新基建下儲(chǔ)能技術(shù)典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

李建林，譚宇良，王 楠，王 含，王 力

（1.儲(chǔ)能技術(shù)工程研究中心(北方工業(yè)大學(xué))，北京 100144；2.國(guó)網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100032）

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（新基建）國(guó)家戰(zhàn)略的提出為我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重大契機(jī)。新基建主要立足信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施以及創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施3個(gè)方面，包括5G基站、數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁7大領(lǐng)域。這7大領(lǐng)域的發(fā)展均對(duì)供電系統(tǒng)提出了較高要求，高安全、長(zhǎng)壽命、高效率、低成本、大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)成為新基建發(fā)展的重要部分。儲(chǔ)能技術(shù)直接服務(wù)于新基建的特高壓、城際高速和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（internet data center，IDC）等領(lǐng)域。在技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能技術(shù)支撐著新基建拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的半壁江山。

我國(guó)能源體系正在向“電為核心的能源體系”推進(jìn)。在未來(lái)風(fēng)電、光電等不穩(wěn)定電源大規(guī)模接入電網(wǎng)的情況下，現(xiàn)有的“發(fā)輸用”電力系統(tǒng)將升級(jí)為全新的“發(fā)輸儲(chǔ)用”電力系統(tǒng)，系統(tǒng)負(fù)荷大小可隨新能源發(fā)電側(cè)的出力而調(diào)整。儲(chǔ)能技術(shù)作為備用電源，是新能源發(fā)電、電動(dòng)車等重要行業(yè)的支撐技術(shù)，將在越來(lái)越多的行業(yè)、場(chǎng)景下應(yīng)用并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。

結(jié)合新基建發(fā)展背景，本文進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)的典型應(yīng)用調(diào)研與分析，重點(diǎn)介紹電化學(xué)、飛輪、超級(jí)電容等儲(chǔ)能技術(shù)在5G基站、數(shù)據(jù)中心、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁5種產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所起的作用以及典型的應(yīng)用實(shí)例。由于各類儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)及適用范圍各不相同，應(yīng)用時(shí)需結(jié)合具體產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求、環(huán)境特點(diǎn)等進(jìn)行考慮。同時(shí)對(duì)未來(lái)各類產(chǎn)業(yè)配置儲(chǔ)能提出建議，以期為我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在各種應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展提供借鑒。

1 新基建背景下儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展契機(jī)

1.1 國(guó)家政策

2020年兩會(huì)政府報(bào)告中提到：增強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G應(yīng)用，建設(shè)充電樁，推廣新能源汽車，激發(fā)新消費(fèi)需求、助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)。2020年是“十四五”規(guī)劃的編制之年?！笆奈濉睍r(shí)期，可再生能源將作為常規(guī)電源予以考核和約束，因此電網(wǎng)調(diào)峰需求將進(jìn)一步增大，配置一定比例的儲(chǔ)能將成為主要調(diào)節(jié)手段。隨著國(guó)家加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、人工智能等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入云2.0時(shí)代，更多的企業(yè)掌握著主動(dòng)權(quán)，在通信領(lǐng)域，儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的時(shí)間節(jié)點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)。隨著5G向商業(yè)化邁進(jìn)，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部印發(fā)的《關(guān)于組織實(shí)施2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程（寬帶網(wǎng)絡(luò)和5G領(lǐng)域）的通知》提出，要支持智能電網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的5G應(yīng)用工程的建設(shè)[3-5]。

教育部、國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局《關(guān)于印發(fā)<儲(chǔ)能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2020—2024年）>的通知》指出，要增強(qiáng)儲(chǔ)能核心技術(shù)研究和創(chuàng)新水平，培養(yǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域人才，保證儲(chǔ)能技術(shù)的主導(dǎo)地位，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)盡快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，以理論和實(shí)踐相結(jié)合促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[6-8]。

1.2 地方規(guī)劃

新型基礎(chǔ)設(shè)施主要包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施以及創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。伴隨著技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革，新型基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)涵與外延將不斷發(fā)生變化。自中央提出新基建以來(lái)，國(guó)家和地方政府對(duì)新基建的政策支持力度不斷加大，全國(guó)各地的新基建規(guī)劃與政策相繼出臺(tái)[9]，如表1所示。

表1 部分?。ㄊ校┬禄ㄏ嚓P(guān)政策Tab.1 The policies about new infrastructures in some provinces (cities)

