發布時間：2022-04-14所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：在碳中和背景下，需要構建以可再生能源為主體的新型電力系統。電源側儲能技術是有效緩解大規�？稍偕茉床⒕W壓力的重要技術手段，不但可以平滑間歇性可再生能源發電輸出，亦可提高火電機組調頻調峰能力，因而受到廣泛重視。為了更好地發展電源側儲能技術，需要
摘 要：在碳中和背景下，需要構建以可再生能源為主體的新型電力系統。電源側儲能技術是有效緩解大規�？稍偕茉床⒕W壓力的重要技術手段，不但可以平滑間歇性可再生能源發電輸出，亦可提高火電機組調頻調峰能力，因而受到廣泛重視。為了更好地發展電源側儲能技術，需要對現有儲能技術發展狀態及典型應用進行論述和梳理。對比分析了美國和中國電源側儲能技術的發展趨勢，介紹了主要電源側儲能技術發展現狀、典型示范應用、性能比較，并對電源側儲能技術在國內的發展前景進行展望。
關鍵詞：電源側儲能;可再生能源;電化學儲能;火電儲能聯合調頻;飛輪儲能;壓縮空氣儲能;蓄熱儲能;重力儲能;碳達峰;碳中和
0 引言
隨著全球能源互聯網建設的推進，光伏、風電等可再生能源發電將會迎來高速發展。而“十四五”期間將是我國實現碳達峰的關鍵期，提高可再生能源在總體能源結構中的比例是“十四五”期間能源行業的重要目標。我國一直是煤炭生產和消費大國，能源體系以化石能源尤其是高碳的煤炭為主[1]。值得欣慰的是，2012 年以來我國煤電裝機占總裝機的比重逐年下降，從2012年的65. 7%下降至 2019年的 52. 0%，2020年則歷史性地降低至 50. 0% 以下。我國能源動力體系也正由煤炭向多元化轉變。到 2050 年，我國非化石能源比重有望達到 78. 0%，但可再生能源大規模并網給電力系統帶來前所未有的挑戰，傳統火電機組也面臨著超低負荷深度調峰、頻繁啟停調峰等新形勢[2-4]。
儲能技術無疑是有效緩解大規�？稍偕茉床⒕W壓力的一種有效技術手段，其最早于19世紀90 年代在意大利和瑞士開始應用，早期多為抽水蓄能方式。近年來，儲能技術發展迅速[5]。儲能技術涉及領域非常廣泛，根據儲能過程涉及的用能形式，大致可分為物理儲能、化學儲能、電磁儲能、相變儲能;若按儲能方式細分，又可分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、鋰電池儲能、鉛酸電池儲能、超導儲能、超級電容儲能、中高溫蓄熱儲能等;根據應用場景，則可分為電網側儲能、電源側儲能、用戶側儲能[6]。其中，電源側儲能主要包括集中式新能源利用、調頻輔助服務應用、調峰輔助服務應用3種應用模式。集中式新能源利用模式在我國投運最為廣泛，主要集中于新能源裝機規模較大的省，如青海、甘肅、河北等。調頻輔助服務應用模式主要集中應用于火電機組占比較大的省市，最早應用于北京石景山熱電廠，目前推廣到山西、內蒙古、安徽等地。調峰輔助服務應用模式目前尚無實際應用案例。
主要分析了美國和中國電源側儲能技術近年來的發展趨勢，對可商業化的主要電源側儲能技術及國內典型投運項目進行介紹，并對電源側儲能技術在國內的未來發展進行展望。
1 美國電源側儲能市場發展現狀
近年來，美國發布一系列政策和稅收利好政策，再加上可再生能源并網規模的不斷增大，導致美國新增電化學儲能裝機容量呈井噴式增長[7]。圖 1和圖 2分別為全球和美國2016—2020年新增電化學儲能裝機容量。由圖可知，與2018年以來全球新增電化學儲能裝機容量增幅變緩趨勢不同，美國電化學儲能裝機容量自 2017 年開始較多年份均呈現了同比 50. 0% 以上的增長。2020 年美國新增電化學裝機容量首次達到了 GW 級，LS Power 公司建成了美國目前規模最大的電池儲能系統，容量達到 250 MW/250 MW·h。
電源側儲能和電網側儲能是美國近年來儲能容量增長的主力軍，與以下幾方面密切相關。
(1)電池單位容量造價降低，鋰電池組單位容量造價與2010年相比下降約89. 0%，而鋰電池儲能是目前電化學儲能領域中占比最大的儲能形式[8]。
