董曉文，何維國，蔣心澤，王佳斌，錢晨巍
(上海市電力公司技術與發展中心，上海200025)
摘要：闡述了電力電池儲能系統規?；募杉夹g和接入技術的研究和應用現狀。分析了我國電力電池儲能系統存在的主要問題，從需求、技術和經濟的角度出發，指出了我國儲能產業的發展前景，提出了促進大容量儲能產業發展的政策建議。
近幾十年來，儲能技術的研究和發展一直受到各國能源、交通、電力、電信等部門的重視。電池儲能技術的研究與應用在國內外已經取得了較多進展，已從電池本體及小容量電池儲能系統的研究與應用發展為大容量、規?；姵貎δ芟到y的研究與應用。
1電力電池儲能系統與電力系統的關系
當前，電力電池儲能系統已被視為電力系統安全經濟運行的重要環節(見圖1)。電力電池儲能系統主要應用在電力系統運行中的削峰填谷、新能源接入、電能質量改善和應急電源4個方面。
受發電設備固有慣性和運行經濟性限制，傳統的發電方式(水電、火電、核電)自身具有大規模、連續性的特點，而用電負荷固有的隨機性和間斷性造成了二者之間存在必然的矛盾。雖然可以通過加強電源和電網的建設與投資來解決，但這將導致發電、輸電和變電設備的利用效率大大降低并嚴重影響一次能源的利用效率和電廠的運行經濟性。
新型能源(風能、太陽能)的大規模開發和利用，將使這一矛盾進一步加劇和惡化。因此，亟需突破儲能相關的關鍵技術，開發大容量、規?；姵貎δ芟到y，以提高一次能源和輸變電設備的利用效率，減低溫室氣體排放[1－3]。
電力電池儲能系統主要實現能量的儲存、釋放或快速功率交換，一般由2個系統組成：由電池模塊組成的儲能電池系統(BESS)；由電力電子器件組成的能量轉換系統(或稱電網接入系統)。電網接入系統主要實現以下功能：①充放電控制；②交流－直流雙向變換、直流－直流變換；③功率調節和控制；④運行參數檢測和監控；⑤安全防護等。
應用于電力系統中大容量、規?；姵貎δ芟到y的相關技術，主要包括規?；到y集成技術和規?；到y接入技術。
2電力電池儲能規?；到y集成技術
電力電池儲能系統的規?；到y集成技術，根據其應用情況可以分為大規模集中式儲能系統和大規模分布式儲能系統。
2.1大規模集中式儲能系統
大規模集中式儲能系統以能量轉換和電力系統削峰填谷功能為主，以實現電力系統的經濟運行，其儲能方式有抽水蓄能、壓縮空氣儲能等。
類儲能電站一般規模較大(數兆瓦至數百兆瓦級)，經常在有核電站、大型風電場和以火電為主的電力系統中應用，以滿足調峰、快速備用、輔助服務和經濟運行的要求。其優點是容量大，運行成本較低；缺點是受自然條件(選址)的約束較大。以前對這類儲能系統的研究主要考慮與核電和大規?；痣娀氐呐浜险{度較多，與大規模太陽能發電、風力發電等的配合較少。
2.2大規模分布式儲能系統
大規模分布式儲能系統以平抑電源功率隨機波動、維持局部電網或微型電網安全穩定運行為主，經常與可再生能源(如太陽能、風能等)配合使用，其儲能方式有蓄電池、超級電容器、超導磁儲能、旋轉飛輪儲能等。
這類儲能電站一般規模較小(千瓦至兆瓦級)，但如廣泛應用，仍可占電力系統容量的相當比例并形成規模。其優點是布局靈活，可建在負荷中心；缺點是容量偏小、單位容量的投資較大。學術界對大規模分布式儲能的研究剛剛開始。
3電力電池儲能規?；到y接入技術
電力電池儲能系統規?；到y接入技術，目前根據其電網接入點應用情況可以分為以下4類：①新能源發電側儲能入網接入技術；②配電網儲能入網接入技術；③用戶側儲能入網接入技術；④電動汽車入網接入技術。
3.1新能源發電側儲能入網接入技術