2 5G基建背景下的儲(chǔ)能技術(shù)

隨著2020年的到來(lái)，5G技術(shù)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)，國(guó)家也在大力推廣5G技術(shù)[10]。5G通信技術(shù)的室內(nèi)基帶處理單元（building base band unit，BBU）相對(duì)前代功能更強(qiáng)，同時(shí)功耗也更大。若將5G基站與能源建設(shè)設(shè)施如分布式光伏與儲(chǔ)能相結(jié)合，建立“光伏儲(chǔ)能+5G通信基站”模式，通過(guò)為通信基站網(wǎng)絡(luò)配置儲(chǔ)能電池，形成龐大的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，則可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)特性實(shí)現(xiàn)基站的削峰填谷，降低基站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。

截至2019年6月，我國(guó)通信基站數(shù)量如圖1所示。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，具有高利用率、小型化等特點(diǎn)的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)填補(bǔ)基站儲(chǔ)能技術(shù)的空白，保證基站供電的穩(wěn)定性。根據(jù)功率的不同，5G基站分為微基站、宏基站2大類。微基站一般直接由市電網(wǎng)直接供電，不設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)；宏基站涉及范圍廣、基站功率大，一般建設(shè)在室外，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用電源以保證供電的穩(wěn)定性。

圖1 我國(guó)移動(dòng)通信基站數(shù)Fig.1 The numbers of mobile communication base stations in China

2.1 通信鐵塔

通信鐵塔是移動(dòng)通信基站的組成部分，具有架高通信天線的作用，是通信信號(hào)發(fā)射、接收和傳輸設(shè)備的主要載體，是移動(dòng)通信網(wǎng)完成信號(hào)覆蓋的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在輸電鐵塔上搭載通信基站所形成的共享鐵塔是一種使電力基礎(chǔ)設(shè)施獲得再利用、節(jié)約基站建設(shè)成本的新型通信鐵塔類型。

通信鐵塔較為常見且分布廣泛，但共享鐵塔在選取時(shí)與其所處的位置、地形、塔型等因素密切相關(guān)。天線搭載位置需要同時(shí)滿足天線搭載高度和電氣安全距離要求，一般分為塔頭段頂部、塔頭段身部以及下導(dǎo)線掛點(diǎn)以下。2017年起，共享鐵塔技術(shù)在云南、湖北等地均有實(shí)際應(yīng)用，220 kV東郭二回線6號(hào)塔、云南楚雄市東瓜鎮(zhèn)220 kV鹿紫二回線38號(hào)塔以及湖北110 kV車伍二回線12號(hào)電力塔上均已成功安裝通信基站，為共享鐵塔技術(shù)的后期廣泛應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。盡管共享鐵塔可以降低基站的建設(shè)成本，但基站建設(shè)中保證輸電穩(wěn)定等問(wèn)題依然存在。

2.2 5G基站

5G微基站分布較廣，電力系統(tǒng)難以滿足其要求，所以很多基站開始使用儲(chǔ)能系統(tǒng)保證持續(xù)穩(wěn)定的電能輸送。例如，2017年就有某通訊公司使用退役梯次電池建設(shè)5G一體化電源，蓄電池在供電系統(tǒng)正常供電時(shí)改善電能質(zhì)量，在供電發(fā)生故障時(shí)作為備用電源為負(fù)荷持續(xù)供電，保證設(shè)備持續(xù)正常的運(yùn)行。

磷酸鐵鋰電池因具有安裝成本低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，備受基站蓄電池的歡迎，并且已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐。國(guó)軒高科全資子公司合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司與華為技術(shù)有限公司（華為）簽訂了《鋰電供應(yīng)商采購(gòu)合作協(xié)議》，雙方將開展鋰電領(lǐng)域的戰(zhàn)略合作，并已經(jīng)為華為在海外的通信基站項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)批量供貨。中國(guó)鐵塔股份有限公司（中國(guó)鐵塔）2020年以來(lái)已在20省市發(fā)布了24項(xiàng)招標(biāo)通知，總預(yù)算超過(guò)8 945萬(wàn)元，多項(xiàng)招標(biāo)要求采購(gòu)磷酸鐵鋰電池。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司（中國(guó)移動(dòng)）在2020年3月初也發(fā)布了1.95 GW·h磷酸鐵鋰電池的采購(gòu)訂單[11]。