(2)2019年美國可再生能源發電量首次超過燃煤發電，提供了 23. 0% 的發電總量。預計 2050 年，可再生能源發電量將占發電總量的 38. 0%，導致美國近年來電源側儲能技術占比不斷增大。2018年，電源側新增電池儲能裝機量就已占到新增電池總裝機量的47. 0%，這也促使儲能產業快速增長。
(3)政策驅動方面，美國出臺了涉及戰略規劃、市場機制、稅收補貼等方面的一系列利好政策，部分州甚至直接出臺了針對儲能系統采購的強制要求。此外，在可再生能源發展政策方面，如加利福尼亞、夏威夷等州都明確了發展目標，確定或提出了 100. 0% 可再生能源的目標，未來可能將間歇性可再生能源轉化為全天候發電資源，這也給電源側儲能技術提供了更大的發展動力。電源側儲能技術特別是低溫壓縮空氣儲能、水基空氣電池等長時儲能技術在電力系統中的地位隨之提升。
2 中國電源側儲能市場發展現狀
與美國近年來儲能市場發展迅速相似，隨著可再生能源發電的大規模并網，我國近年來新增電化學儲能裝機容量也有較大規模增長。截至 2019 年年底，我國光伏發電裝機容量 206 GW，風電裝機容量 210 GW，光熱發電裝機容量 420 MW，新能源裝機占比已超過20. 0%[9]，正成為電力供應的主力[10]。此外，截至 2020 年 7 月底，我國投運、在建、中標的火電儲能聯合調頻項目已達 58 個。圖 3 為 2013— 2019年我國新增電化學儲能裝機容量。由圖可知，受益于“新能源+儲能”、火電儲能聯合調頻等電源側儲能技術的發展，電化學儲能裝機容量增幅明顯。2019 年增幅有所放緩，與以下幾方面因素有關。
(1)“新能源+儲能”模式的收益及投資模式尚不清晰，部分地區為了降低棄光棄風率，將儲能作為光伏/風電項目的必備配套設施，而未考慮儲能設施的實際收益率，企業投資儲能設施的積極性受到影響。
(2)火電儲能聯合調頻技術受制于調頻市場政策變化，早期建設的項目投資回報率較好，調頻輔助服務補貼達到 10 元/MW，投資回報期約為 2 年，而近年來投運的火電儲能聯合調頻項目投資周期明顯延長。此外，部分省份尚未出臺相應的補貼政策，限制了該技術的大規模推廣。
(3)電化學儲能的安全性問題日益凸顯，多次電化學儲能設施起火事故，一定程度上影響了企業對電化學儲能的應用。
與國外可再生能源發展模式不同，我國更重視基地型規模化可再生能源開發，對大規模電化學儲能的需求會更加顯著。2018 年國內最大的電源側電化學儲能項目魯能海西州多能互補集成優化示范工程(50 MW/100 MW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統)成功投運，可有效平滑輸出示范工程內 200 MW 光伏、400 MW 風電等間歇性能源的功率輸出曲線，是純 清 潔 能 源 綜 合 利 用 基 地 電 化 學 儲 能 的 典 型項目。
3 國內典型電源側儲能技術
目前，國內可投入商業化應用的儲能技術有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鋰電池儲能、鉛酸電池儲能、蓄熱儲能等[11]，其中除抽水儲能外均可應用于電源側儲能。此外，重力儲能也是近年來蓬勃興起的一種儲能技術[12]。
3. 1 電化學儲能技術
電化學儲能是電源側儲能領域最常見的一種儲能形式，目前可投入商業化應用的主要是鋰電池儲能和鉛酸電池儲能技術。隨著近年來國內可再生能源大規模并網和火電機組調頻輔助服務的需要，電化學儲能迎來高速發展。風電資源的不穩定性導致風機出力具有隨機性、波動性、間歇性等特點，有時甚至存在“反調峰特性”。而光伏發電盡管與負荷需求呈現一定的相關性，但無法有效滿足夜間增大的負荷需求[13]。圖 4和圖 5分別為某光伏并網項目配備儲能裝置前后的 24 h 輸出功率。由圖可見，配備儲能設備后，在白天上網電價較低時段，可有效降低項目輸出功率;而在夜間上網電價較高時段，可有效提高項目輸出功率。配備儲能系統后，不僅可平緩項目輸出功率，也可根據不同時段上網電價有效調節系統輸出功率。若配備合適的儲能系統容量，則可獲得較為可觀的投資收益。
