新型储能在电力系统中的发展远景分析

新型储能在电力系统中的发展远景分析

基于储能的本质功能而发展、派生出来的各种扩展功能使新型储能有了实际应用的空间和价值。世界范围内，新型化学储能技术的应用领域在不断扩大，以下从电力系统的各个应用环节、各个领域来对新型储能可能实现的最大价值或作用进行分析。

一、化学储能未来在发电领域的应用

储能在发电领域的应用价值包括：辅助动态运行、取代或者延缓新建机组等。

1. 辅助动态运行

储能设备应用在发电端，可以提高机组效率和动态响应。理论上储能装置可按照日前发电曲线和调度中心的实时指令进行充放电，调节发电机组输出功率，使火电机组运行在接近额定功率状态，提高火电机组利用效率和使用寿命，降低故障率，减少燃料消耗，减少碳排放、更加环保。

已有应用实例：美国俄亥俄州Painesville钒电池示范项目。该项目通过配置1MW/8MWh全钒液流电池，使额定功率为32MW的PMP市政火电发电厂保持恒定26MW的功率输出，从而使火电机组动态运行范围减小，提高了机组运行效率，降低了碳排放。

2. 取代或者延缓机组的建设

储能设备在负荷低谷时充电，在负荷高峰时放电，起到削峰填谷的作用，在有些情况下，可以延缓新建发电站或者直接替代新建发电站。

二、化学储能未来在电力输配领域的应用

储能在输配电领域的应用主要包括：无功支持、缓解输电阻塞、延缓输配电扩容升级、变电站直流电源等。

1. 提供无功支持

电力系统中无功不足或过剩，会造成电网电压的波动，不仅会影响供电质量、损坏用电量设备，还会直接影响电力系统的安全可靠运行。电池储能具有四象限运行特性，可以在充电/放电的任何时候吸收或者发出无功，从而调节系统无功，提高系统电压稳定，改善配电网的电能质量，同时可以减少配电网的无功投资以及降低网损。

已有应用实例：美国阿拉斯加州GVEA电力公司采用27MW/15min的电池储能系统为Fairbanks地区电网提供旋转备用、调峰调频、无功调节等服务，储能通过控制设备，实现了动态无功调节，保证了线路电压不随负荷变化而变化，始终保持在规范要求之内，发挥了其无功输出动态可调的特点。

2. 缓解输电阻塞

当负荷变化增长至超过输电线路的容量时，就需要对线路进行扩容。这时也可配置储能系统，当线路负荷超过线路容量，发生线路阻塞时，储能系统充电，将线路不能运输的电能存储在储能设备中，当负荷低于线路容量时，储能再向线路放电。储能能够用于避免线路阻塞引起的相关成本和费用，尤其是在需要扩容的幅度不高的情况下。

已有应用实例：纽约州电力与天然气公司将在该州建设一个150MW的压缩空气储能项目。计划通过充放电操作，在负荷高峰时，缓解该电站上游输配电设备的送电压力，延缓其扩容升级；当风电尖峰时，缓解该电站下游输配电设备的送电压力。另外，通过频繁地充放电，该电站还能调节风电、负荷之间的负荷差，解决风电波动，保证电网的电能质量。

3. 延缓输配电扩容升级

在负荷接近设备容量的输配电系统内，如果一年大部分时间可以满足负荷供应，只在部分高峰特定时段会出现自身容量低于负荷的情况，当负荷高峰超过输配电设备容量不是很多的情况下可以考虑用储能来解决。这种应用等于是延长了原有设备的使用寿命。这时将储能设备安装在原本需要升级的输配电设备的下游位置来延缓或者避免扩容。

已有应用：美国西弗吉尼亚查尔斯顿的NGK的钠硫电池储能电站首要功能是通过削峰来延缓输配电扩容升级。

4. 变电站直流电源

变电站直流电源可以为信号设备、继电保护、自动装置、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源，并在外部交流电中断情况下，保证由后备电源即蓄电池继续提供直流电源的重要设备。直流电源的可靠性、安全性直接影响到电力系统供电的可靠性、安全性。新型储能电池在保证可靠性和成本具有竞争力的前提下，可以发挥其免维护、易监控的特点，进入这一领域。

除传统的铅酸电池在此领域的应用外，目前全球还没有较著名的、针对变电站直流电源的示范或商业项目。

三、化学储能未来在用户端的应用

储能在用户端的应用主要集中在用户分时电价管理、容量费用管理、电能质量管理三方面。其中分时电价管理和容量费用管理功能的实现要依赖于电力市场中存在分时电价和容量电价体系，目前中国工业用电中已经有这样的电价政策，部分省份的居民用电也进行了尝试，因此未来将出现一些储能应用的机会。

