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 1引言
    目前，全球風電、光伏發電等間歇性能源發電發展迅速，已經成為電力系統的重要組成部分，但由于間歇性能源本身波動性和隨機性的特點，愈來愈成為制約新能源發展的障礙，隨著新能源發電規模的繼續擴大，這個問題將顯得更為迫切。將富余的能量儲存起來，用能高峰期再釋放出來，是解決新能源間歇性的重點。峰會上業界已經取得的共識是：儲能正是從根本上解決可再生能源發電接入問題的最有效途徑，通過儲能系統來彌補可再生能源發電的間歇性和不穩定性缺陷，從而實現可再生能源電力平滑并入電網[2]。

    儲能技術的應用前景廣闊，并有望得到國家大力支持，科技部發布了的《國家“十二五”科學和技術發展規劃》把儲能作為戰略必爭領域。儲能技術將為改變現有的電網發展模式提供了可能，未來有望大范圍應用。

    2儲能技術發展現狀
    2.1國外儲能技術最新發展
    近些年來，世界先進儲能技術得到了各國大力支持，不斷發展，取得了大量成果。年來，日本、美國以及歐洲等發達國家對電池儲能技術投入較大，技術領先。日本在鈉硫電池的研究與應用方面走在世界前列。

    蓄電池儲能方面，2001 年，加拿大VRB Power Systems 公司在南非建造了250 kW 的全釩液流儲能電池示范系統，實現了全釩液流儲能電池的商業化運營。VRB Power Systems 公司為澳大利亞Hydro Tasmania on King Island 公司建造的與風能發電配套的全釩液流儲能電池于2003 年11 月完成，該系統儲能容量為800 kWh，輸出功率為250 kW。2004 年2 月，VRB Power Systems 公司又為castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了輸出功率250 kW，儲能容量2 MWh 的全釩液流儲能電池系統。2006 年底該公司開始為愛爾蘭建設迄今為止國際上最大的額定輸出功率2 MW(脈沖輸出功率3 MW)，儲能容量12 MWh 全釩液流儲能電池系統。美國利用日本住友電氣工業公司和VRB Power Systems 公司的技術，分別建立了2 MW 和6 MW的全釩液流儲能電池示范運行系統[3]。

    2003年日本NGK公司生產的鈉硫電池產量為30MW，到2005年達到48MW(960個模塊)，2008年達到90MW的規模(1800個模塊)，2010年的發展計劃為年產150MW。在全球已建成100余座鈉硫電池儲能站。2009年，歐盟斥資3千萬歐元在芬蘭聯合建立了世界上最先進的蓄電池實驗室，電池兼容智能管理和監控系統，預計到2012年完成100mAh產品量的擴大。日本日立將在北美市場推出長壽命鉛酸電池，將用于可再生能源并網。該產品已在日本上市，并在8個項目上取得成功。放電時間1-4小時，使用壽命15-17年，可循環利用。美國通用電氣投資1.6億美元研發專門用于電力系統的特殊Duration鈉鹵電池系統，使用壽命20年。能在極端溫度條件下發揮最佳性能，不會產生任何有毒化學物質排放，并擁有遠程監控功能，可回收利用。美國Axion Power國際公司獲得賓夕法尼亞州能源開發局撥款248650美元，用于研究智能電網能量存儲系統，致力于研發使用少量鉛的鉛酸電池技術，該種電池可提供與超導儲能相似的高速傳輸速度，具有更快的充電時間和更長的使用壽命，用于含風能、太陽能綜合系統中。

    超導儲能，美國能源部克魯克海文國家實驗室、ABB公司、Super Power公司、休斯頓大學獲得420萬美元聯邦資金、105萬美元配套資金，以用于研究先進的超導儲能系統。美國Beacon電力公司得到能源部4300萬擔保貸款，用于紐約州Stephentown 20MW新型能量存儲概念工程。

    壓縮空氣儲能，美國太平洋燃氣與電力公司、PG&E公司得到政府資助2500萬美元，美國太平洋燃氣與電力公司、PG&E公司將進行一個30萬千瓦壓縮空氣儲能項目的可行性研究，PG&E公司將把資金用于項目一期工程，包括許可、聯網和電廠設計，項目預計建設耗時15年[4]。

