容量直流、大容量機(jī)組等大電源丟失風(fēng)險），而系統(tǒng)相對較小或系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻能力相對不足（如大規(guī)模新能源的接入、已有機(jī)組一次調(diào)頻能力有限等），需要儲能等快速充放電設(shè)備協(xié)助確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。江蘇和湖南的大容量儲能都有這個應(yīng)用目的。

3）AGC調(diào)頻輔助服務(wù)。大容量電網(wǎng)側(cè)儲能或獨(dú)立儲能電站應(yīng)具備AGC這個能力，目前國內(nèi)山西等地剛剛開始試點(diǎn)，在美國這個商業(yè)模式已經(jīng)非常成熟。

4)儲能還可以應(yīng)用在配網(wǎng)側(cè)，比如臺區(qū)儲能的應(yīng)用，解決動態(tài)擴(kuò)容、調(diào)節(jié)末端電壓等。

5）電網(wǎng)豐富儲能應(yīng)用模式。國家電網(wǎng)推行“三站合一”，即原變電站改造為變電站、充換電站（儲能站）和數(shù)據(jù)中心站三站合一，在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)揮集中調(diào)控大量分布式儲能的作用。南方電網(wǎng)積極支持儲能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，作為推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字南網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。目前電網(wǎng)側(cè)儲能主要是電網(wǎng)投資，集中大容量布點(diǎn)，服務(wù)于電網(wǎng)供電和安全運(yùn)行，電網(wǎng)后續(xù)也可以通過云方式購買服務(wù)，調(diào)用大量分布式儲能為電網(wǎng)服務(wù)，從這個意義上來說，也可以定義有為電網(wǎng)安全和供電服務(wù)功能、以及接入電網(wǎng)側(cè)的都叫電網(wǎng)側(cè)儲能。

儲能發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題和應(yīng)用建議

儲能作為能源清潔化轉(zhuǎn)型和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，裝機(jī)規(guī)模快速增長，然而，由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)和政策配套還沒完全跟上，在其發(fā)展和應(yīng)用過程中仍面臨幾個關(guān)鍵問題：

一是安全性問題。特別是鋰電池儲能在輔助火電廠調(diào)頻等高頻次、高倍率充放電情況下，對儲能系統(tǒng)安全可靠性要求較高，韓國已經(jīng)發(fā)生多起電化學(xué)儲能起火事件，國內(nèi)也有發(fā)生。

二是電化學(xué)儲能的經(jīng)濟(jì)性問題。目前總體上來說電化學(xué)儲能全壽命周期度電成本相對較高，限制了儲能在多個場合應(yīng)用，若儲能全生命周期度電成本0.5元，應(yīng)用于峰谷調(diào)節(jié)或解決新能源棄電場景，要求有足夠的峰谷電價差或新能源電量價格。

三是部分場景商業(yè)模式還在探索，尤其是電網(wǎng)側(cè)儲能投資和回收機(jī)制不夠清晰，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)儲能發(fā)展沒有較好的持續(xù)性。

上述問題的解決主要需要依賴儲能系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)制訂和政策調(diào)整，特別是對于電網(wǎng)側(cè)儲能，相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)的制定更為關(guān)鍵，如儲能的合法身份界定，接入、安全、消防標(biāo)準(zhǔn)制定等，需要生產(chǎn)和集成廠家、行業(yè)和政府一起努力，這里不再討論。下面僅就各個儲能應(yīng)用層面提出以下幾個建議：

1）重視儲能在電網(wǎng)運(yùn)行模擬和仿真，建立儲能應(yīng)用的評價指標(biāo)體系。儲能系統(tǒng)高度靈活可控，其作用的發(fā)揮高度依賴于其控制策略的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)，因此，需要高度重視儲能在電網(wǎng)運(yùn)行模擬和仿真研究，研究儲能的暫態(tài)特性和控制，研究儲能中長期能量控制策略的優(yōu)化，研究相關(guān)建模仿真工具的實(shí)現(xiàn)，研究并建立電力新型儲能的暫態(tài)分析模型和經(jīng)濟(jì)分析模型，開展儲能規(guī)劃方法模型集算法研究，建立儲能應(yīng)用的評價指標(biāo)體系。

