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储能技术在电力系统中的应用


第 32 卷 第 7 期 2008 年 4 月 文章编号:1000-3673(2008)07-0001-09

电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号:TM911 文献标识码:A 学科代码:480·40

Vol. 32 No. 7 Apr. 2008

储能技术在电力系统中的应用

r />张文亮,丘 明,来小康
(中国电力科学研究院,北京市 海淀区 100192)

Application of Energy Storage Technologies in Power Grids
ZHANG Wen-liang,QIU Ming,LAI Xiao-kang
(China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China) ABSTRACT: According to the present situation of research, development and application of large-scale energy storage technologies as well as considering the regional features of energy resource distribution in China, the middle and long term development strategy of China and the pattern of “transmitting electric power from West China to East China, power exchange between South China and North China and nationwide interconnection of power grids in China”, the development trend of energy storage technology are analyzed and discussed from the viewpoints of requirement, technology and economy. During the period of 11th Five Year Plan, the State Grid Corporation of China (SGCC) will research and develop the all-vanadium redox flow batteries with capacity in 100kW grade, the sodium sulpur batteries with capacity in megawatt grade, and the superconducting magnetic energy storage systems with capacity in megajoule grade that operates in temperature range of liquid-nitrogen; speed up the construction of mixed pumped storage power stations with capacity in 10GW grade to realize the optimized configuration of power grid; enhance the capability of power regulation, transmission and transformation to solve the trans-regional imbalance between supply and demand as well as to ensure the secure and reliable operation of power grid in China and to satisfy both requirement to power quality and development of renewable energy resources. KEY WORDS: power grids;energy storage;sodium sulpur batteries; vanadium redox batteries; superconducting magnetic energy storage;pumped hydro 摘要: 基于大规模电力储能技术的研究和应用现状, 从需求、 技术和经济的角度出发, 考虑到我国能源的区域性特征、西 “ 电东送、 南北互供、 全国联网” 格局和国家中长期发展战略, 探讨了电力储能技术发展的趋势。 “十一五”期间国家电网 公司将立足研发 100 kW 级全钒液流电池、 MW 级钠流电池 和 MJ 级容量液氮温区运行超导储能系统, 加快建设 10 GW 级抽水蓄能混合式电站, 以优化电网配置、 加强调节和输变 电能力、解决跨区域供需矛盾、确保电网安全可靠运行,并 满足人们对电能质量的要求和可再生能源发展的需要。 关键词:电力系统;储能;钠硫电池;全钒液流电池;超导 储能;抽水蓄能

0 引言
储能技术已被视为电网运行过程中“采–发– 输–配–用–储”六大环节中的重要组成部分。系统 中引入储能环节后,可以有效地实现需求侧管理, 消除昼夜间峰谷差,平滑负荷,不仅可以更有效地 利用电力设备,降低供电成本,还可以促进可再生 能源的应用,也可作为提高系统运行稳定性、调整 频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用 必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等 方面带来重大变革[1-7]。 近几十年来,储能技术的研究和发展一直受到 各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能 可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存 储,按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和 相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、 压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超 级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括铅 酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能; 相变储能包括冰蓄冷储能等。各种储能技术在能量 和功率密度等方面有着明显区别,表 1 显示了不同 应用场合对能量和功率密度的要求。本文着重介绍 MW 级大规模电力储能技术的研发状况和应用实 例,并基于我国能源布局和电力系统需求,从技术 和经济的层面加以分析,探讨储能技术的未来发展 方向和研究重点。

1 电力储能方式和发展现状
1.1 抽水蓄能电站 抽水储能电站投入运行时必须配备上、下游两

2 Tab. 1

张文亮等:储能技术在电力系统中的应用 表 1 储能技术应用场合和技术要求 A classification of applications by user type and typical parameters of energy storage
用户类型 — 汽车 火车、轻轨列车 潜艇 家庭 小型工业和商业设施 配电网 输电网 发电站 功率等级 1~100 W 25~100 kW 100~500 kW 1~20 MW 1 kW 10~100 kW MW 10 MW 10~100 MW 能量等级 Wh 100 kWh 500 kWh 10 MWh 5 kWh 25 kWh MWh 10 MWh 10~100 MWh

