本文介紹了儲(chǔ)能電站的通用定位分類(lèi)方法及其缺陷；最后提出面向電力全過(guò)程的儲(chǔ)能電站典型應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)綜述， 并討論每個(gè)場(chǎng)景的評(píng)價(jià)目標(biāo)以及通用評(píng)價(jià)過(guò)程。

本文來(lái)源：曉說(shuō)浙電論文 微信公眾號(hào) ID：zjdlbjb

作者：徐 謙1， 孫軼愷1， 劉亮東2， 章堅(jiān)民2， 張利軍1， 朱國(guó)榮1

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 杭州 310008；2. 杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 杭州 310018）

本文引文信息：徐謙, 孫軼愷, 劉亮東等. 儲(chǔ)能電站功能及典型應(yīng)用場(chǎng)景分析[J]. 浙江電力, 2019, 38(5):3-10.

0 引言

以新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用為標(biāo)志、 以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命已在全球范圍內(nèi)開(kāi)展。以風(fēng)電、 光伏為代表的可再生能源占比不斷提升， 給電力系統(tǒng)帶來(lái)了諸如系統(tǒng)穩(wěn)定性、 可靠性和電能質(zhì)量等諸多挑戰(zhàn)[1]。儲(chǔ)能技術(shù)是解決這類(lèi)問(wèn)題的有效手段， 通過(guò)對(duì)電能的存儲(chǔ)和釋放可以為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、 調(diào)頻、 黑啟動(dòng)、 需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)， 其快速響應(yīng)特性大幅提升了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性、 經(jīng)濟(jì)性和安全性[2]。

我國(guó)傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電站主要為抽水蓄能電站，一般由電網(wǎng)公司擁有和調(diào)度。2017 年3 月國(guó)家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》指出了儲(chǔ)能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)、 可再生能源高占比的能源系統(tǒng)與“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分及關(guān)鍵技術(shù)， 為我國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)的商業(yè)化應(yīng)用提供了巨大的空間， 儲(chǔ)能電站日益成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的一種新型功能綜合體和可獨(dú)立營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)體， 開(kāi)始受到高度重視， 同時(shí)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃、 設(shè)計(jì)、 運(yùn)行、 管理等模式將發(fā)生巨大改變[3-6]， 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)及盈利模式也呈現(xiàn)新的業(yè)態(tài)[7-8]。

作為電力系統(tǒng)中可獨(dú)立承擔(dān)功能的儲(chǔ)能電站， 嚴(yán)重依賴(lài)于儲(chǔ)能的技術(shù)成熟度、 工程成熟度和經(jīng)濟(jì)可行性。本文首先通過(guò)案例分析， 對(duì)未來(lái)儲(chǔ)能電站的核心儲(chǔ)能技術(shù)成熟度、 工程成熟度進(jìn)行分析；然后， 介紹儲(chǔ)能電站的通用定位分類(lèi)方法及其缺陷；最后提出面向電力全過(guò)程的儲(chǔ)能電站典型應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)綜述， 并討論每個(gè)場(chǎng)景的評(píng)價(jià)目標(biāo)以及通用評(píng)價(jià)過(guò)程。

1 基于案例的儲(chǔ)能電站技術(shù)及趨勢(shì)

根據(jù)電能轉(zhuǎn)化形式和技術(shù)成熟性， 儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為4 類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能、 電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、 相變儲(chǔ)能等， 其細(xì)分技術(shù)見(jiàn)圖1。結(jié)合已投運(yùn)的儲(chǔ)能電站， 對(duì)幾類(lèi)核心儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)成熟度、 工程成熟度和應(yīng)用條件進(jìn)行分析。

圖1 儲(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能屬于成熟技術(shù)， 對(duì)地理?xiàng)l件要求較高。目前投運(yùn)的天荒坪、 桐柏、 仙居及溪口抽水蓄能電站， 總裝機(jī)容量4 580 MW；正在建設(shè)的長(zhǎng)龍山、 寧海及縉云抽水蓄能電站， 總裝機(jī)容量5 500 MW；納入規(guī)劃的有衢江、 磐安、 天臺(tái)、 桐廬等抽水蓄能電站。具有較多較好站址的抽水蓄能電站， 成為浙江電網(wǎng)的特色。如何發(fā)揮抽水蓄能電站在浙江電網(wǎng)的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)， 是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

