內容摘要 從電力系統安全高效運行的角度論述了電能存儲技術的重要性，介紹了目前常用的幾種儲能技術的發展現狀，指出了該領域當前的熱點研究問題。 現代電力系統中的新問題 安全、優質、經濟是對電力系統的基本要求。近年來，隨著全球經濟發展對電力需求的增長和電力企業市場化改革的推行，電力系統的運行和需求正在發生巨大的變化，一些新的矛盾日顯突出，主要的問題有[1]：①系統裝機容量難以滿足峰值負荷的需求。②現有電網在輸電能力方面落后于用戶的需求。③復雜大電網受到擾動后的安全穩定性問題日益突出。④用戶對電能質量和供電可靠性的要求越來越高。⑤電力企業市場化促使用戶則需要能量管理技術的支持。⑥必須考慮環境保護和政府政策因素對電力系統發展的影響。 2000年到2001年初，美國加州供電系統由于用電需求的增長超過電網的供電能力，出現了電力價格大范圍波動以及多次停電事故；我國自2002年以來，已連續四年出現多個省市拉閘限電的狀況；在世界上的其他國家和地區，也不同程度地出現了電力供應短缺的現象。系統供電能力，尤其是在輸電能力和調峰發電方面的發展已經落后于用電需求的增長，估計這種狀況還會在一段時間內長期存在，對電力系統的安全運行將帶來潛在的威脅。 加強電網建設（新建輸電線路和常規發電廠），努力提高電網輸送功率的能力，可以保證在滿足系統安全穩定運行的前提下向用戶可靠地輸送電能。但是，由于經濟、環境、技術以及政策等方面因素的制約，電網發展難以快速跟上用戶負荷需求增長的步伐，同時電網在其規?；l展過程中不可避免地會在一段時間甚至長期存在結構上的不合理問題；另一方面，隨著電力企業的重組，為了獲取最大利益，企業通常首先選擇的是盡可能提高設備利用率，而不是投資建設新的輸電線路和發電廠。因此，單靠上述常規手段難以在短時間內有效地扭轉電力供需不平衡的狀況。 長期以來，世界各國電力系統一直遵循著一種大電網、大機組的發展方向，按照集中輸配電模式運行。在這種運行模式下，輸電網相當于一個電能集中容器，系統中所有發電廠向該容器注入電能，用戶通過配電網絡從該容器中取用電能。對于這種集中式輸配電模式，由于互聯大系統中的電力負荷與區域交換功率的連續增長，遠距離大容量輸送電能不可避免，這在很大程度上增加了電力系統運行的復雜程度，降低了系統運行的安全性。 目前，電力系統還缺乏高效的有功功率調節方法和設備，當前采用的主要方法是發電機容量備用（包括旋轉備用和冷備用），這使得有功功率調控點很難完全按系統穩定和經濟運行的要求布置。某些情況下，即使系統有充足的備用容量，如果電網發生故障導致輸電能力下降，而備用機組又遠離負荷中心，備用容量的電力就難以及時輸送到負荷中心，無法保證系統的穩定性。因此，在傳統電力系統中，當系統中出現故障或者大擾動時，同步發電機并不總是能夠足夠快地響應該擾動以保持系統功率平衡和穩定，這時只能依靠切負荷或者切除發電機來維持系統的穩定。但是，在大電網互聯的模式下，局部的擾動可能會造成對整個電網穩定運行的極大沖擊，嚴重時會發生系統連鎖性故障甚至系統崩潰。美國和加拿大2003年8月14日發生的大停電事故就是一個慘痛的教訓。如果具有有效的有功和無功控制手段，快速地平衡掉系統中由于事故產生的不平衡功率，就有可能減小甚至消除系統受到擾動時對電網的沖擊。 在現代電力系統中，用戶對于電能質量和供電可靠性的要求越來越高。沖擊過電壓、電壓凹陷、電壓閃變與波動以及諧波電壓畸變都不同程度地威脅著用戶設備特別是敏感性負荷的正常運行。電力市場化的推行也促使電力供應商和用戶一起共同尋求新的能量管理技術支持，以提高電網運行的安全性和經濟性。 基于儲能技術的解決方案 能量存儲技術可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法。這種方法在早期的電力系統中已經有所應用，例如在19世紀后期紐約市的直流供電系統中，為了在夜間將發電機停下來，采用了鉛酸蓄電池為路燈提供照明用電。隨著電力技術的發展，抽水儲能電站被用來進行電網的調峰。抽水蓄能電站在夜晚或者周末等電網負荷較小的時間段，將下游水庫的水抽到上游水庫，在電網負荷峰值時段，利用上游水庫中的水發電，補充峰荷的需求。在美國，抽水蓄能機組容量約占總裝機容量的3％，而在日本則超過了10％[2]。 儲能技術目前在電力系統中的應用主要包括電力調峰、提高系統運行穩定性和提高供電質量。 各種形式的儲能電站可以在電網負荷低谷的時候作為負荷從電網獲取電能充電，在電網負荷峰值時刻改為發電機方式運行，向電網輸送電能，這種方式有助于減少系統輸電網絡的損耗，對負荷實施削峰填谷，從而獲取經濟效益。另一方面，和常規的發電機和燃氣輪機相比，這種方式在成本方面具有很大的優勢。它在電網低谷時刻使用電能，用電成本較低，不像柴油發電機或者燃氣輪機那樣需要消耗高成本的燃料。為了實現效益最大化，合理選擇儲能電站的位置非常重要[3]。 儲能裝置用于電力調峰，需要裝置具有較大的儲能容量。顯然，容量越大，制造和控制越困難。