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设备类型 便携式设备 运输工具

其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内,在 用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机 发电过程中,燃料的 2/3 用于空气压缩,其燃料消 耗可以减少 1/3,所消耗的燃气要比常规燃气轮机 少 40%, 同时可以降低投资费用、 减少排放。 CAES 建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站,但其能 量密度低,并受岩层等地形条件的限制。CAES 储 气库漏气开裂可能性极小,安全系数高,寿命长, 可以冷启动、黑启动,响应速度快,主要用于峰谷 电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能 和发电系统备用。 目前,地下储气站采用报废矿井、沉降在海底 的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种 模式,其中最理想的是水封恒压储气站,能保持输 出恒压气体, 从而保障燃气轮机稳定运行。 MW 100 级燃气轮机技术成熟,利用渠氏超导热管技术可使 系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将 进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及 减小储气库容积和提高储气压力至 10~14 MPa 的需 要, 8~12 MW 微型压缩空气蓄能系统(micro-CAES) 已成为人们关注的热点[10-11]。 1.3 飞轮储能 飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电 动机/发电机、 功率变换器、 电子控制系统和真空泵、 紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时,飞轮 储能系统由工频电网提供电能,带动飞轮高速旋 转,以动能的形式储存能量,完成电能—机械能的 转换过程;出现峰值负荷时,高速旋转的飞轮作为 原动机拖动电机发电,经功率变换器输出电流和电 压,完成机械能—电能转换的释放能量过程。飞轮 能量密度超过 20 Wh/kg, 储能功率密度大于 5 kW/kg, 效率在 90%以上,循环使用寿命长达 20 a,工作温 区为?40~50℃,无噪声,无污染,维护简单,可连 续工作, 积木式组合后可以实现 MW 级, 输出持续 时间为数min/数h, 主要用于不间断电源(uninterrupted power supply , UPS)/ 应 急 电 源 (emergency power system,EPS)、电网调峰和频率控制。 近年来,人们对飞轮转子设计、轴承支撑系统 和电能转换系统进行了深入研究,高强度碳素纤维 和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁 和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发 展。 机械式飞轮系统已形成系列产品, Active Power 如 Pentadyne 公司 公司 100~2000 kW CleanSource 系列、 Beacon Power 公司的 25 MW 65~1000 kVA VSS 系列、

静止设备

个水库(上、下池),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,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。按上水库有 无天然径流汇入分为纯抽水、混合抽水和调水式抽 水蓄能电站,建站地点力求水头高、发电库容大、 渗漏小、压力输水管道短、距离负荷中心近。 抽水储能电站可以按照一定容量建造,储存能 量的释放时间可以从几小时到几天,综合效率在 70%~85%之间。 抽水储能是在电力系统中应用最为 广泛的一种储能技术,其主要应用领域包括调峰填 谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系 统的备用容量,还可以提高系统中火电站和核电站 的运行效率[8-9]。 目前,抽水蓄能电站的设计规划已形成规范。 机组由早期的四机、三机式机组发展为水泵水轮机 和水轮发电电动机组成的二机式可逆机组,极大地 减小了土建和设备投资。施工已采用沥青混凝土面 板防渗、 HT-100 高强度钢结构、 斜井全断面隧洞掘 进机开挖、钢岔管考虑围岩分担为压、上水库和地 下厂房信息化施工等先进技术。为进一步提高整体 经济性,机组正向高水头、高转速、大容量方向发 展,现已接近单级水泵水轮机和空气冷却发电电动 机制造极限,今后的重点将立足于对振动、空蚀、 变形、止水和磁特性的研究,着眼于运行的可靠性 和稳定性,在水头变幅不大和供电质量要求较高的 情况下使用连续调速机组,实现自动频率控制。提 高机电设备可靠性和自动化水平,建立统一调度机 制以推广集中监控和无人化管理,并结合各国国情 开展海水和地下式抽水蓄能电站关键技术的研究。 1.2 压缩空气储能电站 压 缩 空 气 储 能 电 站 (compressed air energy storage,CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂,主 要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气,并将

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3

Smart Energy Matrix 和 SatCon Technology 公司 高温超导磁浮轴承摩擦系数达 315~2200 kVA 系列。 ?7 到 10 量级,在此基础上,1 MWh 超导飞轮已于 1997 年研制成功。随着磁浮轴承的应用、飞轮的大 型化以及高速旋转化和轴承载荷密度的进一步提 高,飞轮储能的应用将更加广泛[12-13]。 1.4 超导磁储能系统 超 导 磁 储 能 系 统 (superconducting magnetic energy storage,SMES)利用超导体制成的线圈储存 磁场能量,功率输送时无需能源形式的转换,具有 响应速度快(ms 级),转换效率高(≥96%)、比容量 (1~10 Wh/kg)/比功率(104~105 kW/kg)大等优点,可 以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率 补偿。SMES 在技术方面相对简单,没有旋转机械 部件和动密封问题。目前,世界上 1~5 MJ/MW 低 温 SMES 装置已形成产品, MJ SMES 已投入高 100 压输电网中实际运行,5 GWh SMES 已通过可行性 分析和技术论证。SMES 可以充分满足输配电网电 压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和 功率输送能力的要求[14-17]。 SMES 的发展重点在于基于高温超导涂层导体 研发适于液氮温区运行的 MJ 级系统,解决高场磁 体绕组力学支撑问题,并与柔性输电技术相结合, 进一步降低投资和运行成本,结合实际系统探讨分 布式 SMES 及其有效控制和保护策略。 1.5 超级电容器储能 超级电容器根据电化学双电层理论研制而成, 可提供强大的脉冲功率,充电时处于理想极化状态 的电极表面,电荷将吸引周围电解质溶液中的异性 离子,使其附于电极表面,形成双电荷层,构成双 电层电容。由于电荷层间距非常小(一般 0.5 mm 以 下), 加之采用特殊电极结构, 电极表面积成万倍增 加, 从而产生极大的电容量。 但由于电介质耐压低, 存在漏电流,储能量和保持时间受到限制,必须串 联使用,以增加充放电控制回路和系统体积。 超级电容器历经三代及数十年的发展,已形成 电容量 0.5~1000 F、工作电压 12~400 V、最大放电 电流 400~2000 A 系列产品, 储能系统最大储能量达 到 30 MJ。但超级电容器价格较为昂贵,在电力系 统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量 高峰值功率场合,如大功率直流电机的启动支撑、 动态电压恢复器等,在电压跌落和瞬态干扰期间提 高供电水平[18]。目前,基于活性碳双层电极与锂离 子插入式电极的第四代超级电容器正在开发中。

1.6

电池储能系统 电池储能系统主要是利用电池正负极的氧化 还原反应进行充放电,表 2、3 分别显示了一些种 类电池的基本特性和由它们构成的储能系统目前 已达到的性能指标。
表 2 电力储能系统可利用的主要电池 Tab. 2 Main battery types available to electric energy storage
电池 单体标称 种类 电压/V 铅酸 2.0 反应式
?? → 负极:Pb+SO42? ←? PbSO4+2e? ? ?? → 正极:PbO2+4H++SO42?+2e? ←? PbSO4+2H2O ?