鋰電池在4G時(shí)代應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)站點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)，但5G時(shí)代通信基站的環(huán)境更加復(fù)雜，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求更為苛刻。雖然傳統(tǒng)鋰電可以滿足5G基站的大部分要求，但無(wú)法滿足新形勢(shì)下新的需求，智能儲(chǔ)能系統(tǒng)因此而生。

智能儲(chǔ)能系統(tǒng)融合了通信技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感技術(shù)、高密技術(shù)、高效散熱技術(shù)、AI技術(shù)、云技術(shù)以及鋰電池技術(shù)。華為基于對(duì)5G的理解，推出了5G Power智能儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 華為5G Power智能儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.2 The Huawei 5G Power intelligent energy storage system

該系統(tǒng)具有基礎(chǔ)鋰電功能、智能升壓、智能混搭、智能防盜、全網(wǎng)精細(xì)管理等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理、控制等，能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)前瞻性運(yùn)維和資源互補(bǔ)，既能降低運(yùn)維和建設(shè)成本，又可以減少資源浪費(fèi)。

3 特高壓建設(shè)背景下的儲(chǔ)能技術(shù)

3.1 特高壓輸電建設(shè)現(xiàn)狀

特高壓輸電技術(shù)具有等級(jí)高、網(wǎng)損小、輸出靈活、容量大、距離遠(yuǎn)、線路故障時(shí)的自防護(hù)能力強(qiáng)、節(jié)省線路走廊等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，1路特高壓直流輸電可以輸送600萬(wàn)kW電量。我國(guó)國(guó)土面積遼闊，西部地區(qū)資源豐富，為了使東西資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高東部地區(qū)用電穩(wěn)定性，跨區(qū)域特高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)得到快速的建設(shè)和發(fā)展。

“十三五”規(guī)劃提出，到2020年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司（國(guó)家電網(wǎng)）將建成“五縱五橫”特高壓交流骨干網(wǎng)架和27條特高壓直流輸電工程，形成4.5億kW的跨區(qū)跨省輸送能力，建成以“三華”電網(wǎng)為核心的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

3.2 特高壓輸電存在問(wèn)題

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)相繼投產(chǎn)了晉北—南京、酒泉—湖南、準(zhǔn)東—皖南等特高壓直流輸電工程，拓寬了可再生能源跨區(qū)大直流外送通道。為了解決東北地區(qū)窩電問(wèn)題，提高新能源外送消納能力，2019年新建了扎魯特—山東青州±800 kV特高壓直流輸電及其配套工程，該工程投運(yùn)后，山東全省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性發(fā)生巨大改變。為保證電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定，電網(wǎng)通過(guò)穩(wěn)控裝置切除大量風(fēng)電機(jī)組，嚴(yán)重影響新能源的消納，也為電網(wǎng)帶來(lái)了巨大沖擊。大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站若達(dá)到毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，將會(huì)為扎魯特直流的單極或雙極閉鎖提供快速功率釋放，相對(duì)于水電、火電等常規(guī)功率調(diào)節(jié)手段具有較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。特高壓輸電可以解決中東部地區(qū)因發(fā)電問(wèn)題而造成的環(huán)境污染問(wèn)題，將西部通過(guò)新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)電量傳輸?shù)接秒娒芏雀叩闹袞|部地區(qū)，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)，提高清潔能源占比，目前已經(jīng)待建和在建的項(xiàng)目如表2所示。

青海等部分可再生能源產(chǎn)區(qū)缺乏常規(guī)電源支撐，一旦特高壓工程發(fā)生直流閉鎖、交直流混聯(lián)線路事故，電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題將愈發(fā)突出，嚴(yán)重影響送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流輸電項(xiàng)目也會(huì)因?yàn)殡娫吹膯?wèn)題導(dǎo)致輸電項(xiàng)目的輸電功率較低，對(duì)聯(lián)網(wǎng)能力也有影響。如：以輸送新能源為主的酒泉—湖南特高壓直流工程，經(jīng)實(shí)際測(cè)算，該項(xiàng)目輸電量為450萬(wàn)kW，未達(dá)到預(yù)期的800萬(wàn)kW；晉北—江蘇特高壓直流工程內(nèi)部神泉一期2×60萬(wàn)kW機(jī)組明確為配套改接電源，其余3座、402萬(wàn)kW配套電源未能充分發(fā)揮該直流800萬(wàn)kW的外送電能力。

