抽水蓄能電化學(xué)儲能技術(shù)的應(yīng)用與展望

劉逸波，高樹輝

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

儲能技術(shù)作為新能源場站建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，在實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和應(yīng)對能源安全挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電綠色能源的開拓與發(fā)展，抽水蓄能受到普遍注視和應(yīng)用，其建設(shè)和運營面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，能源供應(yīng)可靠性、電網(wǎng)負荷平滑、電網(wǎng)穩(wěn)定性和可調(diào)度性等問題日益凸顯。儲能技術(shù)作為一種靈活、高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)綜合應(yīng)用于抽水蓄能和其他新能源場站之中。

儲能技術(shù)在新能源場站中的作用不僅體現(xiàn)在提升能源供應(yīng)可靠性方面，還能平滑電網(wǎng)負荷，增強電網(wǎng)穩(wěn)定性和可調(diào)度性。

為了進一步推動新能源場站中儲能技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化，合理配置和優(yōu)化運營儲能系統(tǒng)可以顯著降低能源消耗，提高能源利用效率。本文通過儲能技術(shù)的應(yīng)用和分析，結(jié)合實用狀況，探索儲能系統(tǒng)的選擇和優(yōu)化策略。

2 抽水蓄能電站概述

2.1 定義及背景

隨著化石能源的日益枯竭和科學(xué)技術(shù)的進步，大量的可再生新能源場站（如太陽能、風(fēng)能等）逐步取代原先的火力發(fā)電，同樣為清潔能源的抽水蓄能電站，雖然較前兩者來說起步較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點卻很高，已經(jīng)逐步成為解決能源短缺和環(huán)境問題的重要方式[2，3]。

抽水蓄能電站，又稱蓄能式水電站。是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站。抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、廠房和下水庫等建筑物組成。其中上水庫是蓄存水量的工程設(shè)施，電網(wǎng)負荷低谷時段可將抽上來的水儲存在庫內(nèi)，負荷高峰時段由水庫放下來發(fā)電。抽水蓄能電站是一種電能轉(zhuǎn)換和儲備措施，轉(zhuǎn)換過程中會有電能損失，目前抽水蓄能電站的綜合效率約在75%左右。

由于抽水蓄能電站的填谷作用（吸收后也剩余電能），提高火電機組設(shè)備的利用率，抽水蓄能電站利用低谷時火電空閑容量抽水蓄能，等到高峰負荷時發(fā)電。與傳統(tǒng)火電站擔(dān)負峰荷的方案相比較，可以節(jié)省一定量的燃料。它可將電網(wǎng)負荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的電壓，提高了系統(tǒng)中火電站的效率。

抽水蓄能電站良好的可靠性和經(jīng)濟適用性，為實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展貢獻重要力量。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，抽水蓄能電站的應(yīng)用前景將更加廣闊。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

當前，可再生清潔能源發(fā)展成為全球能源領(lǐng)域的熱門話題，并逐漸成為解決能源危機和環(huán)境問題的重要途徑。抽水蓄能電站作為可再生清潔能源的典型應(yīng)用形式，具有很強的代表性和示范效應(yīng)。儲能系統(tǒng)作為抽水蓄能電站和眾多新能源場站的核心組成部分，發(fā)揮著重要的作用。抽水蓄能，作為成熟的儲能技術(shù)，具有超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢和特點。

抽水蓄能電站啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能。做好抽蓄電站建設(shè)和調(diào)度運行，有利于更好地利用新能源資源，有利于提升電力系統(tǒng)綜合效益。

抽水蓄能和電化學(xué)儲能作為主流儲能技術(shù)，未來均大有可為。從成本、使用便利性和已使用規(guī)模綜合來看，抽水蓄能和電化學(xué)儲能將有望繼續(xù)保持其主流儲能技術(shù)的地位。

根據(jù)CNESA的不完全統(tǒng)計，截至2020年底，全球已投運儲能項目裝機量191.1 GW，其中抽水蓄能的累計裝機規(guī)模最大達到172.5 GW，占比90.3%;電化學(xué)儲能緊隨其后，累計裝機規(guī)模為14.2 GW。在我國，抽水蓄能和電化學(xué)儲能同樣占據(jù)主導(dǎo)地位，二者的累計裝機規(guī)模分別為31.79 GW和3.27 GW，合計占比接近99%。