    飛輪儲能方面，日本已經制造出界上容量最大的變頻調速飛輪蓄能發電系統(容量26.5MVA，電壓1100V，轉速510690r/min，轉動慣量710t·m2)。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統。飛輪重172.8kg，工作轉速范圍11，610—46，345rpm，轉速為48，784rpm，系統輸出恒壓110-240V，全程效率為81%。經濟分析表明，運行3年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術在美國發展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉時的能量損耗達到0.1%每小時。歐洲的法國國家科研中心、的物理高技術研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統研究[5]。

    2.2中國儲能技術發展[3]
    在大規模電池儲能裝置技術方面，我國起步較晚，與國外發達國家還有較大差距，主要表現在：一是設備容量規模還較小;二是設備的壽命短、利用效率低;三是設備的智能化水平薄弱。在儲能應用方面我國距國外先進水平差距也很大，國外已經有數十套儲能電站投入運行，國內還沒有大容量電池儲能裝置的示范工程投入運行。

    目前，我國電池儲能的應用規模還很小，但隨著國家能源政策的調整和節能環保政策逐步落實，其應用規模預計也將逐步擴大。上海市電力公司已經建設包括漕溪站、前衛站、白銀站三個儲能示范電站，電力調度中心可以直接通過電網儲能管理系統對分布于各地的儲能站實施統一調度與遠程監控。BYD 在深圳龍崗建立了一座1 MW(4MWh)儲能電站。

    2.3 相關專利申請狀況[6]
    隨著先進儲能產業的迅猛發展，其相關專利申請數量也急劇增加。日本、美國和中國是先進儲能專利申請最多的國家，也是市場開拓最大的地區，占據了世界先進儲能技術領域專利申請的前3位。國際先進儲能技術的研發重點領域主要包括燃料電池輔助裝置方法、燃料電池零部件、活性材料組成或包括活性材料的電極、用催化劑活化的惰性電極、燃料電池及其制造等領域。

    我國儲能技術專利申請在96年之前增長緩慢，主要是由于缺乏與國際的技術交流，以及本身發展緩慢造成，加入WTO之后，國外企業與研究機構意識到中國已經成為國際儲能領域的重要市場，紛紛在國內申請專利技術，國內自主研發申請的專利比重曾一度降至最低點。但隨著近年來國內新能源、智能電網、電動汽車技術的不斷進步，技術創新能力不斷提高，國內企業與研究機構申請的專利比重逐年增加。

    3 儲能技術的分類
    3.1飛輪儲能[7,8]
    飛輪儲能是指驅動電機帶動飛輪旋轉將電能以機械能的形式儲存起來，在整個電能的存儲和釋放過程中都利用了電力電子轉換技術。飛輪儲能密度的大小是由飛輪轉子轉速大小決定的。以目前的最好的碳素纖維復合材料來說，這種材料的飛輪轉子可以承受的最大線速度達到 1000m/s 以上，儲能密度可達到 230Wh/kg，預計正在研制的熔融石英材料的飛輪儲能密度可達到 800Wh/kg，碳納米管材料將使飛輪的儲能密度提高到 2700Wh/kg。隨著超導塊材的發展，采用超導磁懸浮軸承的飛輪儲能可以將軸承的摩擦系數降低到10-7，儲能能量密度和效率都得到了很大的提高。

    飛輪儲能的主要優點有：
    1)儲能密度高;比超導磁儲能、超級電容器儲能和一般的蓄電池都要高。
    2)充放電時間短，且無過充放電問題，壽命長;飛輪儲能充電只需要幾分鐘，
    而不像化學電池需要幾個小時的充電時間。飛輪儲能系統的壽命主要取決于其電力電子的壽命，一般可達到 20 年左右。
飛輪儲能技術廣泛應用的主要瓶頸有：
    a) 技術成本相對于蓄電池來說比較高;
    b) 軸承材料還有待進一步的突破;
    c) 自放電現象很嚴重。