CAES 電站主要利用報(bào)廢礦井、 洞穴、 海底儲(chǔ)氣罐、 新建儲(chǔ)氣井等可重新利用的空間， 基本不受地理?xiàng)l件限制， 且空氣不會(huì)燃燒， 安全系數(shù)較高， 壽命較長(zhǎng)， 但其能量密度低， 投資成本相對(duì)較高[9]。2013 年在廊坊建成國(guó)內(nèi)首套1.5 MW蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。2016 年貴州畢節(jié)建成國(guó)際首套10 MW 示范系統(tǒng)， 效率達(dá)60.2%，是全球目前效率最高的CAES 系統(tǒng)。

1.3 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能電站通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行電池正負(fù)極的充電和放電， 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)電池技術(shù)以鉛酸電池為代表， 由于其對(duì)環(huán)境危害較大， 已逐漸被鋰離子、 鈉硫等性能更高、 更安全環(huán)保的電池所替代[10]。

電化學(xué)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度較快， 基本不受外部條件干擾， 但投資成本高、 使用壽命有限， 且單體容量有限。隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展， 電化學(xué)儲(chǔ)能正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域， 尤其是電動(dòng)汽車(chē)和電力系統(tǒng)中[11]。2011 年投產(chǎn)的張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程， 單站儲(chǔ)能總?cè)萘渴状芜_(dá)到50 MW，且包含多種電池形態(tài)， 如磷酸鐵鋰電池（14 MW/63 MWh）、 液流電池（2 MW/8 MWh）、 鈦酸鋰電池（1 MW/500 kWh）、 鉛酸電池（2 MW/12 MWh）。

1.4 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲(chǔ)能裝置， 具有靈活快速的充放電特性[12]。超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用目前仍處于探索階段，2017 年國(guó)電北鎮(zhèn)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)了美國(guó)Maxwell公司的1 MW×2 min 超級(jí)電容儲(chǔ)能項(xiàng)目， 可有效提高風(fēng)電場(chǎng)的可調(diào)、 可控、 可計(jì)劃能力， 是國(guó)內(nèi)最早的試點(diǎn)工程。

1.5 發(fā)展趨勢(shì)

抽水蓄能、 CAES 依賴(lài)于一定的地理?xiàng)l件，電化學(xué)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能具有能量密度高、 設(shè)備性能日益提升、 安裝條件寬泛的優(yōu)點(diǎn)， 日益成為儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的主要形態(tài)， 一般由電池、 BMS（電池管理模塊）、 PCS（儲(chǔ)能逆變器）、 調(diào)度中心、EMS（能量管理系統(tǒng)）和測(cè)控系統(tǒng)組成[8]。

2 儲(chǔ)能電站的一般定位劃分及缺陷

一般將儲(chǔ)能電站或按其在電網(wǎng)中接入位置分為集中式和分布式2 類(lèi)， 或按其運(yùn)行特征分為能量型和功率型2 類(lèi)。

2.1 按在電網(wǎng)接入位置劃分

（1）集中式接入是指儲(chǔ)能電站接入輸電網(wǎng)絡(luò)，它將對(duì)電力系統(tǒng)主網(wǎng)運(yùn)行管理和協(xié)調(diào)調(diào)度產(chǎn)生影響。集中式儲(chǔ)能電站， 一般布置或接入35 kV 及以上高壓變電站的10 kV 母線(xiàn)。如江蘇鎮(zhèn)江東部地區(qū)（鎮(zhèn)江新區(qū)、 丹陽(yáng)、 揚(yáng)中）的8 個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站示范工程， 最小單站容量為5 MW/10 MWh，最大單站容量為24 MW/48 MWh， 總?cè)萘繛?01 MW/202 MWh， 總投資7.2 億， 實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)響應(yīng)， 是目前全球功能最全面的儲(chǔ)能電站。

