目前我國擁有全球最大的能源系統(tǒng)（生產(chǎn)和消費(fèi)），其中非化石能源在一次能源中所占的比例僅為15%左右。要實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的目標(biāo)，開發(fā)利用以太陽能和風(fēng)能為代表的可再生能源已成為當(dāng)務(wù)之急。隨著能源革命進(jìn)程加快推進(jìn)，新能源迎來爆發(fā)式增長，預(yù)計(jì)到2030年和2060年，我國新能源發(fā)電量占比將分別超過25%和60%。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是目前主流新能源發(fā)電技術(shù)，由于易受外界自然條件干擾，風(fēng)電和光伏均表現(xiàn)出顯著的功率間歇波動(dòng)性，給電力系統(tǒng)帶來巨大干擾。隨著風(fēng)光等間歇性新能源在電力系統(tǒng)中滲透率不斷提高，新型電力系統(tǒng)必然面臨著較為嚴(yán)重的功率波動(dòng)問題。大力發(fā)展先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)可再生能源消納、提升電力系統(tǒng)靈活性能具有重要意義。

 

一方面，為平抑新能源的功率波動(dòng)，支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)與分布式新能源開放接入，在改造傳統(tǒng)火電、提升其靈活性的同時(shí)，有必要開發(fā)多角度、多層次、多尺度的儲(chǔ)能技術(shù)，為突破新型電力系統(tǒng)傳統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力的瓶頸構(gòu)建適用于多場(chǎng)景的完善儲(chǔ)能體系。從電源側(cè)將儲(chǔ)能與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，組成一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)和釋放入網(wǎng)，使間歇性可再生電力能源變成穩(wěn)定、安全、高效的清潔能源。與此同時(shí)，風(fēng)、光等新能源面對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷擾動(dòng)難以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，且其功率幅值在日周期內(nèi)變化巨大。具備靈活雙向調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能電站能夠與電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)頻調(diào)峰控制深度結(jié)合，兼顧電網(wǎng)功率平衡和發(fā)電成本，為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段，成為智能電網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。

 

另一方面，大量先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網(wǎng)，是推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源更替的關(guān)鍵技術(shù)，可促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)開放共享和靈活交易，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同，是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動(dòng)電力體制改革和促進(jìn)能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎(chǔ)。因此，先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)建設(shè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合的智能化、數(shù)字化新型電力系統(tǒng)具有重要意義。

 

 

儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，具體包括抽水蓄能、化學(xué)電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪、超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁系統(tǒng)以及氫能、儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱等。近年來全球范圍內(nèi)建設(shè)了數(shù)百項(xiàng)兆瓦級(jí)及以上規(guī)模的儲(chǔ)能示范工程，截至2020年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到191.1吉瓦，中國已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為35.6吉瓦。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，由于在儲(chǔ)能規(guī)模、安全性和經(jīng)濟(jì)性等多項(xiàng)指標(biāo)上的優(yōu)越表現(xiàn)，抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣、飛輪等儲(chǔ)能技術(shù)受到重點(diǎn)關(guān)注。

 

 

抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，具有規(guī)模大、壽命長和運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。截至2020年底，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)中抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大達(dá)到172.5吉瓦，占比為90.3%；我國抽水儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到31.79吉瓦，占中國儲(chǔ)能項(xiàng)目的89.3%。抽水蓄能技術(shù)的主要發(fā)展方向是電站關(guān)鍵部件的能效性能提升、系統(tǒng)控制優(yōu)化以及與廠網(wǎng)間的智能聯(lián)動(dòng)。許多專家學(xué)者提出了地下抽水蓄能的概念，可將環(huán)境影響降至最低，是極具潛力的未來儲(chǔ)能系統(tǒng)。南方電網(wǎng)主持的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究項(xiàng)目”關(guān)鍵成果“波浪擾動(dòng)環(huán)境下可變速抽水蓄能機(jī)組實(shí)證平臺(tái)”在2021年5月通過專家評(píng)審會(huì)。相信隨著越來越多的新型抽水蓄能技術(shù)的研發(fā)，會(huì)有更多的示范性項(xiàng)目為未來商業(yè)化推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗(yàn)。

 

 

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的大力發(fā)展，其核心部件電池產(chǎn)業(yè)也得到重視和研究，進(jìn)而帶動(dòng)了電池儲(chǔ)能電站的大發(fā)展。采用電池的儲(chǔ)能電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大，在儲(chǔ)電市場(chǎng)占比中僅次于抽水蓄能。目前在儲(chǔ)能特別是儲(chǔ)電領(lǐng)域是以抽水蓄能為主、以電池儲(chǔ)能為輔的局面。截至2020年底，全球電化學(xué)儲(chǔ)能的裝機(jī)規(guī)模達(dá)14.2吉瓦，占比為7.5%。從技術(shù)分布上看，全球電化學(xué)儲(chǔ)能中鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，達(dá)到了13.1吉瓦，電化學(xué)儲(chǔ)能和鋰離子電池的累計(jì)規(guī)模均首次突破10吉瓦大關(guān)。我國電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3.28吉瓦，占比9.2%，新增裝機(jī)功率規(guī)模達(dá)到1.56吉瓦，年新增首次突破1吉瓦，排名世界首位，增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抽水儲(chǔ)能?，F(xiàn)階段電池技術(shù)仍然處于快速提升階段，鋰離子電池是除抽水蓄能之外，應(yīng)用占比最高的儲(chǔ)能技術(shù)，但也存在安全隱患較大、成本較高、控制技術(shù)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。新型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，如鈉離子電池的應(yīng)用將會(huì)擴(kuò)大。“十四五”期間，電化學(xué)儲(chǔ)能將以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全化、低成本和長壽命為主攻目標(biāo)。