研发机构 主要电池厂家 主要电池厂家 主要电池厂家 主要电池厂家 东京电力公司、 NGK、上海电 力公司 VRB 、 V-Fuel 住友电工、 Pty、 关西电力公司、 中国电力科学 研究院

镍镉 1.0~1.3 镍氢 1.0~1.3 锂 离子 钠硫 3.7 2.08

负极:Cd ?2e+2OH

2+

?

?? → ←? ?

Cd(OH)2
?

?? → 正极: 2NiOOH+2H2O+2e? ←? 2Ni(OH)2+2OH?? ?? → 负极:H2O+e ←? 1/2H2+OH ?

?? → 正极:Ni(OH)2+OH??e ←? NiOOH+H2O ?

负极:6C+xLi +xe

+

?

?? → ←? ?

LixC6

?? → 正极:LiCoO2 ←? Li1?xCoO2+xLi++xe? ? ?? → 负极:2Na ←? 2Na++2e? ?

正极:χS+2e

?

?? → ←? ?

χS

2?

全钒 液流

1.4

?? → 负极:V2+ ←? V3++e? ? ?? → 正极:V5++e? ←? V4+ ?

表 3 部分电池储能系统的性能比较 Tab. 3 Comparison of different battery energy storage systems
电池 种类 铅酸 镍镉 锂离子 钠硫 功率 上限 数十 MW 几十 MW 比容量/ (Wh/kg) 35~50 75 比功率/ (W/kg) 75~300 150~300 90~230 50~140 循环 寿命/次 500~1 500 2 500 2 500 13 000 充放电 自放电/ 效率/% 0~80 0~70 0~95 0~90 0~80 (%/月) 2~5 5~20 0~1 — —

几十 kW 150~200 十几 MW 150~240 80~130

200~315 1 000~10 000

全钒液流 数百 kW

铅酸电池在高温下寿命缩短,与镍镉电池类 似,具有较低的比能量和比功率,但价格便宜,构 造成本低,可靠性好,技术成熟,已广泛应用于电 力系统,目前储能容量已达 20 MW。铅酸电池在电 力系统正常运行时为断路器提供合闸电源,在发电 厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用,为继 保装置、拖动电机、通信、事故照明提供动力[19]。 然而,其循环寿命较短,且在制造过程中存在一定 的环境污染。 镍镉等电池效率高、循环寿命长,但随着充 放电次数的增加容量将会减少,荷电保持能力仍 有待提高,且因存在重金属污染已被欧盟组织限 用。锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环 境友好,但由于工艺和环境温度差异等因素的影 响,系统指标往往达不到单体水平,使用寿命较 单体缩短数倍甚至十几倍。大容量集成的技术难

4

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度和生产维护成本使得这些电池在相当长的时间 内很难在电力系统中规模化应用[20]。 钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且 具广阔发展前景的大容量电力储能电池。钠硫电 池储能密度为 140 kWh/m3,体积减少到普通铅酸 蓄电池的 1/5,系统效率可达 80%,单体寿命已达 15 a,且循环寿命超过 6 000 次,便于模块化制造、 运输和安装,建设周期短,可根据用途和建设规 模分期安装,很适用于城市变电站和特殊负荷[21]。 液流电池已有钒–溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体 系,高性能离子交换膜的出现促进了其发展。液 流电池电化学极化小,能够 100%深度放电,储存 寿命长,额定功率和容量相互独立,可以通过增 加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池 容量的目的,并可根据设置场所的情况自由设计 储藏形式及随意选择形状 [22]。目前,钠硫和液流 电池均已实现商业化运作,MW 级钠硫和 100 kW 级液流电池储能系统已步入试验示范阶段。随着 容量和规模的扩大、集成技术的日益成熟,储能 系统成本将进一步降低,经过安全性和可靠性的 长期测试,有望在提高风能/太阳能可再生能源系 统的稳定性、平滑用户侧负荷及紧急供电等方面 发挥重要作用[23-26]。