（2）分布式接入是指儲(chǔ)能電站以較小容量接入配電網(wǎng)、 微電網(wǎng)或用戶(hù)側(cè)， 它僅對(duì)本地能源的生產(chǎn)和消費(fèi)產(chǎn)生影響。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣，可與就地高滲透率的可再生能源互補(bǔ)， 在解決風(fēng)電、 光伏出力的不確定性和高波動(dòng)率上效果顯著。主要應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)大多也是電化學(xué)儲(chǔ)能，如深圳寶清儲(chǔ)能電站、 浙江南麂島微網(wǎng)示范工程等。江蘇鎮(zhèn)江用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目已建和在建項(xiàng)目22個(gè)， 總?cè)萘?7.50 MW/518 MWh， 總投資近10 億元， 會(huì)同集中式儲(chǔ)能電站建設(shè)， 江蘇鎮(zhèn)江電網(wǎng)已成為儲(chǔ)能的應(yīng)用先進(jìn)區(qū)域。

（3）集中式和分布式2 種接入方式， 在市場(chǎng)模式和調(diào)度運(yùn)行等方面存在較大差異， 因此其儲(chǔ)能規(guī)劃評(píng)估也存在不同[4]：集中式接入方式下， 儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供備用， 減小輸電堵塞， 實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”， 進(jìn)行廣域能量管理， 提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；分布式接入方式下， 儲(chǔ)能多采用選址不受限的電池儲(chǔ)能， 其主要用于減小配電網(wǎng)運(yùn)行成本、促進(jìn)風(fēng)電光伏消納及延緩電網(wǎng)升級(jí)改造等。

2 種接入方式下儲(chǔ)能規(guī)劃目標(biāo)均主要包括系統(tǒng)運(yùn)行成本與儲(chǔ)能投資總成本最小、 儲(chǔ)能凈收益最大。但2 種接入方式下儲(chǔ)能的成本、 收益構(gòu)成存在一定差異， 詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

2.2 按儲(chǔ)能的運(yùn)行特征劃分

功率型電站通常需要在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)（幾秒到幾分鐘）實(shí)現(xiàn)高功率輸出。適合功率型的儲(chǔ)能技術(shù)包括超級(jí)電容器、 超導(dǎo)磁和飛輪儲(chǔ)能等。功率型儲(chǔ)能形成優(yōu)質(zhì)、 可靠的毫秒級(jí)控制響應(yīng)資源， 為電網(wǎng)提供調(diào)峰、 調(diào)頻、 備用、 事故應(yīng)急響應(yīng)等多種服務(wù)， 從而滿(mǎn)足可再生能源消納、電網(wǎng)安全靈活運(yùn)行的迫切要求， 推動(dòng)加快大規(guī)模源網(wǎng)荷儲(chǔ)友好互動(dòng)。

能量型電站則具有大容量存儲(chǔ)的特性， 通常能夠進(jìn)行幾分鐘到幾小時(shí)的持續(xù)性放電。適合能量型的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括CAES、 抽水蓄能和大部分電池儲(chǔ)能等[5]。

顯然， 以上2 類(lèi)分類(lèi)方法， 對(duì)于具體的儲(chǔ)能電站而言過(guò)于粗放， 沒(méi)有刻畫(huà)出日益形成的新能源電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電站多方面的需求特性， 不能反映儲(chǔ)能電站在電力生產(chǎn)、 傳輸、 消費(fèi)全過(guò)程中的特殊地位、 功能以及商業(yè)價(jià)值。

3 面向電力全過(guò)程的儲(chǔ)能電站場(chǎng)景及評(píng)價(jià)

可再生能源和新能源在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的滲透， 覆蓋了電力生產(chǎn)、 傳輸、 消費(fèi)的全過(guò)程， 對(duì)發(fā)電側(cè)、 電網(wǎng)側(cè)、 用戶(hù)側(cè)均產(chǎn)生了巨大影響， 儲(chǔ)能電站在三側(cè)均具有典型的應(yīng)用場(chǎng)景和特殊的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。圖2 是本文歸納的最主要的儲(chǔ)能場(chǎng)景分類(lèi)情況， 本節(jié)將對(duì)幾個(gè)主要場(chǎng)景下的儲(chǔ)能特性及其發(fā)揮的作用進(jìn)行詳細(xì)分析， 并著重對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述。

圖2 儲(chǔ)能典型場(chǎng)景