表2 國(guó)家電網(wǎng)目前待建和在建的特高壓輸電項(xiàng)目Tab.2 The UHV transmission projects to be built or under construction

3.3 特高壓輸電問(wèn)題解決方法

目前，對(duì)于電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)參與抑制直流換相失敗的方法還不太完善。文獻(xiàn)[12]提出在電網(wǎng)頻率最低點(diǎn)滿足要求的前提下電網(wǎng)受電能力提升程度與儲(chǔ)能容量配置間的數(shù)學(xué)模型，并得出儲(chǔ)能系統(tǒng)布局在受端電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)提升特高壓輸送通道穩(wěn)態(tài)輸送功率，可以切實(shí)促進(jìn)新能源外送消納。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)中多饋入直流換相失敗問(wèn)題的分析，得出電化學(xué)儲(chǔ)能電站群具有電網(wǎng)安全保障、調(diào)峰和調(diào)頻方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，必使交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)變得更加堅(jiān)強(qiáng)和智能。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)可用于特高壓輸電項(xiàng)目。2019年底，青海海南州特高壓基地在招標(biāo)時(shí)，投資方明確規(guī)定增加儲(chǔ)能電池技術(shù)類型，限定技術(shù)路線為磷酸鐵鋰電池，規(guī)格為1C倍率，且共需采購(gòu)321套儲(chǔ)能系統(tǒng)，單套儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量為630 kW/630 kW·h，包括電池、過(guò)程控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)及其他所有附屬設(shè)備，總裝機(jī)規(guī)模超過(guò)200 MW。

從目前研究來(lái)看，特高壓輸電技術(shù)中存在的問(wèn)題影響因素較多且解決方法較少，急需配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，為解決輸電問(wèn)題提供一種新的思路和方法。

4 城際軌道交通和高速鐵路建設(shè)背景下的儲(chǔ)能技術(shù)

由于具有安全、環(huán)保、節(jié)約能源、占地較少等特點(diǎn)，軌道交通逐漸成為人們出行的主要交通模式，近幾年發(fā)展較快。儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通行業(yè)的發(fā)展中也占有一席之地，列車可以通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存電能，在無(wú)接觸網(wǎng)或緊急情況下釋放電能，以保證正常行駛[14]。地鐵和城際高鐵應(yīng)用較為廣泛。

4.1 地鐵

地鐵能量回收是一種大功率、高頻次的應(yīng)用場(chǎng)景，目前應(yīng)用較為廣泛的是再生制動(dòng)能量吸收利用。當(dāng)制動(dòng)能量不能被本車吸收時(shí)，牽引網(wǎng)電壓上升，上升到一定程度后，牽引變電所中再生制動(dòng)能量吸收裝置投入工作，吸收再生電流，使車輛再生電流穩(wěn)定，如圖3所示。目前，再生能量吸收裝置可分為電阻消耗型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型，各類型裝置對(duì)比見表3。目前電容儲(chǔ)能型和飛輪儲(chǔ)能型較為常用。

圖3 再生制動(dòng)能量吸收利用示意Fig.3 Schematic diagram of absorption and utilization of the regenerative braking energy

表3 各類型再生能量吸收裝置對(duì)比Tab.3 Comparison of the regenerative braking energy absorption devices

4.1.1 飛輪儲(chǔ)能

地鐵列車進(jìn)站回收的電能通過(guò)電阻放熱方式消耗，存在資源浪費(fèi)，飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)快、頻次高、可靠性高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地解決這些問(wèn)題。

2019年，國(guó)產(chǎn)GTR飛輪儲(chǔ)能裝置北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站正式實(shí)現(xiàn)商用。該裝置由單臺(tái)功率333 kW的飛輪1組3臺(tái)組成1 MW飛輪（圖4），當(dāng)?shù)罔F列車進(jìn)站剎車時(shí)，可以利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)制動(dòng)過(guò)程中的能量。