国建造的 Huntdorf 电站,装机容量为 290 MW,换 能效率 77%,运行至今,累计启动超过 7 000 次,主 要用于热备用和平滑负荷。在美国,McIntosh 电站装机容量为 100 MW,Norton 电站装机容量为 2.7 GW,用于系统调峰;2005 年由 Ridge 和 EI Paso 能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站,容量为 在日本, 1998 年施工建设北海道三井砂川 540 MW。 矿坑储气库,2001 年 CAES 运行,输出功率 2 MW。 在瑞士,ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站,输出功率 442 MW,运行时间为 8 h,贮气空 洞采用水封方式。此外,俄罗斯、法国、意大利、 卢森堡、 以色列等国也在长期致力于 CAES 的开发。 2.3 飞轮储能系统 1999 年欧洲 Urenc Power 公司利用高强度 碳纤 维 和 玻 璃纤 维 复 合 材料 制 作 飞 轮, 转 速 为 42 000 rad/min,2001 年 1 月系统投入运行,充当 UPS,储能量达到 18 MJ。美国波音公司 Phantom 工厂研制的高温超导磁浮轴承 100 kW/5 kWh 飞轮 储能装置,已用于电能质量控制和电力调峰。部分 飞轮储能装置在电力系统中的应用情况见表 5。
表 5 飞轮储能装置在电力系统中应用项目 Tab. 5 Some kinetic energy storage systems installed in power system
年份 不详 研发机构 日本四国综合 研究所 基本参数 技术特点 作用 8 MWh, 储能放电 高温超导磁浮立式轴 平滑负荷 各 4 h,待机 16 h 承,储能效率 84% 输出电压 18 kV, 输出电流 6 896 A, 储能效率 85% 引入风力发电系统 UPS 全程调峰

2 电力储能技术在电力系统中的应用实例
抽水蓄能系统 日、美、西欧等国家和地区在 20 世纪 60~70 年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期,到目前为 止,美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量 占世界抽水蓄能电站总装机容量 55%以上,其中: 美国约占 3%,日本则超过了 10%,中国、韩国和 加上 泰国 3 个国家在建抽水蓄能电站 17.530 GW, 表 日本后达到 24.650 GW, 4 显示了近十年来投入 运行的 8 个大型抽水蓄能电站的情况。
Tab. 4
序号 1 2 3 4 5 6 7 8

2.1

不详 日本原子力研究所 215 MW/8 GJ 不详 美国 Vista 公司 277 kWh 24 kWh, 转速 11 610~ 46 345 rad/min

1991 美国马里兰大学

电磁悬浮轴承, 输出恒压 110 V/240 V, 电力调峰 全程效率 81% 储能电站

1996

德国

5 MW/100 MWh, 超导磁浮轴承, 转速 2 250~ 储能效率 96% 4 500 rad/min 额定转速 30 000 rad/min

2004

巴西

超导与永磁悬浮轴承 电压补偿

表 4 国外 8 个大型抽水蓄能电站的情况 Eight large-scale pumped hypo stations in US, Japan and Europe
电站 落基山 锡亚比舍 奥清津 II 葛野川 拉姆它昆 金谷 神流川 小丸川 国家 美国 伊朗 日本 日本 泰国 德国 日本 日本 装机容量/MW 760 1 000 600 1 600 1 000 1 060 2 820 1 200 投入年份 1995 1996 1996 1999 2000 2003 2005 2007

2.2

压缩空气储能电站 世界上第一个商业化 CAES 电站为 1978 年在德

超导磁储能系统 SMES 在美国、日本、欧洲一些国家的电力系 统已得到初步应用,在维持电网稳定、提高输电能 力和用户电能质量等方面发挥了极其重要的作用, 表 6 显示了其中一些应用实例。 2.5 超级电容器储能系统 西门子公司已成功开发出储能量达到 21 MJ/ 最大功率 1 MW 的超级电容器储能系统, 并 5.7 Wh、 成功安装在德国科隆市 750 V 直流地铁配电网中, 重 该系统由 4 800 支 2600 F/2.5 V 超级电容器组成, 3 量 2 t,体积 2 m ,超级电容器组储能效率为 95%。

2.4

第 32 卷 第 7 期 Tab. 6
国家/ 年份 地区 1982 1993 美国 2000 2002 2002 日本 2003 2006 欧洲 2002 2001 韩国 2006









5

表 6 SMES 应用实例 Some projects of SMES applied in power system
应用地点 美国 基本参数 30 MJ/10 MW 作 用

美国阿拉斯加电网 1.8 GJ 美国威斯康星州 公用电力北方 6×3 MJ/8 MVA 避免电压凹陷和短路故障 环型输电网 美国田纳西州 TVA 8×3 MJ/8 MW 维护输电网电压稳定性 电管局 500 kV 输电网 Chubu 电力公司 7.3 MJ/5 MW 提供瞬时电压补偿 Chubu 电力公司 1 MJ,Bi-2212 补偿瞬时电压跌落 10 MW 提高系统稳定性和供电品质 Hosoo 电站 用于 20 kVA UPS 系统,与 150 kJ, 电网相连以提高电能质量, 德国 ACCEL Bi-2223 同时发挥有源电力滤波器 作用。 韩国电力研究所 1 MJ/300 VA 有效维持系统稳定运行 韩国电力研究所, 3 MJ/750 kVA 提高敏感负荷的供电质量 Hyundai 重工