    3.2超導磁儲能(SMES)[7]
    SMES 是指利用超導線圈繞制的電感來儲存電能，因為超導的零電阻特性使其具有超過常導 2個數量級的通流能力，所以SMES具有比較大的儲能密度，能量密度可達 108J/m3量級，而且通過直流電流時沒有焦耳損耗。在 SMES 中超導線圈的能量是以直流形式存儲，參與電網的功率調節是通過變流器實現與電網的能量交換的方式。SMES 裝置一般由超導磁體及低溫杜瓦、變流系統、制冷設備和測控系統四個主要部件組成。

    相比其他儲能 SMES 具有以下幾個特點：
    (1)響應速度快，可以達到 1~5ms，這是其他的儲能達不到的響應速度，這樣對電網發生的故障可以很快做出反應，進行功率的補償;
    (2)通過變流器可以進行四象限可控的功率交換，并可以同時進行有功和無功的交換;
    (3)可以短時間輸出很高的功率，能量損失小，系統效率高;輸出的功率密度很高，由于沒有直流電阻引起的焦耳熱，能量效率很高，理想可以達到 95%以上。
目前 SMES 廣泛應用的主要問題關鍵還在于超導材料的突破，包括材料的性能和成本等;以及低溫制冷技術的進步。

    3.3超級電容器
    普通電解電容器由于材料和容量原因，其存儲能量過小，所以不能用作大的儲能應用。超級電容器的存儲容量可以達到普通電容器103倍以上。由于超級電容器自身的雙電層和內阻較大的特點，使其具有很高的功率密度和較長的循環壽命。與蓄電池和普通電容器相比，超級電容器的特點主要體現在：
    1)功率密度很高：可達102~l05W/kg，遠超過現有蓄電池的功率密度水平;
    2)循環壽命較長：在上萬次很短時間的高速深度循環后，超級電容器的性能依然變化很小，容量和內阻僅降低 10%~20%;
    3)工作溫度范圍：由于超級電容器中離子的吸脫附速度在低溫下變化很小，市場上商業化超級電容器的工作溫度范圍可達-30~60℃;
    4)綠色環保：在超級電容器的生產過程中避免了使用重金屬等有害的化學物質，因而是一種新型的綠色環保儲能裝置。
目前超級電容器的應用比較廣泛，但在使用安全和穩定上還有待加強。

    3.4蓄電池儲能
    在電網中應用的儲能蓄電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池。原理都是將電能轉化為化學能儲存起來，等需要時再將化學能轉化為電能來使用。鉛酸蓄電池發展使用的時間比較長，技術也較成熟，并逐漸進入以密封型免維護產品為主的階段，而且成本較低，能量密度則在各類電池中處于適中水平。在環境影響上，基于密封閥控型的鉛酸電池也具有較高的運行可靠性，只是能量密度較一般，其劣勢已不甚明顯。
    但是相比鉛酸電池，鈉硫電池和液流電池具有其它化學電池不具備的優點：
    1)存儲容量更大，可以達到幾百千瓦甚至上兆瓦，是普通鉛蓄電池的8~10倍;
    2)鈉硫電池和液流電池無污染，不會對環境有影響;
    3)壽命高，穩定性好。
    缺點就是工作環境需要較高溫度，達 300℃~500℃，技術還有待進一步完善。

    3.5 其他儲能方式[9]
    其他儲能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個水庫，對建站地點要求苛刻，但是運行簡單，可靠且使用期較長[10]。CASE電站建設投資和發電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，響應速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[11]。熱能存儲常和STES(solar thermal electric steam)電廠結合起來，這種儲能方式比較可靠，成本相對低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉換效率分別為90%和80%。水蓄冷優點是不改變制冷機的空調工況，但水的蓄冷密度(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統運行管理方便，能為系統提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點是需要較大的制冷量[12]。

    4 儲能系統在微網中的應用[13]
    配電網主要面向電力負荷直接供電，且現階段用戶對電能質量和電力品質的要求越來越高，以及環境和政策因素使這種傳統的大電網已經不能很好地滿足各種負荷的要求，儲能技術為解決這一問題提供了新的路徑。儲能系統在微電網中有非常大的市場前景，對電網的電能質量、電網穩定性以及供電可靠性都有很大的提升。