美國(guó)多個(gè)地鐵站已經(jīng)對(duì)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行了示范，能夠?qū)崿F(xiàn)20%~30%的節(jié)能效果[15]。洛杉磯地鐵于2014年8月安裝了基于飛輪的儲(chǔ)能變電站（wayside energy storage substation，WESS），WESS部署了2 MW的系統(tǒng)，充/放電時(shí)間15 s，容量8.33 kW·h，由4個(gè)飛輪模塊組成，每個(gè)模塊由4個(gè)獨(dú)立的飛輪單元組成。該儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用后，每天可節(jié)省10%~18%的牽引電力能源。

圖4 國(guó)產(chǎn)GTR飛輪儲(chǔ)能Fig.4 The domestic GTR flywheel energy storage device

4.1.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容儲(chǔ)能具有高功率、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，也可回收制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再利用。目前，國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)剛剛起步，仍處于實(shí)驗(yàn)階段，如廣州地鐵6號(hào)線配備了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置并正式掛網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)額定功率達(dá)到1.4 MW，具備對(duì)直流電網(wǎng)的穩(wěn)壓作用，可以緩解高頻次列車啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)直流的電壓波動(dòng)。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由連接單元、變換器超級(jí)電容器組成，在全球多個(gè)城市的地鐵中得以應(yīng)用，如西班牙馬德里的地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)。北京地鐵5號(hào)線也配置了總?cè)萘?9.64 F，最高電壓515.2 V的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有減少牽引電量、提高地鐵舒適度等特點(diǎn)[16]。

4.2 城際高鐵

城際高鐵儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用是降低能耗、牽引列車、制動(dòng)能量回收、降低峰值功率等。鐵路行業(yè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為地面儲(chǔ)能系統(tǒng)和車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中車載儲(chǔ)能系統(tǒng)主要安裝在列車內(nèi)，用于存儲(chǔ)列車內(nèi)部的回收能量，所需功率小于地面儲(chǔ)能系統(tǒng)。

各國(guó)對(duì)于鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)均進(jìn)行了較深入的研究。MITRAC Energy Saver Unit超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可以裝載在列車上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)比普通列車節(jié)能30%。德國(guó)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)車組上使用的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在一定程度上降低了CO2排放量和減排成本。在地面儲(chǔ)能方面，日本和意大利的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以調(diào)峰、降成本，而且接近70%的再生能量均得到回收再利用。

飛輪用于儲(chǔ)能系統(tǒng)要早于電池和超級(jí)電容器，目前已經(jīng)開發(fā)出來(lái)的高速儲(chǔ)能系統(tǒng)以飛輪為元件，可以很好地控制直流電壓、抑制波動(dòng)，在紐約、里昂等地方均有應(yīng)用[14]。

電池儲(chǔ)能電壓波動(dòng)更小、自放電率較低，同時(shí)可提供較大容量。東日本旅客鐵道公司和龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司是開發(fā)動(dòng)力單元的主要公司，東日本旅客鐵道公司和西日本旅客鐵道公司均對(duì)電池儲(chǔ)能裝置有所研究，其開發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于湖西線至北陸本線的列車上，保證了列車的電力供應(yīng)，改善了列車的運(yùn)行條件、舒適程度。特斯拉公司作為電動(dòng)汽車行業(yè)的巨頭，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)也有所研究，圖5為配置在日本大阪Kintetsu火車線路上的儲(chǔ)能系統(tǒng)。作為備用電源，該系統(tǒng)可在列車電力系統(tǒng)發(fā)生故障或電網(wǎng)停電時(shí)使列車運(yùn)行到安全地點(diǎn)。俄羅斯鐵路部門計(jì)劃部署10 MW·h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以幫助俄羅斯鐵路網(wǎng)絡(luò)更快更順暢地運(yùn)行。

我國(guó)地鐵線路上也有配備儲(chǔ)能系統(tǒng)。中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司在輕軌上加裝磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，可以增加列車?yán)m(xù)航里程，充電時(shí)間較短，應(yīng)用前景廣闊。

圖5 特斯拉公司安裝的7 MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.5 The 7 MW·h energy storage system installed by Tesla

5 新能源汽車充電樁建設(shè)背景下的儲(chǔ)能技術(shù)

作為新型城市交通基礎(chǔ)設(shè)施，充電樁是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的基本保障。我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)形成了規(guī)?；焖侔l(fā)展態(tài)勢(shì)，相關(guān)行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)體系也已基本建立，但充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)尚未明確，新能源汽車充電樁建設(shè)為我國(guó)新能源汽車能源供給保障明確了主基調(diào)。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于充電樁可以保證充電樁電能的穩(wěn)定性，避免因電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致的充電樁失靈，降低充電站配電線路成本，產(chǎn)生良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