隨著我國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，抽水蓄能電站的配置由過去單一的側(cè)重于用電負荷中心逐步向用電負荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發(fā)展。

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟、壽命長、容量大、技術(shù)最成熟的儲能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分。通過配套建設(shè)抽水蓄能電站，可降低火電電機組運行維護費用、延長機組壽命；有效減少風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場和電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)性以及電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。

圖1 抽水蓄能電站的整體結(jié)構(gòu)

3 儲能系統(tǒng)在新能源場站中的作用

3.1 儲能系統(tǒng)的定義與分類

儲能系統(tǒng)作為新能源場站中重要的組成部分，其作用不可忽視，首先，我們需要明確儲能系統(tǒng)的定義與分類。根據(jù)其儲存形式和儲存介質(zhì)的不同，儲能系統(tǒng)可分為電化學(xué)儲能系統(tǒng)（如圖2）、機械儲能系統(tǒng)、熱能儲能系統(tǒng)等多種類型。

圖2 中國儲能市場裝機規(guī)模拆分

按照能量的儲存方式，儲能可分為機械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能、氫儲能五類，其中機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電磁儲能主要包括超級電容器、超導(dǎo)磁儲能；電化學(xué)儲能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等。

電化學(xué)儲能這幾年的發(fā)展速率是高于抽水儲能，從原來不足5%到現(xiàn)在接近10%，未來占比會更多。

從目前情況看，抽水蓄能、鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池技術(shù)因一定的優(yōu)勢，仍將在儲能領(lǐng)域保持較大的比重。

3.2 儲能技術(shù)在抽水蓄能電站中的應(yīng)用

抽水蓄能電站中的儲能技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，是抽水蓄能電站的核心技術(shù)和發(fā)電運行的原理。

技術(shù)上來說，抽蓄是成熟的方案：它有上下兩個水庫和中間的引水系統(tǒng)，本質(zhì)上是一個水電站，利用夜間低谷時段抽水將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存起來，白天用電高峰期將水放下來發(fā)電，抽水和發(fā)電用的是同一套電機水泵。根據(jù)調(diào)峰需要，有時甚至實現(xiàn)一天內(nèi)兩次抽水發(fā)電循環(huán)，效率很高而且安全可靠。但其建設(shè)周期較長，對選址的要求較高，受地理條件約束較大。

電化學(xué)儲能通過化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)電能的存儲和釋放。與抽水蓄能相比，電化學(xué)儲能布置較為靈活，建設(shè)周期較短，且響應(yīng)速度較快，一般可以達到秒級響應(yīng)。但其成本較高且安全性差也是其不可忽視的弊端

抽水蓄能和電化學(xué)儲能在技術(shù)方面存在一定的互補性。在新型電力系統(tǒng)中，如果能將抽水蓄能與電化學(xué)儲能協(xié)同配置，可以提升調(diào)節(jié)電源容量、減少碳排放等，達到“1+1>2”的效果。

與單一的抽蓄或者電化學(xué)儲能電站相比，兩者相結(jié)合的抽水蓄能電站擁有3大優(yōu)勢。

（1）提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

抽水蓄能在電力系統(tǒng)中一般有六大功能：調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動。電化學(xué)儲能與抽水蓄能協(xié)同運行，可利用電化學(xué)儲能的快速響應(yīng)特性提升整體的調(diào)節(jié)性能。在系統(tǒng)發(fā)生頻率波動時，電化學(xué)儲能響應(yīng)速度較快，可以立即響應(yīng)進行系統(tǒng)調(diào)頻，對頻率起到快速支撐的作用，防止系統(tǒng)頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學(xué)儲能的容量較小，無法長時間維持充電或放電狀態(tài)，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應(yīng)后進行較長時間的持續(xù)功率支撐，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