    4.1提供短時供電
    微電網存在兩種典型的運行模式：并網運行模式和孤島運行模式。在正常情況下，微電網與常規配電網并網運行;當檢測到電網故障或發生電能質量事件時，微電網將及時與電網斷開獨立運行。微電網在這兩種模式的轉換中，往往會有一定的功率缺額，在系統中安裝一定的儲能裝置儲存能量，就能保證在這兩種模式轉換下的平穩過渡，保證系統的穩定。在新能源發電中，由于外界條件的變化，會導致經常沒有電能輸出(光伏發電的夜間、風力發電無風等)，這時就需要儲能系統向系統中的用戶持續供電。

    4.2電力調峰
    由于微電網中的微源主要由分布式電源組成，其負荷量不可能始終保持不變，并隨著天氣的變化等情況發生波動。另外一般微電網的規模較小，系統的自我調節能力較差，電網及負荷的波動就會對微電網的穩定運行造成十分嚴重的影響。為了調節系統中的峰值負荷，就必須使用調峰電廠來解決，但是現階段主要運行的調峰電廠，運行昂貴，實現困難。

    儲能系統可以有效地解決這個問題，它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時回饋給微電網以調節功率需求。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環節，其作用越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負荷而安裝的發電機組，同時充分利用了負荷低谷時機組的發電，避免浪費。

    4.3改善微電網電能質量
    微電網要作為一個微源與大電網并網運行，必須達到電網對功率因數、電流諧波畸變率、電壓閃變以及電壓不對稱的要求。此外，微電網必須滿足自身負荷對電能質量的要求，保證供電電壓、頻率、停電次數都在一個很小的范圍內。儲能系統對于微電網電能質量的提高起著十分重要的作用，通過對微電網并網逆變器的控制，就可以調節儲能系統向電網和負荷提供有功和無功，達到提高電能質量的目的。

    對于微電網中的光伏或者風電等微電源，外在條件的變化會導致輸出功率的變化從而引起電能質量的下降。如果將這類微電源與儲能裝置結合，就可以很好地解決電壓驟降、電壓跌落等電能質量問題。在微電網的電能質量調節裝置，針對系統故障引發的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題，此時利用儲能裝置提供快速功率緩沖，吸收或補充電能，提供有功功率支撐，進行有功或無功補償，以穩定、平滑電網電壓的波動。

    4.4提升微電源性能
    多數可再生能源諸如太陽能、風能、潮汐能等，由于其能量本身具有不均勻性和不可控性，輸出的電能可能隨時發生變化。當外界的光照、溫度、風力等發生變化時，微源相應的輸出能量就會發生變化，這就決定了系統需要一定的中間裝置來儲存能量[14]。如太陽能發電的夜間，風力發電在無風的情況下，或者其他類型的微電源正處于維修期間，這時系統中的儲能就能起過渡作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求。

    5儲能系統在風電并網中的應用[15]
    5.1利用儲能系統增強風電穩定性
    儲能系統具有快速吸收或釋放有功及無功功率的特點，對改善系統的功率平衡狀況以及提高電力系統的運行穩定性都有很大幫助。據目前的研究和仿真結果顯示，超導儲能和超級電容儲能系統對降低并網處風電的電壓波動和平抑風電場輸出的波動具有很好的效果，同時還能起到增強系統運行穩定性的作用。

    另外風電的穩定還表現在風電場輸出功率的穩定及頻率穩定性，目前這方面問題的研究主要集中在利用儲能系統來平抑風電輸出功率頻率波動。根據現在學者的很多理論和試驗研究結果，儲能系統確實能有效的改善風電系統頻率穩定性，且儲能系統容量越大響應速度越快效果越好。

    故增強風電并網系統的穩定性就需要儲能系統具有快速響應的能力，如SMES、飛輪儲能、超級電容儲能等儲能方式，因為暫態過程中系統的各參量變化很快，因此就需要儲能裝置能夠快速補償功率不平衡量，增強系統穩定性，上述提到的幾種儲能方式響應速度可以達到1-20ms，在提高穩定性的應用中對儲能系統容量的要求卻不高。