1. 用户分时电价管理

在实施了分时电价的电力市场中，储能是理想的帮助电力用户实现分时电价管理的手段。在电价较低时给储能系统充电，高电价时放电，以此来降低整体用电成本。

例如：美国太平洋燃气电力公司的小型商用电价体系。每年的5~10月，周一至周五，工业和商业用户的峰值用电需求小于或等于500kＷ时，就有资格使用以下分时电价体系：每天12~18点峰值电价是0.32美元，而谷底电价是0.10美元，用户可通过低存高放节约用电成本。

又例如我国湖北省也试用了分时电价方案：将每天10~12点、18~22点定义为高峰时段，收费是基础电价的1.8倍，而低谷时段定义为每天的0~8点，电费只是基础电价的48%，其它时段采用基础电价。

2. 容量费用管理

容量费用管理指的是电力用户采取一定的方式，在不影响正常生产工作的情况下，降低最高用电功率，有效地降低容量费用，从而达到降低总体电费的目的。储能设备是降低容量费用的方案之一，用户根据自身用电习惯，在自身用电负荷低时段充电，在用电高负荷时放电，从而降低自身的最高负荷，达到降低容量费用的目的。

前文已经提到的普能公司在美国加利福尼亚州奥克斯纳德市建设的用于调峰的600kＷ/3600kＷh的全钒液流电池储能系统（VRB-ESS）的Gills洋葱加工厂储能项目，主要通过分时电价管理以及容量费用管理为工厂节约电费。

3. 电能质量管理

在用户端电能质量管理中，储能技术广泛地参与到为提高供电可靠性而开展的项目中，在电能质量方面将重点关注供电可靠性。低压侧用来提高供电可靠性的设备大致可分为两种类型：低压电力调节器以及应急和备用电源系统，低压电力调节器主要是通过改善电能质量来提高可靠性，应急和备用电源系统是储备电源，主要作用是用来保证用电设备工作的连续性。目前，应急和备用电源广泛地应用于各行各业，小型发电机、UPS、直流电源等都有应用，而储能技术广泛地应用于UPS中。

UPS应用中，以飞轮储存机械能为基础的动态UPS系统（其中飞轮又分为低速系统和高速系统，低速飞轮系统转速可达6000 r/min，主要用于短时间运行的场合，主要作功率型应用； 高速飞轮系统转速可达10000~100000r/min，可存储大量的能量，主要作能量型应用，目前主要用在车辆和航空航天领域。

UPS应用中，以化学储能电池为基础的静态型UPS系统，铅酸电池应用最广泛、最成熟，但目前业界都在努力用新兴的储能技术取代铅酸蓄电池，如超级电容器、超导储能、燃料电池等。

4. 商业建筑储能

储能可作为一种手段为商业建筑用户提供多种应用以改善电网灵活性，提高电能质量，降低能源消耗，源头减少电力开支等。该应用可以为商业建筑中的用户提供高可靠性和高质量的电力服务。

商业建筑储能的综合性应用包括：电费管理；负荷转移，一般可以同时降低电量电费和容量电费；分布式可再生能源发电接入；可靠性与电能质量管理；可以作为UPS备用电源；提供辅助服务；提供调频服务、电压支持、负荷跟踪、备用容量等服务等。

根据美国ZBB的测算，在美国，商业建筑通过供电与需求管理，能够节省10%~50%的成本。中国目前也有一些智能样本小区或工业园，建设了储能系统。

5. 家用储能及电动汽车储能

主要指安装在居民住宅上的储能系统，其运行模式包括独立运行、与小型风机、屋顶光伏等可再生能源发电设备配套运行以及类似V2G电动车使用储能系统，以及家用储热设备等。

首先家用储能的应用包括：电费管理、控制用电成本（低充高放）；供电可靠性；分布式可再生能源接入；电动汽车储能电池应用等。

家用储能市场属于新兴市场，全球示范项目不多，出现了一些开发家用储能产品的公司，主要集中在德国、美国、日本。中国也有公司涉足，如比亚迪公司已进入国外家用储能市场。

德国是最被看好的家庭储能市场。作为世界最大的光伏发电国家，新能源在德国得到了大规模的应用。特别是1997年实施“百万屋顶计划”后，其家用可再生能源发电市场已经十分成熟，这为家用储能系统市场的形成打下了良好的基础。