抑制系统低频振荡和支撑 系统电压 提高电网的供电可靠性

国哥伦比亚空军基地安装了 12 MW/120 MWh 钠硫 电池系统,充当备用电站。 2.6.3 液流电池系统 20 世纪 90 年代初, 英国 lnnogy 公司成功开发出 5、20 和 100 kW 系列多硫化钠/溴液流储能电堆, 并于 2001 年和 2002 年分别在英国和美国各建造了 用于电站调峰和 UPS; 2001 年, 120 MWh 储能电站, 250 kW/520 kWh 全钒液流电池在日本投入商业运 营。近十多年来,美国、日本、欧洲等国家相继将与 风能/光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于 电站调峰,表 8 显示了其中一些示范应用工程。
表 8 全钒液流电池示范应用工程 Tab. 8 A summary of VRB energy storage systems supplied by VRB Power, V-Fuel Pty and SEI
序号 地点 1 爱尔兰风电场 2 美国犹他州 3 4 5 澳洲金岛风场 储能系统规模 2 MW×6 h 250 kW×8 h 200 kW×8 h 功用 研发单位 时间 风/储发电并网 2006 年 8 月 削峰填谷 2004 年 2 月 风/储/柴联合 2003 年11 月 风力/储能发电 2006 年 6 月 加拿大 2002 年 应急备用 VRB 备用电源 2005 年10 月 Power Systems 光伏/储能发电 2007 年 7 月 Inc. 电信备用电源 风力/光伏发电 偏远地区供电 光/储并网 光伏/储能应用 V-Fuel Pty Ltd 住友 电工 2006 年 4 月 2006 年 4 月 2006 年 3 月 2005 年 9 月 1993 年 1997 年 1999 年 2001 年 2001 年

美国 TVA 电力公司成功开发了 200 kW 超级电容器 储能系统,用于大功率直流电机的启动支撑。 2.6 电池储能系统 2.6.1 铅酸蓄电池系统 铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用 电源已使用多年,并在维持电力系统安全、稳定和 可靠运行方面发挥了极其重要的作用,表 7 显示了 一些 MW 级铅酸蓄电池系统及其功能。
表 7 国外大型铅酸蓄电池系统一览表 Tab. 7 Selected lead acid battery energy storage installations
序 号 铅酸电池系统 名称和位置 额定功率/容量/ (MW/MWh) 8.5/8.5 0.5/0.5 10/40 20/14 3/4.5 1/1.4 1/4 1.2/1.2 功 能 安装 时间 1986 年 1987 年 1988 年 1994 年 1995 年 1997 年 20 世纪 90 年代后期 20 世纪 90 年代后期

丹麦 15 kW×8 h 南非 250 kW/520 kWh 美国 6 30/60 kW×2 h 南卡罗来纳州 美国 7 2×5 kW×4 h 佛罗里达州 8 意大利 5 kW×4 h 9 丹麦 5 kW×4 h 10 加拿大 10 kWh 11 德国 10 kWh 12 13 14 15 16 泰国 日本 关西电力 日本 日本北海道 1 kW/12 kWh

200 kW/800 kWh 平稳负载波动 450 kW/1 MWh 电站调峰 1.5 MW/3 MWh 电能质量 170 kW/1 MWh 风/储并用系统

1 BEWAG,Berlin (德国) 2 Crescent,North Carolina 3 Chino,California (美国) 4 PREPA,Puerto Rico (波多黎各)

热备用、频率控制 峰值调节 热备用、平衡负荷 热备用、频率控制 提高电能质量 提高孤立电网稳定性 平衡负荷 削峰、 提高电能质量

3 我国能源的布局及电力系统的特点和需求
3.1 我国能源特点 我国能源具有以下特点: (1) 化石能源呈逐年下降趋势, 但以煤炭为主。 表 9 显示了我国国土资源部对一次能源结构比 例的统计数据,可以看出,化石能源在整个 20 世 纪所占的份额均在 93%以上,其中煤炭能源占主要
Tab. 9
年份 1970 1980 1990 1995 2000 2005 2020 2050 化石 合计/% 96.5 96.0 94.9 93.9 93.2 93.4 85 70

5 Vernon,California (美国) 6 Metlakatla,Alaska (美国) 7 ESCAR,Madrid (西班牙) 8 Herne-Sodingen (德国)

2.6.2 钠硫电池系统 东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国 际领先地位,拥有较为成熟的商业化产品,1999 年 2004 年 7 月又在 在大仁变电站设置 6 MW×8 h 系统, Hitachi 自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠 钠硫电池系统 硫电池系统, 容量 9.6 MW/57.6 MWh; 在电力系统和负荷侧成功应用 100 余套, 总容量超过 100 MW,其中近 2/3 用于平滑负荷。2004 年,在美

表 9 我国一次能源构成状况 Primary energy structure in China
煤/ % 80.9 72.2 76.2 74.6 66.1 69.6 55 40 石油/ % 14.7 20.7 16.6 17.5 24.6 21.1 22 20 能源结构 天然气/ % 0.92 3.1 2.1 1.8 2.5 2.7 8 10 水电+ 核电/% 3.53 4.0 5.1 6.1 6.8 6.6 8 15 非水能的 可再生能源/% — — — — — — 7 15