火電機組輔助調頻服務是近年來興起的一種電源側電化學儲能技術的典型應用，在國外電力市場已應用多年，在國內正處于起步階段[14]。隨著國內電力現貨市場建設進展加快、火電機組輔助調頻服務需求旺盛，部分區域甚至開始嘗試建設區域性的調頻市場，以便更大程度地輔助配置服務資源[15]。大型火電機組配建設儲能系統無疑對推動區域調頻市場建設有重大意義。表1為國內已投運的部分火電儲能聯合調頻項目，由表可見，早期項目主要投運在內蒙古、山西等地。
近年來隨著華中、南方一系列調頻輔助服務政策出臺，廣東、江西等省火電儲能聯合調頻項目得到了快速發展[16-17]。部分機組實際運行表明，耦合儲能系統后，調頻綜合評判指標 Kp可由原來的 0. 7 提升至 2. 0 以上，儲能系統長期運行可用率超過 98. 0%，大幅提高機組在調頻市場的競爭力。此外，目前火電機組深度調峰已成為常態，超低負荷一次調頻性能可能會有所降低[18]，這就使得儲能系統的作用更為明顯�，F階段，國內火電機組輔助調峰服務尚屬空白，未來隨著電化學儲能技術的進一步成熟，輔助調峰服務必將開展。如江西新昌電廠調峰調頻二期規劃建設100 MW/400 MW·h儲能項目，建成后可有效提高機組的調峰能力。
3. 2 飛輪儲能技術飛輪儲能技術
具有有功與無功相對獨立、負荷響應迅速、無污染等特點[19]，近年來在電力系統中日益受到重視。該技術于 20 世紀 50 年代被提出，最早應用于電動汽車。從 20 世紀 90 年代開始，隨著轉子材料、支撐材料、電能變換技術取得重大突破，飛輪儲能技術也隨之取得重大進展，并在電力系統中最先被應用于電網側儲能。2011年，Beacon 電力公司20 MW電網側飛輪儲能項目在紐約投運，是飛輪儲能應用史上具有里程碑意義的事件。
目前，飛輪儲能技術在國內主要應用于數據中心、應急保障、電網側儲能調頻等領域。在電源側市場方面，2019年天津大港電廠開始建設國內首個飛輪儲能輔助火電機組調頻示范項目。一般而言，火電機組的調頻收益會隨著儲能系統的功率和容量增大而增大，但由于目前飛輪儲能系統造價高昂，不可能配套超大容量的飛輪儲能系統。文獻[20]的研究成果表明，按照目前的飛輪儲能系統造價，600 MW火電機組配套3. 015 MW/20. 374 MW·h 的儲能系統，可獲得最大收益。
3. 3 壓縮空氣儲能技術
由于抽水蓄能受到地理因素限制，因此壓縮空氣儲能被認為是最具發展潛力的大規模電力儲能技術。傳統的壓縮空氣蓄能是基于燃氣輪機開發的技術，目前德國、美國均已有壓縮空氣儲能電站投入商業化運營。世界上首座壓縮空氣儲能電站是德國的 Huntdorf 電站，機組容量 290 MW，其冷態啟 動 至 滿 負 荷 僅 需 6 min[21]。 1991 年 投 產 的 McIntosh 電站首次使用了回熱系統，存儲的壓縮空氣進入空氣透平前經過回熱器，吸收燃氣輪機排出的高溫煙氣余熱，有效提高了系統循環熱效率。但上述2個項目均需依賴天然氣等化石燃料補燃。
目前，隨著燃氣輪機容量的提高，壓縮空氣儲能電站也呈現出大型化趨勢。此外，壓縮空氣儲能與聯合循環機組耦合利用也是近年來的發展趨勢。圖6為一種壓縮空氣儲能系統與火電機組耦合利用的發電系統。由圖可見，該系統利用壓縮空氣儲能，在電網負荷需求較低時，采用部分中壓缸排汽驅動小汽輪機進而帶動空氣機，以減少低壓缸進汽量，快速降低系統輸出功率，實現能量在火電機組和壓縮空氣儲能之間傳遞;在電網負荷需求較高時，釋放壓縮空氣，驅動空氣膨脹機快速提高系統輸出功率。
2017 年我國首個鹽穴壓縮空氣儲能項目獲得批復，該項目一期配套60 MW非補燃式壓縮空氣儲能發電系統，最終規�？蛇_ 1 GW，建成后在規模和效率上均為國內壓縮空氣儲能系統的典范。
3. 4 蓄熱儲能技術
中高溫蓄熱儲能技術目前多應用在電源側，其應用場景主要是太陽能熱發電技術中的熔融鹽或者導熱油儲能。我國的太陽能熱發電項目均配備了 2~16 h 不等的儲能系統，可實現 24 h 不間斷發電[22-23]。預計到 2030年，太陽能熱發電成本可與燃煤發電相當，熔融鹽蓄熱量可達到150 GW·h [24]。此外，近年來火電機組深度調峰已成為常態，其中往往存在負荷調節能力不佳或供熱品質不能滿足熱用戶要求等問題，而中高溫儲能技術可以顯著改善機組的負荷調節或者供熱能力。