 

 

壓縮空氣儲(chǔ)能是利用空氣作為介質(zhì)，具有規(guī)模大、壽命長和運(yùn)維費(fèi)用低的特點(diǎn)。改進(jìn)的絕熱型和噴汽增焓型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有可擴(kuò)展性、環(huán)保性和高儲(chǔ)能效率等優(yōu)點(diǎn)，且可以避免化石燃料的使用，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更為顯著。理想情況下壓縮空氣儲(chǔ)能效率可達(dá)70%以上，建設(shè)成本為3000元～4000元/千瓦，甚至可以與抽水蓄能比較成本競爭力，同時(shí)還具有充分的位置靈活性。目前商業(yè)化運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站有兩個(gè)，分別為德國Huntorf電站和美國McIntosh電站。由于良好的應(yīng)用前景，當(dāng)前各國政府均大力支持壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究。2019年，國際首套10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)在中國通過科技部驗(yàn)收；另外，國際首套100兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目在張家口正式開工，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與示范”將于2021年完成驗(yàn)收。中國的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將由理論和示范轉(zhuǎn)為小范圍商業(yè)化應(yīng)用，隨著分布式新能源發(fā)電的進(jìn)一步爆發(fā)，中小規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目將會(huì)在未來得到更大范圍發(fā)展。

 

國家能源局于2021年4月發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，提出：“堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化，推動(dòng)鋰離子電池等相對(duì)成熟新型儲(chǔ)能技術(shù)成本持續(xù)下降和商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期，加快飛輪儲(chǔ)能、鈉離子電池等技術(shù)開展規(guī)?；囼?yàn)示范，以需求為導(dǎo)向，探索開展氫儲(chǔ)能及其他創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。”再次明確不同的儲(chǔ)能技術(shù)將針對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景、滿足不同時(shí)長和頻率的儲(chǔ)能要求，提出了需要開展儲(chǔ)能技術(shù)多元化發(fā)展的目標(biāo)。

 

建設(shè)多元化儲(chǔ)能系統(tǒng)以滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求

 

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率不平衡現(xiàn)象是具有多樣性、不同時(shí)間尺度和顯著層次性的，其成因包括新能源發(fā)電隨機(jī)性、負(fù)荷擾動(dòng)以及突發(fā)故障等多種因素，且表現(xiàn)出秒級(jí)、分鐘、小時(shí)乃至季度等多種級(jí)別的時(shí)間尺度。新型電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)需要及時(shí)平衡新型電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)，同時(shí)配合電網(wǎng)調(diào)節(jié)策略，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具備三大功能。

 

1）大容量：儲(chǔ)能系統(tǒng)功率支援能力必須能夠覆蓋系統(tǒng)中新能源發(fā)電功率波動(dòng)最大差額，因此必須具備較大容量；

 

2）快速響應(yīng)：儲(chǔ)能系統(tǒng)一般進(jìn)行后發(fā)式功率支援，必須具備快速響應(yīng)能力；

 

3）多層次功率支援能力：新型電力系統(tǒng)中功率不平衡問題來源和特性極具多樣性，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)各種類型的功率不平衡現(xiàn)象均要具備強(qiáng)大的多層次支援能力。

 

單一技術(shù)結(jié)構(gòu)和控制策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)難以滿足上述要求，因此必須建設(shè)智能的多元化儲(chǔ)能系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為三個(gè)方面。

 

1）技術(shù)多樣性：任何一種儲(chǔ)能技術(shù)電站都具有其優(yōu)缺點(diǎn)，為滿足多樣化的功率支援需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含多種不同類型儲(chǔ)能電站，且各類儲(chǔ)能電站的容量配比與新型電力系統(tǒng)自身特性相契合。

 

2）功能層次化：為實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要具備多層次的功率支援能力。有必要制定針對(duì)性的控制策略，并對(duì)各種特性的儲(chǔ)能電站規(guī)劃不同的角色，使其在系統(tǒng)中發(fā)揮特定作用，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的層次化矩陣式的調(diào)節(jié)作用。

 

3）智能數(shù)字化：電力系統(tǒng)中的所有儲(chǔ)能電站受電網(wǎng)中樞控制，形成網(wǎng)絡(luò)化矩陣式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站優(yōu)化配置，功率支援優(yōu)化控制。以數(shù)字技術(shù)改變儲(chǔ)能電站傳統(tǒng)作業(yè)模式，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能電站規(guī)劃管理和科學(xué)決策，與數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)深度融合。

 

當(dāng)前，南方電網(wǎng)儲(chǔ)能電站以抽水蓄能電站占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)方興未艾。未來儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)將依托數(shù)字化新型電力系統(tǒng)建設(shè)，通過源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)一體化規(guī)劃優(yōu)化，多措并舉實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，支撐大規(guī)模新能源消納和復(fù)雜大電網(wǎng)控制，支撐能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，努力構(gòu)建資源“靈活可調(diào)”、潮流“柔性可控”、故障“韌性可愈”的智能電網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。