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部分, 2050 年化石能源份额将减至 70%以下, 水电、 核电和可再生能源的份额将增加到 30%以上。21 世纪上半叶,随着我国能源可持续发展体系的逐步 完善,人们已经普遍认识到必须最大限度地提高能 源生产与利用效率。 (2)资源分布区域性特征明显。 其中 70%分 我国已探明煤炭储量为 6 044 亿 t, 布在山西、陕西和内蒙古;可开发的水电资源为 99.4%分布在中、 西部地区, 其中 65% 1 923.3 TWh, 分布在四川、云南和西藏;石油资源 890 亿 t,主 要分布在东、西部地区;天然气资源 20×1013m3, 主要分布在新疆、青海和四川。从能源分布可见, 东部地区京、津、冀、鲁、苏、沪、浙、闽、粤是 我国经济最发达和发展速度最快的地区,其人口占 全国的 34.89%,GDP 占全国的 54.04%,但其煤炭 和水电资源却只占全国的 8%和 0.3%,是全国最严 重缺乏能源资源的地区。而西部 11 个省、区人口 占全国的 25.25%,GDP 占全国的 17.32%,却拥有 大量的水电和煤炭资源。东西部能源资源分布不 均,富煤、贫油、少气、多水力的能源资源特点决 定了我国特有的电力系统结构。 3.2 我国电力系统的特点 目前,我国燃煤发电量约占总发电量的 75 %, 火力发电站多数靠近煤炭资源比较丰富的西北部 地区;水力发电量约占 23%,大多集中在西、南部 地区;核电、太阳能发电和风力发电等非水能可再 生能源发电量约占 2%;电力资源和负荷分布不均 的现状使得长距离输电成为必要。电能需求量日益 增长,据统计,2010、2020 年我国装机容量将达到 550 GW 和 800 GW。为了改善电能质量并提高电力 系统的稳定性和可靠性,要求电力系统各部分电气 紧密连接,电力系统向更大规模方向发展。 我国现已形成华北、东北、华东、华中和西北 5 个跨省区电网以及新疆、青海和西藏 3 个独立省网, 电压等级包括 110、220、500、800 kV(西北为 110、 并实现了华中与华东超高压直流的跨 330、750 kV), 大区异步互联网,建成了三峡至华东和正在建设三 峡至南方电网的 30 GW 的超高压直流输电系统,投 入运行葛(洲坝)沪(上海)、三(峡)常(州)、三(峡)广 (东)、三(峡)沪(上海)、天(天生桥)广(东)、贵(州)广 (东)Ⅰ回、 Ⅱ回等 7 个超高压直流输电工程和灵宝直 流背靠背输电工程。预计到 2020 年底,中国还将建 成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电 网,建成±800 kV 向家坝—上海、锦屏—苏南、溪洛

渡—浙西等特高压直流工程 15 个,总输送容量达 94.40 GW。上述工程为大区内保持同步电网、大区 间实现直流异步互联奠定了良好基础,基本形成了 “西电东送、南北互供、全国联网”的格局。 3.3 我国电力系统现实需求 目前,我国电力系统应做到以下几点: (1)确保大电网的安全性和可靠性。 我国电网覆盖面积大, 结构薄弱, 各种一次能 源的分布与负荷的密度极不均匀,且电源远离负 荷中心,装机容量与输电跨度比小,系统的稳定 性和安全性受到严重挑战。然而,现有系统中储 能容量仅占总装机容量的 1.7%左右,远没有达到 合理水平,且尚未建立用于瞬态电能质量管理和 电力系统功率调节/补偿的快速大容量储能系统, 只能依靠继电保护和安全自动装置切机,被动达 到稳定,因此,很难从根本上避免大面积停电事 故。近 20 年来,我国由于系统失稳造成的大停电 事故已达 140 余起,每次损失数千万元乃至数亿 元。因此,迫切需要建立起以多点储能装置支撑 的系统,有效地支持电网的系统电压和频率,消 除由于电网互联和负荷突变而形成的区域振荡, 实现输/配电系统的动态管理和电能质量管理,提 高电网暂态稳定性。 (2)加强区域电网峰谷负荷的自调节性。 电力负荷存在白天高峰和夜间低谷的周期性 变化,负荷峰谷差往往达到发电出力的 30%~40%, 近年来存在迅速递增的趋势,如夏季空调制冷负荷 就已接近华中、 川渝电力负荷的 1/3, 华东达 28.7%, 京津唐达 28.9%。电网峰谷差给发电和电力调度造 成困难。因缺乏调峰电源,许多省、区高峰时段不 得不拉闸限电。建立既经济又反应快速的调峰电站 和大规模储能系统,以便将低谷电能转化为高峰电 能,是实现发电和用电间解耦及负荷调节的有效途 径,也是推动电力工业市场化的前提。 (3)提高输变电能力,解决跨区域供需矛盾。 我国经济社会发展对能源的依赖性较高,2001 年终端用户能源消费支出 1.25 万亿元,占 GDP 总 量的 13%,而美国仅为 7%。尽管核电技术已经引 进,全国联网格局基本形成,但电力供需地域性矛 盾依然严峻,京津唐、长江三角洲和珠江三角洲三 大负荷地区现有的电力并不能满足实时需要,据 在增加发电 2005 年统计, 全国缺电量高达 30 GW。 容量的同时,充分利用储能系统、最大限度地提高 现有设备输变电能力、经济高效地利用电能是解决

