电力系统储能技术发展及应用现状

电力系统储能技术发展及应用现状
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第一节储能技术分类及特性
目前，电力系统储能技术主要分为以下四类：①机械储能②化学储能③电磁储能④相变储能
另外，电动汽车也是电力系统储能的一种形式。

一、机械储能
机械储能是电能与机械能之间的相互转换。

机械储能在能量转化过程中，会产生机械损耗；机械储能寿命一般较长，容量一般较大。

目前机械储能技术主要包括：抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能等。

不同机械储能有着较明显的技术特性上的差别。

（一）抽水蓄能
抽水蓄能电站包括上、下水库及地下电站、相应的输配电系统和其他附属设置等。

负荷低谷时段机电设备工作在电动机状态，将下水库的水抽到上水库，负荷高峰时段机电设备工作在发电机状态，利用储存在上水库中的水发电。

因此，抽水蓄能可将电网负荷低谷时段的多余电能，转变为电网高峰时段的稀缺电能。

抽水蓄能电站可以按照一定容量建造，装机容量可以从几十兆瓦到几千兆瓦，电能释放时间可以从几小时到几天，综合效率在70%~85%。

1. 技术特点
（1）储能容量大。

抽水储能电站特别适合大容量开发，装机规模可以达到1000MW以上，目前世界最大的抽水蓄能电站为我国的丰宁蓄能电站，完全建成后总装机容量将达到3600MW。

抽水储能的抽水或者放水发电的时间可以从几小时到几天不等，储能总规模远大于其他所有储能设备，是目前世界上规模最大的电力系统储能技术，主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。

（2）技术成熟、可靠。

抽水蓄能电站发展历史悠久，在世界各国得到广泛的发展应用，技术成熟、可靠。

我国抽水蓄能电站虽起步晚，
但由于常规水电开发技术基础雄厚，起点较高，蓄能电站发展较迅速，同时规划建设有序，建设水平目前已居世界先进水平。

（3）循环次数多，使用寿命长。

抽水储能电站一般使用年限在50年及以上，其蓄水坝体使用年限可达100年。

抽水蓄能在抽水或者放水过程中，只受到相关设备机械性能的限制，因此其充放电循环次数可以达到无限次。

（4）能量转换效率较高。

抽水储能储存能量时靠水泵抽水，释放电能时靠水推动水轮机发电，受水轮机（水泵）设备损耗以及外部输电线路损耗的限制、水库蒸发等因素的影响，其能量转换效率在70%~85%左右。

（5）经济指标好。

抽水蓄能电站单位千瓦投资较低，一般在3000~6000元，经济指标优越，是目前最经济的储能技术。

（6）建设周期较长，对场地条件有要求。

抽水储能电站的建设周期一般为3~5年。

电站选址对地质、地形条件及水环境等有要求。

2. 技术优势
抽水蓄能电站是国内外电力系统中应用最为广泛的储能电站，它具有两大特性：一是它既是发电厂，又是用户，它的填谷作用是其他任何大型发电站所没有的，详见表2-1；二是启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可以快速反应，除调峰填谷外，还适合承担调频、调相、紧急事故备用、黑启动和系统备用容量等。

与其它电源联合运行时，可提高系统中火电站和核电站等的效率。

2-1 各类大型电站运行特性一览表
项目蓄能电站燃煤火电燃气轮机
所承担负荷位置峰荷基荷、腰荷峰荷
调峰能力（%）100 30~50 100
填谷能力（%）100 0 0
开启特点每日启动√×√
每周启动√√√
静止~空载95s
空载~满载25s 2%~3%额定容量/min 6min~8 min
调频√√√
项目蓄能电站燃煤火电燃气轮机
调相√×√
旋转备用√√√
快速增荷√√√
3. 应用及发展情况
抽水蓄能技术是世界各国目前普遍采用的电力系统大规模储能技术，也是迄今最经济、高效的一种储能技术。

从1882年世界首座抽水蓄能电站在瑞士建成开始，世界一些发达国家相继开发了大量的抽水蓄能电站。

日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年代进入抽水蓄能电站建设高峰期。

目前，美国和西欧经济发达国家抽水储能装机容量占世界抽水蓄能电站总装机容量的55%以上，抽水蓄能电站资源已开发殆尽。

上述各国国内抽水蓄能电站装机容量比例较高，如美国抽水蓄能电站占国内总装机的比例约占3%，日本抽水蓄能电站占国内总装机的比例为10%左右，法国抽水蓄能电站占国内总装机的比例为13%，德国为11.2%。

