隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)力度的不斷加強(qiáng)，新能源發(fā)電裝機(jī)占比逐漸攀升，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正在逐步轉(zhuǎn)型。儲(chǔ)能系統(tǒng)因其響應(yīng)速率快、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)，成為能源行業(yè)中提升電能品質(zhì)和促進(jìn)新能源消納的重要支撐手段，受到越來(lái)越多的重視。并且由于儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)品質(zhì)量的提高及成本的不斷降低，儲(chǔ)能技術(shù)已具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的條件，尤其是多種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展逐步擴(kuò)展了儲(chǔ)能的應(yīng)用領(lǐng)域。

除了技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家政策法規(guī)的頒布、電力市場(chǎng)改革的不斷深化，也促進(jìn)了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用推廣。本文從數(shù)據(jù)的角度概要分析了儲(chǔ)能在全球電力行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了電化學(xué)儲(chǔ)能的種類(lèi)、技術(shù)路線(xiàn)以及系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。除此之外，針對(duì)發(fā)電側(cè)，重點(diǎn)從功能、政策和應(yīng)用項(xiàng)目等方面論述了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)、輔助服務(wù)及微電網(wǎng)等有商業(yè)價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)景。最后對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在未來(lái)能源系統(tǒng)中的前景和發(fā)展趨勢(shì)做了展望，并在促進(jìn)儲(chǔ)能商業(yè)化運(yùn)營(yíng)及推廣方面對(duì)儲(chǔ)能企業(yè)提出了發(fā)展建議。

目前，我國(guó)電力生產(chǎn)和消費(fèi)總量均已居世界前列，且保持高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2018年1～12月份，全國(guó)規(guī)模以上發(fā)電企業(yè)累計(jì)完成發(fā)電量67914 kW·h，同比增長(zhǎng)6.8%，全國(guó)全社會(huì)用電量68449 kW·h，同比增長(zhǎng)8.5%。而在電能供給和利用方面我國(guó)卻還存在結(jié)構(gòu)不合理、綜合利用效率較低、新能源滲透率較低、電力安全水平亟待提升等問(wèn)題[1]，因此如何保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展中電力生產(chǎn)與供應(yīng)的安全，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)，是我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務(wù)。近年來(lái)飛速發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)為解決以上問(wèn)題提供了可行性。儲(chǔ)能成本和性能的改進(jìn)、全球可再生能源運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電網(wǎng)現(xiàn)代化與智能化，以及電力市場(chǎng)改革帶來(lái)的凈電量結(jié)算政策的淘汰、參與電力批發(fā)市場(chǎng)、財(cái)政激勵(lì)、FIT（太陽(yáng)能發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策）等因素的驅(qū)動(dòng)，使得儲(chǔ)能在全球掀起了一場(chǎng)發(fā)展熱潮。儲(chǔ)能使電能具備時(shí)間空間轉(zhuǎn)移能力，對(duì)于保障電網(wǎng)安全、改善電能質(zhì)量、提高可再生能源比例、提高能源利用效率具有重要意義。基于儲(chǔ)能在電力行業(yè)的重要作用，各類(lèi)儲(chǔ)能項(xiàng)目在全球范圍內(nèi)持續(xù)落地，累計(jì)裝機(jī)容量節(jié)節(jié)攀升。

據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為181.0 GW，同比增長(zhǎng)3.2%[2,3]。電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)為6.6254 GW，同比增長(zhǎng)126.4%，占比為3.7%，較上一年增長(zhǎng)2.0個(gè)百分點(diǎn)。各類(lèi)儲(chǔ)能具體占比如圖1所示。目前，中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模31.3 GW，占全球市場(chǎng)的17.3%。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能是除抽水蓄能外裝機(jī)規(guī)模最大的儲(chǔ)能形式[4]，累計(jì)1072.7 MW。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能也是目前各類(lèi)儲(chǔ)能應(yīng)用中，除抽水蓄能之外應(yīng)用最廣泛、技術(shù)發(fā)展最快、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)最好的儲(chǔ)能技術(shù)。以鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池為主導(dǎo)的電化學(xué)儲(chǔ)能不僅在電池本體技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)層面取得了重大突破，并且在發(fā)電領(lǐng)域的場(chǎng)景應(yīng)用范圍也實(shí)現(xiàn)了重要擴(kuò)展。因此本文主要針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能相關(guān)政策、技術(shù)及其應(yīng)用予以闡述。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2018年被業(yè)內(nèi)較多人士稱(chēng)為電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展的元年，電化學(xué)儲(chǔ)能多項(xiàng)政策的頒布促進(jìn)了項(xiàng)目的落地和推廣，而越來(lái)越多項(xiàng)目的建設(shè)反過(guò)來(lái)推動(dòng)了政策的不斷細(xì)化。然而電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系卻相對(duì)發(fā)展緩慢，這對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展帶來(lái)了一定的延滯。