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问题的根本所在。 (4)增加供电可靠性,改善用户电能质量。 在电力系统发生突发事故和电网崩溃时,为防 止医院、消防、通信、银行等重要负荷区电力中断, 储能设备将充当 UPS/EPS 提供动力, 可为电网恢复 争取时间,避免损失扩大。同时,可以与电力电子 变流技术相结合,实现高效的有功功率调节和无功 控制,快速平衡系统中由于各种原因产生的不平衡 功率, 减小扰动对电网的冲击, 改善用户电能质量。 (5)满足可再生能源系统的需要。 我国风电装机容量为 764 MW,2020 年时将达 到 30 GW,而光伏发电将达到 1 GW,可再生能源 在我国未来的能源结构中将占有极其重要的位置。 风能、太阳能等可再生能源发电具有不稳定和不连 续的特点,并网容量和电网容量相比较小时对系统 冲击不大,利用电网控制与配电技术能够保证电网 安全稳定运行。当风电、光电容量所占比例超过 10%后,对局部电网将产生明显冲击,严重时会引 发大规模恶性事故。因此,研发高效储能装置及其 配套设备,与风电/光伏发电机组容量相匹配,支持 充放电状态的迅速切换,确保并网系统的安全稳定 已成为可再生能源充分利用的关键。 表 10 显示了各种电力储能技术及其潜在的应
表 10 应用于电力系统的储能技术 Tab. 10 Comparison of energy storage technologies for power system
储能类型 抽水蓄能 机 械 储 能 CAES 额定功率 100~2000 MW 100~300 MW 反应时间 效率/% 4~10 h 6~20 h 1~40 h 60~70 40~50 — 应用方向 能量管理, 频率控制和系统备用 调峰发电厂、 系统备用电源 调峰 调峰、频率控制、 UPS/EPS、 电能质量控制 输配电系统暂态稳定 性、提高输电能力、 电能质量管理、UPS 电能质量调节、 输电系统稳定性 与柔性交流输电技术 相结合 电能质量控制, 系统备用电源, 黑启动,UPS/EPS 平滑负荷、备用电源 分布式、可再生能源 系统稳定性、用户侧 平滑负荷、备用电源

用领域。通过研究和探索,将不同容量的储能系统 卓有成效地应用于电力系统发、输、变、配、用电 各个环节,将全面提升我国电力系统的运行效率、 可靠性、电能质量和资产价值。

4 我国电力系统储能技术的应用状况、 研发 方向和重点
储能技术应用现状 到目前为止,我国 9 个省、区、市已建成 11 座抽水蓄能电站,装机容量约为 5.7 GW(其中 0.6 GW 供香港),占全国装机容量的 1.8%。表 11 显示了已建和 “十一五” 期间在建的抽水蓄能电站, 待全部电站建成投入使用后,除湖北、拉萨外,可 调峰的水电(包括抽水蓄能电站在内)约占电网总容 量的 3%~7%。目前,我国已对 CAES、SMES、飞 轮和电池储能等方式的关键技术开展了研究,但还 没有在电力系统中进行实际应用。
表 11 我国抽水蓄能电站统计数据 Tab. 11 Pumped hypo stations installed in China
地区 华北地区 华南地区 已建电站 河北岗南 河北潘家口 北京十三陵 广州 浙江溪口 华东地区 浙江天荒坪 安徽响洪甸 江苏沙河 华中地区 西部地区 湖北天堂 拉萨羊卓雍湖 机组容量/MW 11 270 800 2 400 80 1 800 80 100 70 90 在建电站 山东泰安 山西西龙池 河北张河湾 — 浙江桐柏 — 安徽琅琊山 江苏宜兴 — — 机组容量/GW 1.00 1.20 1.00 — 1.20 — 0.60 1.00 — —

4.1

4.2

Micro-CAES 10~50 MW 飞轮储能 5 kW~5 MW

15 s~15 min 70~80

我国电力储能技术的发展方向和研发重点 图 1 显示了各种储能技术的功率等级及其目前 的技术成熟度,具体方式的选择需考虑实际用途、 额定功率、桥接时间、技术成熟度、系统成本、环
输电 发电 抽水储能

储能技术成熟度

电 磁 储 能

SMES

10 kW~20 Ms~15 min 80~95 MW 1~100 kW — 1 kW~50 MW 1 s~1 min — 70~80 —

用户 成熟

配电 铅酸、 NICd 电池 飞轮储能

电容器 超级电容器

较为成熟

NaS 电池 超级电容器 SMES

压缩空气储能

铅酸电池

1 min~3 h

60~70

电 化 先进电池 1 kW~10 学 技术,如 NaS、 1 min~数 h 70~80 MW 储 Li 等 能 10 kW~100 液体电池 1~20 h — kW

正在发展

液流电池 微型压缩气体储能 氢储能 kW 100 kW MW 10 MW 功率等级 100 MW

Fig. 1

图 1 储能技术功率等级及其技术成熟度 Technical capability and commercial availability of energy storage types