近年国外投入运行的八个大型抽水蓄能电站的情况见表2-2。

表2-2 近年国外投入运行的八大抽水蓄能电站
序号电站国别装机容量（MW）
投入年份
１落基山美国760 1995
２锡亚比舎伊朗1000 1996
３奥清津Ⅱ日本600 1996
４葛野川日本1600 1999
５拉姆它昆泰国1000 2000
６金谷德国1060 2003
７神流川日本2820 2005
８小丸川日本1200 2007
我国1968年建成岗南小型混合式抽水蓄能电站，至今已近半个世纪，但直至1992年后，蓄能电站的建设才开始蓬勃发展，发展状况总体呈直线式上升趋势，我国抽水蓄能电站的建设虽起步较晚，但起点却较高，且建设资源优越，如十三陵抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站等均为世界知名抽水蓄能电站，近年建设的多座大型抽水蓄能电
站技术已处于世界先进水平，如张河湾、西龙池、呼和浩特抽水蓄能电站等。

至2013年底，我国抽水蓄能电站装机近2200万千瓦。

我国“十二五规划”抽水蓄能电站装机为2800万千瓦，“十三五规划”为7000万千瓦。

目前，我国有多座大型抽水蓄能电站处于规划设计阶段或建设阶段，如文登、敦化、丰宁等抽水蓄能电站，保持了一定的项目储备量，我国抽水蓄能电站正在稳步有序发展。

抽水蓄能技术发展方向：机组向高水头、高转速、大容量方向发展，重点将立足于振动、空蚀、变形、止水及磁特性的研究，着眼于运行的可靠性和稳定性。

在水头变幅较大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。

（二）飞轮储能技术
1. 技术原理及特点
飞轮储能技术是一种机械储能技术，其基本原理是由电能驱动飞轮高速旋转，电能转变为机械能储存，当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，飞轮的升速和降速，实现了电能的存入和释放。

2. 应用情况
飞轮储能技术可用于电网调峰调频、UPS不间断电源、电动汽车等领域。

飞轮储能技术在新能源并网中的应用：由于飞轮储能电源系统可以以巨大的峰值电流极高速的充放电,可将其用于克服光伏发电和风力发电对电网所带来的冲击。

高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动，为电网创造更可靠的供电系统。

因此，飞轮储能技术与风电、太阳能发电等间歇、随机性等可再生能源配合使用能够提高电网对可再生能源的接纳能力。

飞轮储能技术在UPS供电系统中的应用：磁悬浮式飞轮储能UPS 引发了人们越来越多的关注。

这种技术抛弃了传统UPS利用铅酸蓄电池进行储能的方式，由于铅酸蓄电池并非绿色环保的产品。

因此，配备一套智能绿色UPS供电系统成为数据中心节能环保的重中之重。

传统电源系统中的蓄电池需要空调制冷，而且24小时连续运转，耗能巨
大。

磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调，大大节省了运营成本；而且，其占用的空间也大幅减小；维护成本低，无需更换电池；寿命长达20年。

但蓄电池型UPS可提供“分钟级”的电力供电。

而飞轮储能型UPS受制于机械储能，仅仅能够提供30s到1min电力供电，这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。

然而，如今市电电源的可靠性达到99.9%，有些重要的负载都采用双路市电供电，市电的可靠性可以说已经达到了99.99%。

万一市电中断，后备电源的可靠性也可以达到99.9%，从市电到后备电源的切换，在技术上只需要10s的时间，。

目前，欧洲已经将这个时间定为8s。

可以断定，飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求。

另外，飞轮储能技术还应用在电动汽车中。

3. 国内外飞轮储能技术发展现状
（1）国外飞轮储能技术的发展处于领先地位。

美国、德国、日本等发达国家飞轮储能技术的发展处于领先地位。

飞轮储能技术在美国发展得很成熟，在空转时的能量损耗能够达到每小时0.1%。

2012年6月在纽约Stephen镇建成投运的20MW 的飞轮储能电源系统用于电厂储能调频，能做到15min的储能规模。

而一般应用于UPS的飞轮储能时间都不超过100s。

可以说这是美国目前最先进的飞轮储能系统。

这也说明美国的很多项目还处在示范阶段。

美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kWh的电磁悬浮飞轮系统，其飞轮重172.8kg，工作转速范围11610~46345rpm，破坏转速为48784rpm，系统输出恒压110~240V，全程效率为81%。