將電池儲能系統用于新能源發電側，可使新能源功率穩定，提高電網安全性和經濟性。近幾年，新能源發電發展迅猛，根據國家能源戰略，到2020年，風力發電和光伏發電的總裝機容量將分別達到1.5億kW和3000萬kW。由于風力發電、光伏發電、地熱發電等功率變動大，發電與用電需求不同步，因此儲能系統將成為可再生能源發電設備中必不可少的輔助裝備。有了儲能裝置的配合，這些不穩定的、與用電需求不同步的分布式發電設備才有可能向電網和用戶穩定地供電。因此，新能源發電的快速發展對電池儲能系統提出了更高的技術要求，也提供了更多的需求。
3.2配電側儲能入網接入技術
將電池儲能系統用于城市負荷中心區域的配電側，可以減少用于發電、輸電、變電、配電設備的投資，提高現有電力設備的利用率，降低發電煤耗、供電損耗以及提高供電可靠性。
隨著城市電力需求的與日俱增，城市電網面臨電力需求存在巨大峰谷差的挑戰。目前城市電網系統，已從普遍缺電逐漸發展到局部地區負荷不穩定和不平衡造成的部分地區和部分時段的電力供應緊張，特別在城市中心負荷密度高的區域，經常有配電變壓器過載的現象。然而從建設成本和資源保護的角度出發，通過新增發、輸、配電設備來滿足高峰負荷的需求變得越來越困難。在目前城市負荷中心區域，如采用大容量儲能系統接入電網進行削峰填谷，替代常規的解決辦法則可有效避免上述問題，不僅使得配電網安全、經濟運行，也減少了巨大的增容費和社會環境影響，還提高了設備利用率、降低了線損。
3.3用戶側儲能入網接入技術
將儲能電站用于用戶側，可以提高電網的電能質量，增強電網的供電可靠性。目前越來越多具有高度自動化生產線的工業企業和涉及信息、安全領域的用戶對負荷側電能質量提出更高的要求。例如，對于電子企業，1次0.1s的停電，就將導致整條生產線上芯片的全部報廢，損失可達數千萬美元。如果使用基于大容量儲能技術的電能質量裝置作為備用電源，可提高這些企業用電的安全性和可靠性。
現在已經可以利用儲能裝置為每一個用戶(家用、商用或者工業用戶)提供不間斷的、高質量的供電電源，而且可以讓用戶自主選擇何時通過配電回路從電網獲取電能或向電網回饋電能。
3.4電動汽車入網接入技術
電動汽車是解決能源供需和環境問題的重要手段。按照我國新能源汽車產業發展規劃，未來5a電動汽車將產業化和大規模推廣應用，并在2016年進入高速成長期。但大量的車輛充電將帶來新一輪的電網負荷快速增長，使得用電負荷峰谷差日益加大的城市電力系統發、輸、配電壓力巨增。因此，采用電動汽車入網接入技術，將電動汽車能量在受控狀態下實現與電網之間雙向互動和交換，不僅可解決大規模電動汽車集中充電對電網沖擊的影響，而且電動汽車作為移動備用儲能裝置的分散儲能功能，在負荷用電高峰期對電網放電，可減緩電網高峰負荷用電的壓力[4]。
將電動汽車和智能電網相結合的V2G技術，可實現電網與車輛的信息和能量雙向互動，電動汽車作為電網能量系統的有機組成，可提高電網安全性、穩定性、可靠性和經濟性。V2G是一項較前瞻性的技術，目前僅少數機構涉足，具有代表性的研究與示范都在美國。丹麥、英國和澳大利亞正開展這方面研究，大多數為新能源接入方面的示范應用。上海市電力公司是國內最早開展V2G技術研究的企業，目前已在上海漕溪能源轉換綜合展示基地和上海世博會國家電網館建成2座具有V2G功能的充放電裝置與電網實現雙向互動，并在國內首次系統提出了電動汽車入網的研究框架體系以及系統化的充放電策略方案。
4我國電力電池儲能系統技術存在的問題
我國在規?；姵貎δ荜P鍵技術研究領域與國外相比存在以下主要問題。
4.1電池本體工藝落后