（2）優(yōu)化調(diào)節(jié)電源容量配置

抽水蓄能與電化學(xué)儲能在調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度、建設(shè)條件、建設(shè)規(guī)模等方面具有一定互補性。針對電力系統(tǒng)不同的調(diào)節(jié)需求，兩種調(diào)節(jié)電源的協(xié)同配置可以優(yōu)化調(diào)節(jié)電源的容量規(guī)模，避免冗余配置、資源浪費。另外，隨著電力市場建設(shè)的逐步完善，抽水蓄能和電化學(xué)儲能協(xié)同配置，可參與多種電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并獲得經(jīng)濟收益。

（3）減少碳排放

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)很大程度上依賴火電機組。新能源裝機占比的不斷提升可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。這在一定程度上也會制約新能源的發(fā)展。因此，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要開發(fā)清潔低碳的調(diào)節(jié)電源，如抽水蓄能和電化學(xué)儲能等。二者協(xié)同運行可為新能源電源接入創(chuàng)造更有利的系統(tǒng)環(huán)境，還能起到降低碳排放的作用。

因此國內(nèi)大多數(shù)在建的新能源場站都有要求配套建設(shè)儲能裝置，尤其是新疆西藏等用電需求較大，電網(wǎng)平穩(wěn)性差，波動性較大的地區(qū)，儲能裝置的配置就顯得尤其格外重要。

目前，國內(nèi)應(yīng)用的幾大儲能系統(tǒng)廠家，如奇點新能源股份有限公司，廠家生產(chǎn)的儲能裝置，除了主體的儲能電池單元和智能電池模塊匯控柜和智能電池模塊集控柜外，還配置有單獨的EMS控制柜和后臺控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)AGC控制功能（如圖3所示），即由國網(wǎng)公司調(diào)度中心集中配置儲能系統(tǒng)充放電操作的執(zhí)行和充放電功率的調(diào)配，當電網(wǎng)頻率過高時，儲能系統(tǒng)可以接收過剩的電能存儲起來；當電網(wǎng)頻率過低時，儲能系統(tǒng)可以釋放儲存的電能進行補償，從而保持電網(wǎng)頻率在合理范圍內(nèi)。通過整體的AGC的調(diào)配，也可以使電網(wǎng)電壓控制在合理的范圍內(nèi)。

圖3 儲能系統(tǒng)中的AGC應(yīng)用

綜上所述，儲能系統(tǒng)在新能源場站中的應(yīng)用十分廣泛。通過容量配置設(shè)計結(jié)合本身的AGC功能，實現(xiàn)了調(diào)峰填谷、削減峰值負荷、頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐等功能，為新能源場站的穩(wěn)定運行提供了重要支持。

4 儲能系統(tǒng)選擇與優(yōu)化

4.1 儲能系統(tǒng)的選擇因素

儲能系統(tǒng)是新能源場站中不可或缺的重要組成部分。在選擇合適的儲能系統(tǒng)時，需要考慮一系列因素。

（1）儲能系統(tǒng)的容量是一個關(guān)鍵因素。根據(jù)新能源場站的實際需求和負荷情況，需要確定合適的儲能系統(tǒng)容量。過大的儲能容量可能造成資源浪費，而過小的容量則會導(dǎo)致儲能系統(tǒng)無法滿足能量需求。目前隨新能源電站建設(shè)的儲能電站的容量選擇一般設(shè)計為總裝機容量的10%~20%來進行配置，這個比例更多考慮的是為了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，其在功能上還并不具備作為一個單獨的儲能電站來進行運行。

（2）儲能系統(tǒng)的效率是選擇重要因素。效率直接關(guān)系到電能的儲存和釋放效果，因此選擇具有高效能轉(zhuǎn)換的儲能系統(tǒng)可以在能量轉(zhuǎn)換過程中減少能量損失，提高整體系統(tǒng)效率。在這一塊目前我國的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，儲能系統(tǒng)的充電，放電效率均能達到95%以上，根據(jù)國家電網(wǎng)的相關(guān)要求，所有配備儲能系統(tǒng)的新能源場站并網(wǎng)后進行性能測試時，儲能系統(tǒng)都要進行3次以上的滿充/滿放試驗，測試結(jié)果必須達到95%的效率以上，才能算是測試通過，該場站才算具備轉(zhuǎn)商運的投產(chǎn)條件。