经济分析表明，运行3年时间可收回全部成本。

德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司1997年着手设计5MWh/100MW超导飞轮储能电站的概念设计。

电站由10个飞轮模块组成，每个模块储能0.5MWh，功率10MW，重30t，直径3.5m，高6.5m，用同步电动/发电机进行电能输入输出，系统效率96%。

日本已经制造出容量26.5MVA、系统输出电压1100V、转速510690r/min的变频调速飞轮蓄能发电系统。

法国、德国、意大利等国均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

（2）我国飞轮储能技术落后国外十年
目前飞轮储能只有国外的公司实现了商业化生产。

国内从事与飞轮研究相关的单位包括多个高校及科研院所、设备厂家等，但还没有成熟的产品面世，主要集中在小容量系列。

其中,北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。

电力系统中，飞轮技术的核心技术都由国外公司掌握，其价格以及相应的维护费用较高；在国内的应用案例，大多将飞轮储能作为UPS不间断供电电源进行应用，在作为功率型储能（即直流DC）进行电力系统功率调节等方面还没有相关应用案例。

从总体上来看，国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年，许多成果尚处于研究阶段，在推广应用上还会有一段路要走。

（三）压缩空气储能技术
1. 技术原理及特点
压缩空气储能电站（CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。

传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术的储能系统。

其工作原理是，在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室燃烧，然后驱动透平发电。

传统压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高和投资相对较小等优点。

主要技术特点如下：
（1）可无限次充放电循环、使用寿命长
压缩空气储能充放电循环的限制只与空气压缩机和汽轮机的机械性能有关，没有循环次数的限制。

其使用年限在20年以上。

（2）响应速度慢，能量转换效率低
压缩空气储能充放电需要设备压缩或者释放空气推动汽轮机发电，
其响应时间受到空气压缩或者释放时间的限制，无法快速响应，一般需要数秒的响应时间。

另外压缩空气储能在存储和释放电能的过程中，需要以压缩空气作为中间物质，经过多重能量转换，能量转换效率不高，大型压缩空气储能技术能量转换效率在70%左右。

（3）设备规模较大，要求较大的放置空间
大型压缩空气储能在建设中需要建造一个巨大的储存压缩气体的空间，储气空间一般在洞穴、海底、或者地底建造。

2. 应用现状
目前，世界上已有两座大型压缩空气储能电站投入商业运行。

第一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站，目前仍在运行中。

机组的压缩机功率60MW，释能输出功率为290MW，系统将压缩空气存储在地下600米的废弃矿洞中，矿洞总容积达3.1×105m3，压缩空气的压力最高可达100bar。

机组可连续充气8小时，连续发电2小时。

该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次，平均启动可靠性97.6%。

第二座是于1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站。

其地下储气洞穴在地下450米，总容积为5.6×105m3，压缩空气储气压力为7.5MPa。

该储能电站压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。

电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。

美国Ohio州Norton从2001年起开始建一座2700MW的大型压缩空气储能商业电站，该电站由9台300MW机组组成。

压缩空气存储于地下670米的地下岩盐层洞穴内，储气洞穴容积为9.57×106m3。

日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目，位于北海道空知郡，输出功率为2MW，是日本开发400MW机组的工业试验用中间机组。

它利用废弃的煤矿坑（约在地下450m处）作为储气洞穴，最大压力为8MPa。

瑞士ABB公司（现已并入阿尔斯通公司）正在开发联合循环压缩空气储能发电系统。

目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、卢森堡、南非、以色列和韩
国等也在积极开发压缩空气储能电站。

我国对压缩空气储能系统的研究开发比较晚，但随着电力储能需求的快速增加，相关研究逐渐被重视，对压缩空气储能电站的热力性能、经济性能、商业应用等进行了研究，但大多集中在理论和小型实验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。

中科院工程热物理研究所正在建设1.5MW先进压缩空气储能示范系统。

3. 发展趋势
压缩空气储能技术的主要发展趋势包括带储热的压缩空气储能技术、液态空气储能、超临界空气储能技术、与燃气蒸汽联合循环的压缩空气储能技术、与可再生能源耦合的压缩空气储能技术等。