1.1 多項(xiàng)利好政策的頒布

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，為了保障電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，截至目前，國(guó)家與地方相繼發(fā)布涉及儲(chǔ)能的政策、規(guī)劃、指導(dǎo)意見(jiàn)等文件近50項(xiàng)，電力輔助服務(wù)相關(guān)政策30余項(xiàng)，微電網(wǎng)相關(guān)政策近20項(xiàng)，其中電化學(xué)儲(chǔ)能相關(guān)政策占據(jù)了較大比例。這些政策的頒布，有利于優(yōu)化儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，大大推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)更好更快發(fā)展。2019年以來(lái)，電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策仍舊持續(xù)出臺(tái)。1月30日南方電網(wǎng)公司《關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（征求意見(jiàn)稿）指出了南方電網(wǎng)發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能的四項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)：深化電化學(xué)儲(chǔ)能影響研究、推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用、規(guī)范并網(wǎng)管理、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2月18日國(guó)家電網(wǎng)《關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能健康有序發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》要求在規(guī)范電化學(xué)儲(chǔ)能接入系統(tǒng)和管控、深化電化學(xué)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)、加強(qiáng)信息管理及平臺(tái)規(guī)劃等方面，推進(jìn)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和客戶(hù)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能成長(zhǎng)。上述指導(dǎo)意見(jiàn)對(duì)推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。在這些政策的推動(dòng)下，截止目前，電化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)峰、調(diào)頻項(xiàng)目已有數(shù)十個(gè)投運(yùn)或在建。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)和體系的缺乏

相比于國(guó)家及地方在電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面政策的出臺(tái)速度和數(shù)量，行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)認(rèn)證體系的發(fā)布速度卻略顯滯后，截止2019年3月，電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不足20項(xiàng)。在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)層面，從設(shè)備到系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)缺乏明確限定，系統(tǒng)在不同場(chǎng)景中的應(yīng)用策略缺乏針對(duì)性研究。在電化學(xué)儲(chǔ)能安全層面，在已經(jīng)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目中，在2017年8月至2019年2月僅一年半的時(shí)間內(nèi)，韓國(guó)就已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)事故達(dá)到21起之多，國(guó)內(nèi)無(wú)論是發(fā)電側(cè)、用戶(hù)側(cè)或是電網(wǎng)側(cè)也都有火災(zāi)安全事故發(fā)生。目前行業(yè)內(nèi)從電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸、系統(tǒng)集成、功能驗(yàn)證以及后期的運(yùn)行維護(hù)等，都急需相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系的頒布，為電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的良好發(fā)展提供安全保障。

2 電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)概述

電化學(xué)儲(chǔ)能并不是一項(xiàng)新興的技術(shù)，但是電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)卻是一個(gè)亟待發(fā)展的領(lǐng)域。本部分著重對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)本體技術(shù)及系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)行論述。

2.1 電化學(xué)儲(chǔ)能電池本體技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能電池的分類(lèi)較多，特點(diǎn)都不盡相同，主要的技術(shù)指標(biāo)有：比能量、功率密度、電池效率、系統(tǒng)壽命、全生命周期的成本及收益、安全和環(huán)境等方面。電化學(xué)儲(chǔ)能電池中以鋰離子電池的裝機(jī)規(guī)模為最大，尤其是2018年，大批電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目陸續(xù)建成并投運(yùn)[5]。鋰離子電池的成本逐年降低是造成這種現(xiàn)象的主要因素，CNESA統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，到2020年，鋰離子電池成本將會(huì)降至1000～1500元/（kW·h），電化學(xué)儲(chǔ)能電池今后必將成為鋰離子電池應(yīng)用方向的主題。鋰離子電池的細(xì)分種類(lèi)也較多，常用鋰離子電池技術(shù)指標(biāo)的詳細(xì)對(duì)比如表1所示，新型鋰離子電池如表2所示。