電池本體即化學儲能電池的研究、設計、工藝、制造、篩選以及組合等基礎工作的任何不足或缺陷，都有可能成為整個儲能系統的瓶頸。盡管我國電池的生產技術在總體上已經取得長足進展，但仍有不少技術，尤其是涉及大容量、高功率電池的研究、設計與生產技術，以及電池模塊組合與電池組工程應用、運行與管理等諸多關鍵技術問題還有待于克服和解決。
4.2大規模應用一直沒有進展
盡管電池儲能技術有很多的優點，但是由于技術、成本等原因，其在電力系統中的大規模應用一直沒有進展。國內實際應用中的電池儲能系統儲能電站容量都很小，無法形成規?；?。隨著風力發電、光伏發電等可再生能源發電電源的大規模并網利用，這些電源所固有的隨機性和間歇性使得電力系統的安全性和經濟性面臨巨大的挑戰，急需大規模儲能系統的支持。
4.3電網接入技術研究落后
大規模電池儲能系統接入到電網，在一定程度上會影響電網。如含有的大功率電力電子變流設備，會導致電網出現諧波、功率因數低等問題；存儲設備投入和切除瞬間的過電壓和電壓暫降問題；存儲設備的運行故障對電網的不利影響等。電網的電能質量問題和運行故障也會對存儲設備產生影響，輕者縮短儲能設備壽命，重者導致儲能設備損壞。對此，一些國際組織制定了能量存儲設備并網的標準(如IEEEStd.1547－2003)。我國因尚未建設大規模電池儲能系統示范應用工程，導致電網接入技術的相關研究落后。
5結語和展望
建設堅強智能電網是國家電網公司必須實現的目標，電池儲能的規?；到y集成及接入關鍵技術是實現這一目標的有力技術支撐，符合國家能源戰略，也符合公司促進發展低碳經濟的基本方針。以上海為例[5]，電池儲能系統一旦形成規模效應，將從以下幾個方面產生經濟效益和社會效應：①有效提高現有發電、輸電、配電、用電設備的利用率，改變電力建設的增長模式；②降低發電企業和電網企業的運行成本，減少用戶的用電費用；③減少停電損失；④節能減排。
隨著智能電網的建設，將促進儲能技術升級、推動儲能需求尤其是大規模儲能需求的快速增長，從而帶來相應的投資機會。隨著儲能技術的大量應用，必將在傳統的電力系統規劃、設計、調度、控制等多方面帶來變革。但是，目前由于國外少數企業的技術壟斷，造成價格過高，電網對電力儲能系統的需求被壓制。因此，國家應該盡快研究儲能技術的相關產業標準，加強儲能技術基礎研究的投入，鼓勵技術創新，掌握自主知識產權，從而降低產品價格，推動電力儲能系統在電網中的規?；瘧?。如能抓住這一發展機遇，儲能技術將可能取得重要進展，形成新的儲能產業。
參考文獻
[1]滕樂天.建設智能電網的實踐和深入思考[J].供用電，2010，27(5)：1－4，14.
[2]張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用[J].電網技術，2008，32(7)：1－9.
[3]杜成剛，李瑾，胡超，等.智能電網建設助推電動汽車業快速發展[J].供用電，2010，27(5)：5－9.
[4]張宇，俞國勤，施明融，等.電力儲能技術應用前景分析[J].華東電力，2008，36(4)：9193.
[5]袁智強，張征，祝達康.鈉硫電池儲能系統在上海電網的應用研究[J].供用電，2010，27(3)：1－4，11.
董曉文(1980-)，博士，從事電力電池儲能系統集成及接入、電動汽車、電力能源轉換相關技術研究
何維國(1964-)，教授級高工，從事電力系統及其自動化、電能質量、電力系統無功配置、電動汽車、能源轉換相關技術研究
蔣心澤(1962-)，高級工程師，從事電力系統及其自動化、電動汽車、能源轉換相關技術研究
王佳斌(1985-)，助理工程師，從事電力能源轉換相關技術研究
錢晨巍(1985-)，助理工程師，從事電力能源轉換相關技術研究