    5.2增強風電機組 LVRT 功能
    當在電力系統中風電容量所占比例較高時，風電機組是否具有低電壓穿越能力是影響系統穩定性很關鍵的一個因素。有低電壓穿越功能的風電機組在并網時如外部電網發生短路故障時，能夠有效解決故障所引起的電壓劇烈下降問題，起到增強系統的運行穩定性的作用。而機組的低電壓穿越功能可以通過在變流器直流部分并聯儲能系統實現，這種方式不僅能從根本上解決故障期間風電機組過電流燒壞轉子或變流器的問題，還可以很大程度上增強風電機組的低電壓引起機組退網運行的功能。

    5.3增強風電場功率穿越極限(WPP)
    影響 WPP 水平的因素與電網的結構和電網參數有關，如頻率和電壓穩定等因素，因此采用的儲能方式也就不盡相同。一般來說采取一定的控制策略下，飛輪儲能、電池儲能和超導儲能系統能通過與電網之間有功和無功功率的交換有效改善系統的頻率特性，改善并網處的電壓波動性，從而增加系統的WPP。

    5.4提高風電場供電質量
    在提高電能質量應用方面，儲能系統的主要作用是快速的與系統之間進行有功、無功功率交換，以此來有效改善電壓波動性，如電壓暫降、波形畸變及閃變等。另外，解決電壓波動、電壓暫降等電能質量問題主要是短時功率的動態補償，這就需要儲能系統具備ms級功率動態調節的能力，結合前面對幾種儲能方式的分析，SMES、超級電容儲能和飛輪儲能都滿足要求。

    5.5改善風電經濟性
    隨機波動的風電作為電源接入電網，將導致原有系統的備用容量增加，甚至還需要額外配備平衡穩定裝置，使得系統運行經濟性有所降低。在風電并網系統中應用儲能系統能夠得到很大的程度上的緩解，從而實現電網與風電場雙贏的目的。另外，在現今的電力市場環境下風電面臨著成本較高、供電質量不高等問題，導致競爭力較差，采用儲能系統配合風電場運行，對有效的解決緩解實現風電效益最大化是一個很好的途徑。

    6儲能研究發展趨勢
    現階段，各種儲能方法都不能完全兼顧安全性、高比功率、高比能量、長使用壽命、技術成熟以及工作溫度范圍寬等多方面的要求，各種儲能技術發展還很不成熟，因此可大規模應用于電網中的儲能技術還有很大的研究前景和發展空間。
    (1) 研發快速高效低成本的儲能電池：現階段成本過高是儲能技術大規模推廣運用的最大瓶頸，提高轉換效率和降低成本是儲能技術研發的一個重要。
    (2) 各種儲能技術的綜合應用：由于各種儲能方法均存在著一定的缺點或者局限性，并且由于本身的固有特性對其進行改進又要付出實現難易度以及成本上的代價，因此對各種方法有機結合則可以揚長避短，充分發揮各種方法的優點，實現能量和功率等方面的多重要求，并且可以顯著延長儲能元件的循環壽命，這也成為儲能研究的一個新熱點。
    (3) 儲能系統電網中應用的分析理論和方法：在充分理解含儲能裝置在電網的動態特性的基礎上，研究儲能裝置內部的復雜非線性電磁問題，以及儲能裝置和系統中元件之間的相互作用。
    (4) 研究有效的儲能系統控制策略：研究儲能系統和分布式系統綜合特性，穩態特性，暫態特性，充分利用儲能系統;提高傳統電源，新能源，負荷等數據數據共享，合理安排充放電時間，提高儲能系統利用效果。

    7 結語
    可以預見，未來電網定將會呈現出一個具有儲能環節的，以清潔能源為主、化石能源為輔，發電和輸電系統適度發展，用電安全性、靈活性和服務品質大幅提升，負荷調控系統合理配置，并輔之以高性能電力電子器件、柔性輸電、分布式電源、需求響應、清潔能源高效控制系統等先進技術的全新發展模式[16]。然而，僅依賴對間歇式新能源的精確預測和控制水平提升，并不能從根本上實現該類能源的綜合高效利用。只有將分布式發電與儲能技術的結合大大提高了系統的能源利用率，改善系統的穩定性、可靠性以及經濟性。因此，加快發展儲能技術，應作為未來電網的一個發展重點。