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境条件等多种因素。针对我国电力系统的现实需 要,并从国家发展战略、国家中长期科技规划和城 市电网可持续发展大计综合考虑, 2007 年国家电网 公司提出了“能源转换关键技术研究—储能关键技 术研究”框架,并进行了周密部署, “十一五”期 间将以电力储能技术前期研究和共性问题研究为 基础,以先进储能装置和电网接入系统关键技术的 研究为主攻方向,以示范工程为成果展示平台,以 前瞻性研究为储能技术可持续发展的驱动力,通过 自主创新掌握电力储能系统的核心技术,并推动实 际工程的应用。 国内电力储能技术的应用、研究与开发表现出 以下 3 个特征: (1)以可再生能源系统应用为切入点,开发 100 kW 级全钒液流和 MW 级钠流电池储能系统, 逐步替代铅酸电池系统,为区域电网平滑负荷、提 高配电网供电可靠性、UPS 等应用奠定基础。 由于全钒液流电池正、负极活性物质均为钒, 只是价态不同,可以避免正、负极活性物质通过离 子交换膜扩散造成的元素交叉污染,成本低、寿命 长,已成为液流电池体系中主要的商用化发展方向 之一。自 1995 年起,我国就开始了全钒液流电池 的研究,已成功开发出 10 kW 级储能系统,转换效 率大于 80%,最大输出功率超过 25 kW,并建立了 电池实验室模型,在电极设计、溶液制备、浓度控 制、导电塑料成型及批量生产、公用管道设计、电 池组装配和调试等方面积累了丰富经验,国产化全 氟磺酸离子膜有望取代进口离子膜材料,这为自主 研发大容量储能系统奠定了条件。2008 年,中国电 力科学研究院将研发用于风电场的 100 kW 级储能 系统,并考核其运行的可靠性和耐久性。 钠流电池能量密度高, 维持 300?C 左右运行温 度的技术难题已得到解决,但目前价格较高,推广 应用主要障碍源于国外企业的技术垄断。通过国产 化来降低成本,实现大容量储能系统的应用,成本 将接近铅酸电池系统。目前,上海电力公司正着手 50 kW~1 MW 不同容量等级钠硫电池系统的研制, 用于 UPS/EPS,力图掌握大尺寸电解质陶瓷管等核 心部件制备技术, 建立标准和规范, 并实现模块化、 规模化生产。 (2)以液氮温区运行 SMES 研究为重点,开 发分布式储能系统,提高我国大电网暂态稳定性, 抑制低频振荡,增加高压线路的输电能力。

在大电网互联的模式下,当系统中出现故障或 者大扰动时,同步发电机并不总是能够足够快地响 应扰动以保持系统功率平衡和稳定。SMES 的 ms 级响应、 大容量功率/能量传递决定了其在提高大电 网动态稳定性方面是无可替代的:SMES 在系统发 生故障或受到扰动时能够快速地吸收/发出功率, 减 小和消除扰动对电网的冲击,消除互联电力系统中 的低频振荡,抑制同步振荡和谐振,并在扰动消除 后缩短暂态过渡过程,使系统迅速恢复稳定状态, 提高系统运行的可靠性。 在“九五”和“十五”期间,我国已先后研制 成功 25 kJ~1 MJ SMES 系统, 目前 1 MJ SMES 正处 于并网调试中, 但低温超导 SMES 制冷系统较复杂, 技术要求高, 而铋系高温超导 SMES 通常采用制冷 机冷却,稳定裕度低。为进一步改善 SMES 性能、 降低成本并提高其经济性,中国电力科学研究院正 在分阶段、有重点地开展第二代高温超导带材—— 钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)涂层导体 SMES 储能单元构 造、低损耗快速功率变换及其控制策略、模块化系 统集成、动态建模与仿真、分布式储能系统规划及 其与电网匹配运行等关键技术的探索性研究,通过 示范推动 SMES 的实际应用,确保大电网的安全、 可靠运行。 (3)加快建设 GW 级抽水蓄能混合式电站, 满足大电网调峰和紧急事故备用的现实需要。 为了优化电源结构,保证电网安全,改善电能 质量,我国抽水蓄能电站的建设和规划设计工作正 在全国范围内蓬勃展开。抽水蓄能电站的运行正逐 渐向双日或周季调节过渡,并通过技术创新提高转 换效率、增加运行灵活性。为提高经济效益,潘家 口、响洪甸、佛磨、双沟和天堂等电站融水利、水 电、抽水蓄能于一体,选择混合模式开发实现电站 的新建和扩建,促进了社会经济协调发展、环境保 护和资源的节约利用。

5 结束语
电力储能技术正朝着转换高效化、能量高密度 化和应用低成本化方向发展,通过试验示范和实际 运行日趋成熟,在电力系统中发挥出调峰、电压补 偿、频率调节、电能质量管理等重要作用,确保了 系统安全、稳定、可靠的运行。基于我国能源分布 特点, 国家电网已基本形成 “西电东送、 南北互供、 全国联网”的格局。为确保大电网的安全性和可靠

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性、加强区域电网峰谷负荷的自调节性、提高输变 电能力、解决跨区域供需矛盾、增加供电可靠性、 改善用户电能质量并满足可再生能源系统的需要, 将以开发 100 kW 级全钒液流、钠流电池储能系统 和液氮温区运行 SMES 为重点, 加快建设 10 GW 级 抽水蓄能混合式电站,实现电力系统的优化配置和 电网的可持续发展。

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收稿日期:2008-02-28。 作者简介: 张文亮(1954—),男,教授级高级工程师,主要从事高电压技术和 电磁兼容等方面的研究,E-mail:wlzhang@epri.Ac.cn; 丘 明(1970—),男,博士,教授级高级工程师,主要从事超导电 力 、 低 温 功 率 电 子 学 和 储 能 技 术 等 方 面 的 研 究 , E-mail : qiuming@epri.ac.cn; 来小康(1959—),男,教授级高级工程师,主要从事储能、电动汽 车能源供给和高电压技术等方面的研究,E-mail:laixk@epri.ac.cn。

(责任编辑 王金芝)


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