5.1 光伏儲(chǔ)能充電樁

近年來(lái)，充電樁和光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合形成自發(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電可保證充電樁電能的穩(wěn)定性，余電可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來(lái)，進(jìn)行削峰填谷、峰谷套利，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。雖然影響光伏發(fā)電的因素頗多，但加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，一方面可幫助光伏在應(yīng)用過(guò)程中解決一部分發(fā)電冗余和并網(wǎng)問(wèn)題，另一方面可發(fā)揮組合優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)光伏、儲(chǔ)能、充電樁多向發(fā)展。

圣地亞哥（San Diego）國(guó)際機(jī)場(chǎng)的電動(dòng)汽車充電站為光伏發(fā)電站，相比傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高18%的發(fā)電效率[17]。美國(guó)加利福尼亞（California）的圣塔莫妮卡（Santa Monica）小鎮(zhèn)修建了一座專為某種電動(dòng)車提供充電樁的光伏充電站[18]。

截至目前，日本約有270多家電動(dòng)汽車充電樁設(shè)施制造企業(yè)，日本大阪變壓器株式會(huì)社的WiTricity技術(shù)為電動(dòng)車提供無(wú)線充電業(yè)務(wù)，該技術(shù)提升無(wú)線充電站的高效傳輸性，滿足全球汽車標(biāo)準(zhǔn)。歐盟資助的FASTINCHARGE項(xiàng)目正在研究定點(diǎn)式無(wú)線充電以及在途無(wú)線充電的可行性，其優(yōu)勢(shì)包括操作簡(jiǎn)單、維修方便等。

我國(guó)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車充電行業(yè)在近幾年也得到了快速發(fā)展。圖6為松山湖太魯閣光儲(chǔ)充一體化充電站，該充電站通過(guò)核心系統(tǒng)“光儲(chǔ)充一體式能源微網(wǎng)系統(tǒng)”與“能源互聯(lián)共享平臺(tái)”的對(duì)接，信息通過(guò)5G通道上送。通江北路黃沙橋充電站也是我國(guó)光伏發(fā)電快充站的實(shí)際應(yīng)用，配置720 kW和600 kW的群控單元各1臺(tái)[19]。2011年，黑龍江建成了光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站并實(shí)現(xiàn)了對(duì)站內(nèi)負(fù)荷供電以及對(duì)電動(dòng)汽車充電，在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定。2018年，適用于高原的電動(dòng)汽車光伏充電站在西藏自治區(qū)研制成功并投入試運(yùn)行，該光伏發(fā)電站裝機(jī)容量可達(dá)20 kW，在正常陽(yáng)光照射、不依靠國(guó)家電網(wǎng)提供電能的情況下，每天能夠向3輛電動(dòng)汽車提供滿容量的充電服務(wù)。

圖6 松山湖太魯閣光儲(chǔ)充一體化充電站Fig.6 The Songshan Lake Taroko Photovoltaic Charging Station

5.2 電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充電站

將傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)與電動(dòng)汽車充電站相結(jié)合，既可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，保證供電的穩(wěn)定性，還能夠降低大規(guī)模汽車充電時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。文獻(xiàn)[20]通過(guò)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池充放電效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，證明了儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于充電樁的可行性。文獻(xiàn)[21]通過(guò)在傳統(tǒng)充電樁內(nèi)部增加蓄電池和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證了在不影響配電網(wǎng)的前提下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的快速充電。文獻(xiàn)[22]利用儲(chǔ)能電站為電動(dòng)汽車充電站充電，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了充電站的持續(xù)發(fā)展運(yùn)營(yíng)。文獻(xiàn)[23]通過(guò)對(duì)充放儲(chǔ)電站PCS無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的分析，提出了電站的增值策略和緊急控制策略。文獻(xiàn)[24]介紹了應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)的充電站的結(jié)構(gòu)和原理，并提出了電網(wǎng)和儲(chǔ)能功率的分配情況。

青島薛家島和上海嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)電動(dòng)汽車充換放儲(chǔ)一體化示范電站（圖7）為目前已經(jīng)投運(yùn)的充放儲(chǔ)一體化電動(dòng)汽車充電站。