（3）儲能系統(tǒng)的成本是重要的考慮因素。不同類型的儲能系統(tǒng)在成本方面存在差異，因此需要綜合考慮成本與效益來選擇合適的儲能系統(tǒng)。目前國內(nèi)大部分儲能系統(tǒng)配置的儲能電池單元使用的都是磷酸鐵鋰電池，該類型的電池成本可接受，回本周期短。

（4）儲能系統(tǒng)的可靠性和安全性也需要被重視。儲能裝置內(nèi)都配備有單獨的消防柜，每個智慧能量塊柜內(nèi)也都配備有氣溶膠，起到了保護作用。

在選擇儲能系統(tǒng)時，需要綜合考慮以上因素，只有選擇合適的儲能系統(tǒng)，才能確保新能源場站的穩(wěn)定運行，并發(fā)揮儲能系統(tǒng)在新能源場站中的重要作用。

4.2 儲能系統(tǒng)優(yōu)化策略

儲能系統(tǒng)是新能源場站中非常重要的組成部分之一，它能夠解決新能源發(fā)電的間斷性和波動性問題，提高能源利用效率和供電穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)的優(yōu)化策略可以進一步提高其在新能源場站中的作用。

儲能系統(tǒng)的優(yōu)化策略包括儲能系統(tǒng)的容量與功率的匹配優(yōu)化、能量管理優(yōu)化。能量管理是指對儲能系統(tǒng)充放電過程進行優(yōu)化控制，以實現(xiàn)能量存儲和釋放的最佳效果。通過合理的能量管理優(yōu)化，可以最大限度地提高儲能系統(tǒng)的能量存儲效率和供電穩(wěn)定性。

目前儲能系統(tǒng)多作為新能源電站的配套裝置建設(shè)在電網(wǎng)側(cè)，但鑒于儲能系統(tǒng)的多種優(yōu)秀特性，如果儲能裝置能安裝在用戶側(cè)將會給未來的城市化建設(shè)帶來更加的效益。

首先，依據(jù)目前的專業(yè)技術(shù)，通過配置獨立的遠動信息系統(tǒng)，獨立的調(diào)度通信網(wǎng)，儲能裝置完全具備脫離新能源發(fā)電站而單獨成站的硬件條件。

其次，如果城市內(nèi)所有具備條件的建筑周邊都配置了獨立的儲能電站，這些獨立的儲能電站不僅可以在平時通過峰谷電價差來取回收益，更重要的是，這些儲能電站之間，通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的調(diào)配，完全可以在城市用電高峰的時，對一些重要部門起到保供電的重要作用。

綜上所述，未來的儲能系統(tǒng)，在用戶側(cè)單獨運行，城市不再單一依靠電網(wǎng)，城市化的發(fā)展將會更有保障，城市智能化將會更高，通過合理的優(yōu)化策略，可以提高儲能系統(tǒng)在新能源場站中的作用，實現(xiàn)供電穩(wěn)定性和能源利用效率的最大化。

圖4 儲能電站在未來的應(yīng)用場景

5 結(jié)語

本文從新能源場站中儲能系統(tǒng)的作用出發(fā)，通過研究分析了儲能系統(tǒng)在實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和應(yīng)對能源安全挑戰(zhàn)方面的重要性。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)實踐和經(jīng)驗，總結(jié)了儲能系統(tǒng)的設(shè)計和運營管理策略。合理配置和優(yōu)化運營儲能系統(tǒng)可顯著降低能源消耗、提高能源利用效率并降低空氣污染。

通過對新能源場站未來前景描述可知，未來的研究方向包括但不限于以下幾個方面：首先，可以進一步優(yōu)化儲能系統(tǒng)的運營管理策略，提高能源利用效率和降低成本。其次，可以深入研究儲能系統(tǒng)與電力市場的關(guān)系，探索儲能系統(tǒng)在電力市場中的定價機制和市場運營模式。另外，在新能源場站中引入新的儲能技術(shù)和設(shè)備，如電動汽車電池儲能系統(tǒng)和氫能儲能系統(tǒng)，也是未來研究的方向之一。