日本是具有特殊性的市场，也是早期家用储能市场的试验田。在经历过地震后的计划停电及2011年夏季电力短缺后，许多日本居民开始考虑利用储能设备作为应急电源，家用储能市场开始形成。另外，日本的民用峰谷电价机制也是促使家用储能市场形成的一个真正原因。

美国社区储能市场已发展多年，有一些重要的示范项目，如AEP在美国俄亥俄州300住户的示范项目。但家用储能市场发展不如德、日迅速。目前，美国加利福尼亚州可持续能源中心正在组织研究回收电动汽车动力电池来建立廉价的家庭储能系统，但形成真正产品尚未有时间表。

中国目前缺乏民用峰谷电价用电机制，且家用电供电保证率非常高、电价又相对较低，没有形成家用储能市场的需求和条件。但我国储能电池厂商如比亚迪已联手日本家电批量出售大型企业BICCAMERA公司，向日本市场出售家庭储能系统产品，银通能源公司也开发出面向日本家用储能市场的锂离子电池储能系统。

我国家用储能市场刚刚起步，其发展仍存在众多制约，首先产品本身还不成熟、价格高，让用户难以接受；其次是电价机制问题，家用储能的价值主要基于峰谷价差。

我国蓄热、蓄冷储能的家用市场或商业用户市场早已形成，例如，目前，城市居民屋顶的太阳能热水器、工厂用太阳能中央空调等。由于国家的倡导及太阳能热水器价格渐降和人民环保意识的提高，居民屋顶太阳能热水器正在中国北方城市家庭广泛安装，且正在由城市家庭发展到广大农村家庭。我国家用太阳能热水器及太阳能中央空调的市场潜力是巨大的。

其次是电动汽车家用储能的应用目前也受到很多问题的影响，首先是电动车的普及率，其次是电动车与当地供电系统的整合，再次这种供电形式受居住环境的影响较大，最后作为交通工具，电动车不能总停在家中，降低了利用率。另外，电动汽车与储能系统在电力系统发输配送各个环节所起的作用还有待完善和发挥。

四、化学储能未来在辅助服务领域的应用

辅助服务是为了保障电力系统安全稳定运行和电力质量而开展的一种必不可少的服务。根据2006年原国家电监会发布的《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》的相关规定，我国电力辅助分为基本辅助服务和有偿辅助服务两大类。基本辅助服务是发电机组必须提供的，不进行补偿；有偿辅助服务包括AGC、有偿调峰、备用、有偿无功调节、黑启动等。目前国内辅助服务由并网发电厂提供，储能尚未参与其中，从国外的应用来看，储能在辅助服务领域的应用包括：调频、电压支持、调峰、备用容量等，化学储能未来可参与辅助服务领域的调频、电压支持。

 

1. 调频

由于调频需求而频繁的调整输出功率，会加大对机组的磨损，浪费燃料，因此，火电机组并不十分适合提供调频服务，如果储能设备与火电机组相结合共同提供调频服务，可以提高火电机组运行效率，大大降低碳排放。储能设备提供调频服务的最大优点是响应速度快，调节速率大。

调频辅助服务主要分为一次调频和二次调频。

在中国，一次调频是并网发电站必须提供的服务，并不能从电力市场中赢利，美国的情况与中国类似。中国的二次调频（AGC辅助服务）依据各区域电网的辅助实施细则可获得收入，美国的二次调频是作为一项服务可直接参与电力市场赢利的，美国对调频服务实施“按效果付费”的方法，储能的快速响应性能能够得到合理的补偿，有可能促进其市场的发展。中国目前尚没有相关的政策机制可以支持储能进入电力调频市场。

国外，Beacon Power 在美国宾夕法尼亚州 Hazle Township 建设的飞轮储能电站，容量20MW，向独立电网运营商PJM提供调频服务，目前已经全部商业化运行，并取得了很好的效果。

国内，前文提到的北京石景山热电厂化学储能调频系统据目前的运行资料来看，也取得了较好的效果。

2. 电压支持

传统情况下，发电机组是电压支持辅助服务的最主要的提供者，但由于无功功率在传输过程中，容易发生损耗，对于线路较长、供电范围较大、有多级变压的供电系统，利用发电机调压并不是最佳方案。储能装置，特别是分布式储能装置，如果具有快速响应的能力，能在几秒钟内快速响应负荷需求，并为负荷提供持续几分钟甚至一小时的服务，那么将其布置在负荷端，根据负荷需求释放或吸收无功功率，能很好的避免无功功率远距离输送时的损耗问题。