圖7 上海嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)集中充換放儲(chǔ)一體化電站Fig.7 The integrated power station for centralized charging,replacement, discharging and storage in Shanghai

6 大數(shù)據(jù)中心建設(shè)背景下的儲(chǔ)能技術(shù)

現(xiàn)代生活中所需的數(shù)據(jù)大多存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心，伴隨著新基建的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的重要性逐漸顯現(xiàn)，其電力供應(yīng)也顯得格外重要，而不間斷電源系統(tǒng)（uninterruptible power system，UPS）的普遍使用可以保證數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)故障。因此，UPS儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，影響到UPS的體積、壽命和成本[25]。

6.1 UPS儲(chǔ)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

6.1.1 UPS+電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

UPS作為備用電源，一般后備時(shí)間要求不低于15 min，最初UPS內(nèi)部通常采用鉛酸電池。谷歌（Google）是進(jìn)行服務(wù)器自主研發(fā)定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，早期采用鉛酸電池供電；臉書（Facebook）自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)，為每6個(gè)9 kW的機(jī)柜配置1個(gè)鉛酸蓄電池柜；中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心采用DC48V輸出系統(tǒng)，并配置儲(chǔ)能電池柜，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖8所示。

但是，由于鉛酸電池能量密度低、體積大，且對(duì)環(huán)境的要求較高，容易污染環(huán)境，一般每隔4～5年就要更換一次電池。新開發(fā)的UPS和儲(chǔ)能相融合的系統(tǒng)，增加了配置電池的容量，將鉛酸電池改為鉛碳電池，可進(jìn)行削峰填谷，用作UPS備用電源，轉(zhuǎn)換效率更高、壽命更長(zhǎng)。

此外，鋰電池因耐高溫、適應(yīng)能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快，目前有公司將其作為備用電源，如Google的UPS已經(jīng)由鉛酸電池改為鋰電池方案[26-27]；華為的基于智能鋰電特性的FusionPower@Li-ion1.6 MW大型數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)配套華為自主研發(fā)的UPS鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用壽命長(zhǎng)、占地面積小、運(yùn)維簡(jiǎn)單；設(shè)在印度的全球的搜索引擎公司、消費(fèi)公司等的數(shù)據(jù)中心，均采用VXUPS+鋰電池的配置方案。

圖8 中國(guó)移動(dòng)儲(chǔ)能備用電源系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.8 The topology of energy storage and backup system in China Mobile Data Center

6.1.2 UPS+飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

電力設(shè)備的體積、能耗以及確保關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的最高電能質(zhì)量和可靠性是數(shù)據(jù)中心建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)，飛輪儲(chǔ)能可以完美地解決這一難題。飛輪儲(chǔ)能UPS和傳統(tǒng)儲(chǔ)能UPS技術(shù)對(duì)比如表4所示。

表4 飛輪儲(chǔ)能UPS和傳統(tǒng)儲(chǔ)能UPS技術(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison between the flywheel energy storage UPS and the conventional energy storage UPS technology

美國(guó)Active Power公司的鋼制飛輪為中低速飛輪的典型代表，轉(zhuǎn)速7 700 r/min，可應(yīng)用在小型UPS中，但不適合頻繁充放電場(chǎng)合；高速飛輪典型代表為美國(guó)Vycon公司的鋼制飛輪，轉(zhuǎn)速3 6750 r/min，已在UPS中商業(yè)化應(yīng)用。在飛輪儲(chǔ)能陣列方面，容量為20 MW/5 MW·h的碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛輪儲(chǔ)能陣列已在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻方面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

飛輪儲(chǔ)能UPS作為備用電源的技術(shù)比較成熟，美國(guó)Vycon公司的VDC系列飛輪儲(chǔ)能設(shè)備具有良好的性能及較長(zhǎng)的使用壽命，在其使用壽命內(nèi)可以進(jìn)行不限次的充放電且不會(huì)影響使用性能。美國(guó)麻省醫(yī)藥大學(xué)數(shù)據(jù)中心配置的2×825 kVA/750 kW UPS飛輪儲(chǔ)能、美國(guó)北卡Raleigh NC大型數(shù)據(jù)中心的6×825 kVA/750 kW UPS飛輪儲(chǔ)能、Delta牙科治療中心數(shù)據(jù)中心的2×500 kVA/450 kW UPS飛輪儲(chǔ)能以及美國(guó)EasyStreet Online Services數(shù)據(jù)中心采用的3套18臺(tái)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在其使用壽命內(nèi)均有較好的表現(xiàn)。