二、化学储能
化学储能也称电化学储能，利用电化学电池将电能转化为化学能存储。

其主要原理是利用氧化还原化学反应。

在氧化和还原反应的可逆过程中，离子发生转移带来电荷的流动，最终实现电能的储存和释放。

化学储能技术是目前技术发展最快、具有一定发展前景的储能技术。

电化学电池主要由电极、电解质以及隔膜构成，电化学电池通常采用图2-３结构。

图2-３电池结构原理图
不同种类的电化学电池主要是在电极、电解液以及隔膜的材料上存在不同的选择。

化学储能主要包括：铅酸电池、锂系电池、液流电
池、钠硫电池储能等。

1. 化学储能技术特性
（1）输出电压范围较窄。

电化学储能中进行的是氧化还原反应。

电池两端的端电压随着反应进行的深浅，电荷的积蓄多少而将体现出电压的变化，因此其端电压将有与充放电深度相关联的一个波动范围。

而与此同时，正负电极在满充或满放的状态下，其电荷积蓄受到材料价态的影响，只能在相差有限的两个电压之间波动，而无法将电荷过量存储或释放，这决定了电化学电池的输出电压范围通常较窄。

（2）使用寿命通常受到循环次数的制约。

电化学电池的使用寿命不仅受到相关材料本身寿命的限制，同时也受到电池循环次数的限制。

在化学反应进行的过程中，电池系统中还存在着腐蚀、副反应、以及离子渗透等问题。

在反复的充放电过程中，电极、电解液材料将不断发生消耗，从而导致系统性能逐渐发生衰减。

以下对各类不同的电化学储能技术特性进行详细的分析。

2. 铅酸电池技术特点
（1）技术成熟，电池材料来源较为广泛，成本较低。

（2）循环次数少，使用寿命短。

铅酸电池电解液采用酸性溶液，对设备本身的腐蚀较为严重，另外在应用过程中，铅酸电池充放电过程中会发生副反应，降低了化学反应效率，因此铅酸电池循环寿命（满充满放）通常在1000次以下，铅酸电池的电极和电解液损耗也较大，实际使用年限一般为3~5年。

（3）对环境有一定污染。

铅酸电池在使用过程中，酸性电解液挥发会排放出酸性刺鼻气体；电池在使用一段时间后，酸性电解液容易发生泄漏，这些对环境都有一定污染。

铅酸电池典型充放电特性曲线如图2-４所示。

图2-４铅酸电池充放电特性曲线
铅酸电池会有放电截止电压和充电截止电压的限制，即放电时不能低于某个电压值，充电时不能高于某个电压值，否则电池将会出现故障或者寿命受到很大影响。

图2~5是铅酸电池恒压限流充电特性曲线，该铅酸电池充电截止电压为2.35V，电池的充电过程一般分为预充电、恒流充电、恒压充电以及浮充阶段。

电池进入浮充阶段以后，由于电池存在的自放电现象，电压会有一定的下降。

铅酸电池作为发展时间较长的电化学电池，目前主要应用在汽车后备电源方面，目前绝大多数的机动车的备用电源都采用铅酸电池。

铅酸电池在电力系统储能领域也有一定的应用，主要应用在一些考虑建设成本、对储能电池技术性能要求不苛刻的场合。

改良的铅酸电池技术—铅碳电池
铅炭电池是一种电容型铅酸电池，在铅酸电池的负极中加入了活性炭。

普通铅酸电池的正极活性材料是氧化铅，负极活性材料是铅，把活性炭混合到负极活性材料铅中，普通铅酸电池变成了铅炭电池。

铅碳电池相对普通铅酸电池，拥有很好的充放电性能—90分钟就可充满电（铅酸电池若这样充、放，寿命只有不到30次）；而且由于加入了碳（石墨烯），阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，延长了电池寿命。