目前尚没有布置在发电端的用来提供电压控制辅助服务的储能示范项目，而在输配电过程中，储能已经开始在无功支持中发挥作用。

3. 调峰（机械储能）

峰荷电源主要负责系统的调峰。开机灵活、出力变化大，速度快的水电机组是主力调峰电源。储能技术中抽水蓄能技术是目前成熟、高效、可靠的调峰手段，其最主要的功能就是为电力系统提供调峰服务，目前已广泛应用于电网调峰领域。其它储能技术在国际上还没有专门用于调峰的示范项目。国内深圳宝清储能电站和张北“国家风光储输示范工程”在试验研究过程中已经包括测试化学储能技术的调峰作用。

4. 备用容量（机械储能）

储能可以为电网提供备用辅助服务，通过对储能设备进行充放电操作，可实现调节电网有功功率平衡和在必要使用时能够立即被调用并提供服务的目的。因经济性较好，并且由于其可充放电的特性，可提供两倍于其额定容量的调节容量。

目前世界上建成并投运的抽水蓄能电站、压缩空气储能电站在提供调峰、调频辅助服务的同时，几乎都承担了为系统提供旋转备用服务的责任。德国1978年投产的Huntdor压缩空气储能电站主要提供的服务便是负荷跟踪、调频、旋转备用以及黑启动，目前已安全运行30多年。

五、化学储能未来在风电、光伏发电等新能源并网中的应用

风电、太阳能发电等可再生能源具有间歇性、波动性以及不确定性等特质，其对电网的影响，包括：

增加了调频压力（几秒到十几分钟）

短时间波动（十几分钟到几小时）增加了电网的调峰压力

较长时间波动（24小时范围内），如风电具有反调峰特性，直接造成夜间弃风等。

上述影响的共同作用将增加电力系统的备用容量，电网调度需要为风电、光伏并网准备更多的备用机组容量（主要由抽水蓄能承担），增加电网运行的成本。针对这种影响，以下着重介绍电量转移固化输出（即平滑输出）和控制爬坡率两种应用。

1. 电量转移、稳定输出

电量转移、固化输出是指在低负荷时，间歇性可再生能源给储能系统充电，在负荷高时，储能系统向电网放电，从而达到可再生能源以一定的功率稳定输出的目的。储能在这个过程中的作用包括：

·避免弃风；有利并网送出，减少线路阻塞；

·进行峰谷电价管理，提高可再生能源电量收益；

·在电网负荷尖峰时，向电网提供功率支持；

·减少煤电机组的调峰压力；

·减少备用容量预留量，提高风电出力的预测准确性。

张北“国家风光储输示范工程”项目在测试研究过程中设想能实现上述功能。

美国Primus电力集团采用zinc-flow电池开发的Energy Farm 系统，储能容量100MW/300MWh，于2013年投运，设想该系统将在固化风电输出等领域发挥重要作用。

2. 爬坡率控制

爬坡率控制是通过储能设备频繁的充放电来实现的，该应用主要是针对风电的短时波动。对于爬坡率控制，其主要作用在于降低风电对电网的负荷跟踪压力。使风电或光伏发电的输出变得连续，降低其输出的爬坡率，降低备用机组容量，减少机组因调峰操作带来的磨损、使用寿命减少以及维护成本。相对于移峰，爬坡率控制时间较短，变化更为频繁。这样一方面可以更多地利用风力富裕时段发电，增加风电利用率，另一方面，也可减少火电机组频繁调节操作而带来的磨损、寿命减少及维护成本，同时可以减轻电网调峰调频压力。

国内深圳宝清储能电站和张北“国家风光储输示范工程”储能系统设计均有负荷跟踪的作用。国外Notrees风电场采用了36MW/24MWh的Xtreme power的 advanced lead-acid 电池进行爬坡率控制，有效地提高了风电的运行可靠性，减少了风电带给其它发电厂（如火电厂）的调峰压力。

六、化学储能未来在分布式发电及微网中的应用

1. 解决可再生能源分布式电源带来的电压波动问题

当分布式电源为风电、光伏等可再生能源时，特别是该可再生能源的容量大到一定比例后，由于风电等输出的波动性，电网的电压波动范围会变大，有可能会造成局部负荷的过电压情况。通过加装储能装置可控制负荷和有功功率的平衡，从而达到控制电压稳定的目的。

2. 微网运行

微网是分布式发电的一种特殊情形，即在电网正常供电的情况下，局部负荷主要从电网取电。但当电网出现故障断电时，微网可以脱离电网独立运行，从而提高了用电的可靠性。当微网中的分布式电源为风电、光伏发电时，这时必须借助储能设备来调节供电和负荷之间的关系，维持微网频率和电压的稳定。