6.2 其他儲(chǔ)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

我國(guó)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)將更多地采用儲(chǔ)能材料和蓄冷技術(shù)。2019年，《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》出臺(tái)，要求到2022年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在該意見指導(dǎo)下，工業(yè)和信息化部于2019年11月正式發(fā)布了《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄（2019年版）》，其中無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料蓄冷技術(shù)和水蓄冷技術(shù)入列。

百度在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域具有主導(dǎo)地位，其一直秉承綠色數(shù)據(jù)中心理念，以節(jié)能降耗為目標(biāo)。百度的自建樓宇以及數(shù)據(jù)中心均采用冰蓄冷技術(shù)，利用夜間用電低谷期制備冷量并通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)，白天用電高峰期通過(guò)夜間制備的冷量為中央空調(diào)供冷，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，保證經(jīng)濟(jì)性。京瓷株式會(huì)社的數(shù)據(jù)中心位于北海道的石狩市，采用新能源技術(shù)和儲(chǔ)冷技術(shù)保證電力供應(yīng)，并可以預(yù)測(cè)用電量及發(fā)電計(jì)劃出力，完成高效發(fā)電[28]。

阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司在千島湖的數(shù)據(jù)中心利用水冷降溫，而位于河北省張家口的數(shù)據(jù)中心則采用了自主研發(fā)的分布式儲(chǔ)能技術(shù)和國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最大程度的新能源供電、按需供電。

7 新基建背景下儲(chǔ)能技術(shù)展望

1）積極部署儲(chǔ)能在5G技術(shù)、軌道交通、工業(yè)能源互聯(lián)、軍民融合、國(guó)家應(yīng)急保障體系等領(lǐng)域的試點(diǎn)工程，全方位驗(yàn)證儲(chǔ)能在新基建工程中的樞紐作用。

2）積極部署新型、顛覆性技術(shù)對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能體系的有益補(bǔ)充，鼓勵(lì)高安全、長(zhǎng)壽命、高效率、低成本、易回收的電池體系戰(zhàn)略推進(jìn)，進(jìn)行試點(diǎn)示范及比對(duì)研究，實(shí)現(xiàn)新舊技術(shù)的交替，完成我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)從簡(jiǎn)單跟跑到領(lǐng)跑的角色轉(zhuǎn)換。

3）選取代表性的、具備可推廣性的重大國(guó)家戰(zhàn)略意義的試點(diǎn)工程，在國(guó)家級(jí)開放區(qū)域、我國(guó)可再生能源富集基地、跨省區(qū)域外送通道薄弱環(huán)節(jié)、能源片區(qū)之間部署GW級(jí)大型儲(chǔ)能重大試點(diǎn)工程，并逐步在全國(guó)范圍推廣。

8 結(jié)論與建議

儲(chǔ)能技術(shù)可廣泛應(yīng)用于融合新能源、城市應(yīng)急供電、5G基站后備電源以及邊防哨所、軍民融合等諸多方面，是新基建不可或缺的重要保障。目前我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如儲(chǔ)能電池技術(shù)尚處于跟跑、借鑒水平，急需實(shí)現(xiàn)突破，挖掘新的電池體系；政策法規(guī)較少，有效執(zhí)行的保障少；缺乏長(zhǎng)久、有效的商業(yè)模式等。對(duì)此，提出以下建議：

1）國(guó)家各部委政策應(yīng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，頂層設(shè)計(jì)，成體系推進(jìn)，避免出現(xiàn)重復(fù)制定甚至互相沖突的條款。

2）應(yīng)進(jìn)一步探索合作機(jī)制和商業(yè)模式，加快實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)據(jù)資源融通帶動(dòng)大、中、小、微企業(yè)融合發(fā)展；推動(dòng)制造業(yè)與服務(wù)業(yè)深度融合和資源共享的扁平化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化平臺(tái)建設(shè)，以激發(fā)市場(chǎng)活力。

3）各省應(yīng)結(jié)合具體情況，出臺(tái)相應(yīng)的配套實(shí)施細(xì)則，確保實(shí)操性，政策應(yīng)具有持續(xù)性、連貫性，確保產(chǎn)業(yè)鏈中的各環(huán)節(jié)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。