圖7為一種蓄熱儲能系統與火電機組耦合利用的發電系統，不同于現階段東北地區已投運的電儲能技術，該系統在需要快速降低機組負荷時將主蒸汽通過降溫降壓后存儲入蓄熱罐，可有效減少高、中、低壓缸蒸汽流量;當需要快速提高機組負荷時，則將蓄熱罐中存儲的蒸汽通過減溫減壓后進入再熱蒸汽管道，可有效增加中、低壓缸蒸汽流量，進而提高機組負荷調節能力。此外，蓄熱罐中存儲的蒸汽可在機組超低負荷運行時提供供熱蒸汽，亦可提高機組供熱能力。
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近年來，低溫蓄熱儲能技術也得到了初步發展，2018 年英國在曼徹斯特投運了 1 座 5 MW 低溫儲能設施，但要將其使用在電源側，仍需假以時日。
3. 5 重力儲能技術
重力儲能是一種簡單的物理儲能方式，其原理是當電網中電力富余時，驅動電動機將重物移至高處;當電網中需要電力時，利用重物下降驅動發電機發電。其主要優勢是儲能效率較高、負荷響應速度較快;主要缺點是能量密度較低、建設規模較大。瑞士 Energy Vault公司嘗試將該項技術商業化，1座 35 MW 的重力儲能系統將在印度投入運營，輸出功率峰值為 4 MW，可在電網側提供調頻輔助服務。此外，蘇格蘭 Gravitricity 公司也將建設 1 座 250 kW 的重力儲能系統。重力儲能在電源側應用方面目前尚無應用實例，但文獻[25]提供了一種山體儲能系統，只需在電源附近的山體上設置電力車及相應的軌道即可實現。將該系統與風電等間歇性能源耦合利用后，可以根據電網需要有效平滑風電場整體出力，實現電網對風電場的調度要求。該系統若與火電機組耦合利用，則可提高機組的調峰性能，增加機組的可利用小時數。
3. 6 典型電源側儲能技術性能比較
從單位造價、負荷響應速度、儲能效率、污染、應用安全、市場成熟度等方面對各典型電源側儲能技術性能進行比較，具體結果見表2。
4 結論與建議
未來國內可再生能源發電將成為主要的電力來源，電力系統需要應用儲能技術已成為共識，而電源側儲能無疑將在其中扮演重要角色。隨著風電、光伏等新能源發電成本不斷降低，未來限制新能源發展的不再是補貼而是消納，新能源與儲能的結合將更為迫切。此外，隨著電網對火電機組深度調峰要求及風電/光伏功率控制、一次調頻性能的嚴格考核，也急需耦合儲能技術。在國際上，多個國家在電化學儲能的基礎上開展壓縮空氣儲能等電源側新技術示范項目，國內也即將開展飛輪儲能等示范項目。盡管目前仍存在新材料技術難以突破、儲能商業模式不完善、新能源補貼力度下降等不利因素，但在碳達峰、碳中和戰略的引導下，電源側儲能行業必將迎來更為快速的發展。
綜合考慮電源側儲能行業發展前景，對電源側儲能技術發展方向提出以下建議。
(1)現階段飛輪儲能、重力儲能等技術主要受限于新材料研發，新儲能材料未來需要在能量密度、單位造價、應用安全性等方面取得突破。
(2)目前諸多電源側儲能項目未考慮到可再生能源的廣域自平滑特性，導致出現儲能項目布點位置不合理、容量配置過大等問題，未來需要在布點位置選取、容量配置、運行調控等方面進行優化，保障儲能項目高效、經濟運行。
(3)目前部分火電儲能聯合調頻項目經濟性不佳，急需從政策角度予以改善。這需要對電網進行頂層設計，建立更加合理的調頻服務購買和付費機制，保障輔助調頻項目收益在合理水平，進一步刺激火電儲能聯合調頻乃至聯合調峰技術發展。
(4)幾種電源側儲能技術除了電化學儲能、蓄熱儲能應用較為廣泛外，其他幾種技術目前仍處于示范應用階段。未來需要完善對電源側儲能技術投資引導，應根據不同電源、不同需求為目標，提供相適應的儲能技術建議。——論文作者：童家麟1 ，洪慶2 ，呂洪坤1 ，吳瑞康1 ，應光耀1
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