但是，如果將儲能裝置用于系統穩定控制，就有可能采用小容量的儲能，通過快速的電能存取，實現較大的功率調節，快速地吸收“剩余能量”或補充“功率缺額”，從而提高電力系統的運行穩定性，目前的研究包括頻率控制、快速功率響應、黑啟動等。 將儲能電站用于用戶側，可以提高電能質量，增強系統的供電可靠性。從技術上來說，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。 儲能電站工程通常都是由各自的投資企業全權負責運行管理。實際經驗表明，這種電站的工程設計與制造、現場安裝以及運行維護等費用都超過了預想值。因此，儲能系統制造商轉而尋求另外一種系統解決方案，即分布式儲能（DES）系統[4]。 對于供電緊張的電力系統來說，分布式儲能技術可望提供最佳的解決方案，這是因為：①分布式儲能系統是模塊化的，可以快速組裝，現場安裝費用低。②由于模塊化的靈活性，當某一地區負荷需求增加時，采用分布式儲能系統代替建設地區發電廠效果更好。③分布式儲能系統不會增加電力系統在環境保護方面的壓力，而且有助于減少主力電廠以及分布式發電設備的化石燃料消耗和廢氣排放。④分布式儲能系統一般具有更高的能量轉換效率以及更快的響應速度。⑤采用分布式儲能系統可以提高現有發電和輸配電設備的利用率和運行經濟性。⑥大多數采用新技術的分布式儲能系統都能很容易地實現多功能。 分布式儲能系統可以有三種方式幫助實現對用戶可靠供電：①在關鍵時刻輔助供電或者傳輸電能。②將對供電負荷需求從峰值時刻轉移到負荷低谷時刻。③在強制停電或者供電中斷的情況下向用戶提供電能。 從增強系統運行穩定性和提高電能質量的角度看，分布式儲能具有更大的優勢，按照系統運行的要求來布置儲能裝置，可以得到更好的控制效果[5]。 表1總結了儲能系統在電力系統中的應用領域。 儲能技術的發展現狀 儲能技術在包括電力系統在內的多個領域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內的電力工業重組給各種各樣的儲能技術帶來了新的發展機遇，采用這些技術可以更好地實現電力系統的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式發電領域，這種作用尤為明顯，在傳統的發電和輸配電網絡中，這些新技術同樣可以得到應用。以下簡要介紹各種儲能技術的基本原理及其發展現狀。 1 抽水儲能（Pumped Hydro Storage）[6，7] 抽水蓄能電站在應用時必須配備上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段，抽水儲能設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時，抽水儲能設備工作于發電機的狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電。一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進行電力調度。利用礦井或者其他洞穴實現地下抽水儲能在技術上也是可行的，海洋有時也可以當作下游水庫用，1999年日本建成了第一座利用海水的抽水蓄能電站（Yanbaru，30MW）。 抽水儲能最早于19世紀90年代在意大利和瑞士得到應用，1933年出現了可逆機組（包括泵水輪機和電動與發電機），現在出現了轉速可調機組以提高能量的效率。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70％至85％之間。 抽水儲能是在電力系統中得到最為廣泛應用的一種儲能技術，其主要應用領域包括能量管理、頻率控制以及提供系統的備用容量。目前，全世界共有超過90GW的抽水儲能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3％。限制抽水蓄能電站更廣泛應用的一個重要制約因素是建設工期長，工程投資較大。 2 采用不同化學物質的先進蓄電池儲能（Battery Storage）[6，8，9] 據估計，全球每年對蓄電池的市場需求大約為150億美元，在工業用蓄電池方面，如：用于UPS、電能質量調節、備用電池等，其市場總量可達50億美元。在美國、歐洲以及亞洲，正在組建生產電力系統儲能用的高性能蓄電池企業。在過去的12至18個月里，已有生產能力達每年300MW的蓄電池生產線投入運行。 鉛酸電池是最古老、也是最成熟的蓄電池技術。它是一種低成本的通用儲能技術，可用于電能質量調節和UPS等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領域中的應用。ZnBr電池在20世紀70年代早期由Exxon開發成功，經過多年的研究和發展，已經建成了很多容量為數千瓦時的ZnBr電池儲能系統并經過試驗，其凈效率為75％。20世紀80年代初期澳大利亞新南威爾士大學率先研制，j出VRB（Vanadium Redox Flow Battery)電池，目前，在日本已安裝了一套50