在性能方面，铅炭电池同时具有铅酸电池和电容器的特点。

活性
炭的加入，提升了电池的功率密度，延长了循环寿命，同时由于活性炭占据了部分电极空间，导致能量密度降低，也可能增加电极析气量。

在工艺方面，活性炭的加入，增加了调浆和极片涂布难度。

总体而言，铅炭电池性能优于普通铅酸电池，是一种先进铅酸电池，也是铅酸电池技术发展的主流方向。

3. 锂电池技术特点
锂电池是一种新型电池，面世初期主要是应用在电子产品方面，目前随着大容量锂电池技术的成熟，大容量锂电池开始在电力系统储能领域进行应用。

在电化学电池中，锂电池储能性能较好，目前在各个领域的应用广泛。

锂电池主要具有以下一些技术特点：
（1）使用寿命长、循环次数高。

锂电池电解液不是酸性溶液，其内部材料不易腐蚀，因此使用寿命较长，一般在10年左右。

锂电池采用化学性质更强的材料作为电极和电解液，因此其满充满放循环寿命在2000~3000次左右，一些特殊材料的锂电池循环次数可以达到8000次。

（2）能量密度高、转换效率高。

锂电池电解液为非水性电解液，其化学性质比较稳定且化学反应效率较高，因此其能量密度为100Wh/kg，其功率密度可以到1000W/kg；锂电池在充放电过程中没有副反应，减少了电池自放电损耗，因此能量转换效率一般在95%左右。

（3）价格相对较高。

锂电池目前因受到电极材料、电池隔膜材料技术的限制，价格远高于铅酸电池，略高于镍氢电池，本体造价约为4元/Wh左右。

锂电池的隔膜材料采用聚合物材料，而国内生产这种材料的厂家屈指可数，大量需要国外进口，这就造成了锂电池价格很高，也是限制锂电池技术发展以及大规模应用的瓶颈；另外锂电池在成组后，对充放电一致性要求很高，需要配置较好的BMS系统，也相应增加锂电池使用成本。

（4）有的锂电池存在安全隐患。

锂电池采用非水性电解液，在电池内部发生短路温度急剧上升时，由于非水性电解液吸热效果不好，
因此会造成锂电池内部温度过高，可能发生燃烧和爆炸。

所以在实际工程建设中，对锂电池的设计应考虑防火、防爆要求。

锂电池自放电损耗小、能量转换效率较高，相比较其他电化学电池，在性能方面都有较大的提高。

锂电池的典型充放电特性曲线如图2-５所示。

图2-５锂电池充放电特性曲线
由上述放电曲线图中可以看出，随着放电电流的增大，在放电过程中，电压降落也较快，当锂电池运行在经济的电压区间内，其电压变化较为平缓，但当电压低于经济运行区间的下限时，其电压跌落将会非常剧烈，如果电池长时间按此运行，对电池的寿命有非常大的损耗，所以在控制电池运行时，通常控制在某个固定电压区间内运行。

锂电池主要应用在电动工具、家用电器、照明灯具、通讯设备以及电动汽车等方面。

锂电池目前在电力系统储能领域的应用相对广泛，如深圳宝清储能电站、张北风光储输工程均有采用锂电池。

4. 液流电池技术特点
液流电池在我国投入市场使用时间不长，在国内相关技术还不够成熟，国外对液流电池技术的掌握程度较高。

液流电池在我国有了一
定规模的生产，但其实际应用并不广泛。

液流电池采用正负极电解液单独循环的特殊结构，能够提高化学反应效率，因此其在储能方面有较好的特性，具有以下技术特点：（1）能量效率高、使用寿命长、循环次数高。

液流电池便于规模化应用，能够储存和释放的电能容量较大。

液流电池能量转换效率可以达到96%以上，能量密度为92Wh/kg，循环次数为13000次左右。

液流电池的使用寿命在20年左右。

（2）使用过程中便于实现模块化配置。

液流电池电极和电解液是单独的结构，并且正负极电解液都有独立的循环，因此液流电池可以比较容易的实现模块化。

在使用过程中，根据不同的容量和功率的需要，可以方便的修改配置不同的液流电池模块。

（3）技术成熟度不高，受技术瓶颈限制。

液流电池目前技术成熟度不高，其电极、电解液以及隔膜材料技术都存在技术瓶颈，造成其价格比较昂贵，相关的应用也不广泛（目前常用配置下，其价格约为锂电池3倍，即超过10元/Wh）。

（4）体积较大，占据较大的放置空间。

由于液流电池特殊的结构，整个液流电池系统体积比较庞大，除了电池以外还有其他附属的设备，在实际应用中需要专门安排一个较大的空间放置。

液流电池典型充放电特性曲线如图2-６所示。