2）充分利用儲能技術(shù)多樣化、功能多樣化特點(diǎn)，重視儲能綜合功能的多重利用，探索多種儲能技術(shù)的組合利用。掌握各類儲能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對各類儲能技術(shù)特性、適用場景有全面把握，合理據(jù)測發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，重視儲能綜合功能的多重利用，如用戶側(cè)儲能，既可以調(diào)節(jié)峰平谷不同電價時段的用電電量，節(jié)省電費(fèi)支出，也可以減少報(bào)裝容量水平，節(jié)省報(bào)裝基本容量費(fèi)，還可以作為需求側(cè)響應(yīng)、電網(wǎng)安全支撐的一部分。未來，積極探索多種儲能技術(shù)組合利用，如能量型儲能鋰離子電池和功率型儲能飛輪儲能組合，既能滿足電池調(diào)用頻次高的需求，也能滿足較大規(guī)模能量轉(zhuǎn)移存儲的需求。

3）儲能建設(shè)集中和分散相結(jié)合，充分利用云平臺實(shí)現(xiàn)儲能的共享利用[7]。儲能還是集中與分散相結(jié)合，單個場站和用戶的特性改善與系統(tǒng)層面集中儲能實(shí)行合理分配，比如儲能應(yīng)用在新能源場站，就地儲能應(yīng)以短時間尺度改善調(diào)頻調(diào)壓性能、出力波動性為主要目標(biāo)，而新能源缺乏的調(diào)峰能力和二次調(diào)頻能力屬于系統(tǒng)層面，應(yīng)建立長時間尺度、大容量集中式儲能場站，各個新能源場站利用云平臺共享利用。此外，對于多個分散式的儲能電站，利用云平臺實(shí)現(xiàn)集中調(diào)用，作為需求側(cè)響應(yīng)，為電網(wǎng)提供支撐也是儲能電站功能充分利用的重要發(fā)展方向。

結(jié)論

1）電化學(xué)儲能具有性能優(yōu)越、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，隨著技術(shù)成熟和成本的快速下降，在我國電力系統(tǒng)中呈爆發(fā)增長趨勢。電化學(xué)儲能以鋰離子電池為主，其次是鉛酸電池和液流電池。

2）儲能進(jìn)行能量的時間轉(zhuǎn)移存儲、發(fā)電和負(fù)荷曲線更優(yōu)匹配，增強(qiáng)電力系統(tǒng)消納更大規(guī)模清潔能源能力，提高電能質(zhì)量，降低電力系統(tǒng)綜合投資，在發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)均有廣泛的應(yīng)用，但在各個環(huán)節(jié)的作用和側(cè)重點(diǎn)也是不一樣的，目前發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)儲能的應(yīng)用商業(yè)模式已經(jīng)較為成熟。

3）儲能發(fā)展和應(yīng)用過程中仍面臨安全性、經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)模式關(guān)鍵問題，本文就應(yīng)用層面提出建議有：重視儲能在電網(wǎng)運(yùn)行模擬和仿真，建立儲能應(yīng)用的評價指標(biāo)體系；充分利用儲能技術(shù)多樣化、功能多樣化特點(diǎn)，重視儲能綜合功能的多重利用，探索多種儲能技術(shù)的組合利用；儲能建設(shè)集中和分散相結(jié)合，充分利用云平臺實(shí)現(xiàn)儲能的共享利用。

參考文獻(xiàn)略，詳見《南方能源建設(shè)》2019年第6卷第3期原文。

原標(biāo)題:張東輝：儲能技術(shù)應(yīng)用場景和發(fā)展關(guān)鍵問題