表1常用鋰離子電池技術(shù)對(duì)比Table 1Common lithium-ion battery technology comparison


表2新型鋰離子電池Table 2New lithium ion battery


除鋰離子電池之外，液流電池、鉛酸電池也是應(yīng)用較為廣泛的電池類(lèi)型。液流電池種類(lèi)較多，包含全釩氧化還原液流電池、鋅-溴液流電池、多硫化鈉-溴液流儲(chǔ)能電池、釩-多鹵化物液流電池、鐵-鉻液流電池、錳-釩液流電池、鈰-釩液流電池、單液流鉛酸與鋅-溴液流電池、錒系元素液流電池等[9]。國(guó)內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭良好，國(guó)家能源集團(tuán)在該領(lǐng)域也逐漸發(fā)力，其產(chǎn)品千瓦級(jí)液流電池功率密度超過(guò)500 mW/cm2，高于同級(jí)別傳統(tǒng)液流電池2～3倍。我國(guó)鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展較為成熟，主要實(shí)行以銷(xiāo)定產(chǎn)的運(yùn)營(yíng)模式，但供需缺口始終不平衡，需求大于供給，缺口持續(xù)擴(kuò)大。而鈉流電池在國(guó)內(nèi)商業(yè)化發(fā)展較國(guó)外例如美國(guó)和日本來(lái)說(shuō)相對(duì)滯后，目前僅有示范應(yīng)用項(xiàng)目。其他化學(xué)電池如表3所示。

表3其他化學(xué)電池Table 3Other chemical batteries


2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵集成技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的落地應(yīng)用，除電池本體技術(shù)外，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)尤為重要，例如電池本身充放電效率若為95%，系統(tǒng)集成后的實(shí)際應(yīng)用中，效率會(huì)受到集成方式的影響而降低。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)技術(shù)（power conversion system，PCS）、電池管理系統(tǒng)技術(shù)（battery management system，BMS）及能量管理系統(tǒng)技術(shù)（energy management system，EMS）等[12]。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。圖1全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)分布Fig.1Global installed capacity of installed energy storage projects

圖2電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)銯ig.2Topology of energy storage system


（1） 電化學(xué)儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)PCSPCS是儲(chǔ)能與交流電網(wǎng)連接的樞紐[13]。目前市面上PCS的規(guī)模從幾kW到幾MW均有成熟產(chǎn)品，只是不同的規(guī)模等級(jí)應(yīng)用的場(chǎng)景有所區(qū)別：戶(hù)用型基本在幾十kW下，工商業(yè)用戶(hù)型基本在幾十kW至幾百kW之間，而在電網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域PCS的規(guī)模將達(dá)到MW級(jí)。大功率大容量電化學(xué)儲(chǔ)能PCS的研究是當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的熱門(mén)[14]。

（2） 電池管理系統(tǒng)BMSBMS貫穿了電化學(xué)儲(chǔ)能電池本體與應(yīng)用端[15]。除了電池剩余電量SOC的準(zhǔn)確計(jì)算與應(yīng)用研究之外，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開(kāi)展針對(duì)電池應(yīng)用過(guò)程中的健康診斷、能效分析、故障預(yù)警等綜合服務(wù)研究也是當(dāng)前的熱點(diǎn)。

（3） 能量管理系統(tǒng)EMSEMS是能量與信息管理的融合[16]。針對(duì)電力輔助服務(wù)領(lǐng)域、大規(guī)模新能源并網(wǎng)領(lǐng)域、峰谷差套利等應(yīng)用場(chǎng)景，充分考慮系統(tǒng)壽命和安全性，研究基于收益最大化的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電運(yùn)行控制策略是目前EMS研究的熱點(diǎn)。

3 電化學(xué)儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用方向

電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用分為能量型應(yīng)用和功率型應(yīng)用。能量型應(yīng)用要求較長(zhǎng)的放電時(shí)間，對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高。而功率型應(yīng)用要求有快速響應(yīng)能力，對(duì)放電時(shí)間要求不高。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用分為發(fā)電側(cè)、輸配側(cè)、用戶(hù)側(cè)三個(gè)方向。隨著電力市場(chǎng)的不斷開(kāi)展以及儲(chǔ)能技術(shù)在應(yīng)用模式上的不斷創(chuàng)新，三個(gè)方向界限也逐漸模糊。針對(duì)發(fā)電側(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，概括起來(lái)，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括三個(gè)方向，分別為大規(guī)模新能源并網(wǎng)、電力輔助服務(wù)以及微電網(wǎng)。

3.1 大規(guī)模新能源并網(wǎng)領(lǐng)域

近年來(lái)，我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)逐步向低碳方向發(fā)展，新能源發(fā)電得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，風(fēng)電、光伏穿透率不斷攀升。在三北地區(qū)一些省份，新能源發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了100%當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷。但是，由于新能源的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生了不可忽視的影響。同時(shí)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》以及部分地區(qū)的兩個(gè)細(xì)則都對(duì)新能源的并網(wǎng)指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，達(dá)不到要求就面臨考核，影響經(jīng)濟(jì)效益。此外，為彌補(bǔ)新能源MPPT模式帶來(lái)的問(wèn)題而加裝的集中式無(wú)功補(bǔ)償裝置，給新能源的投資運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此摸索電化學(xué)儲(chǔ)能與新能源發(fā)電經(jīng)濟(jì)、有效、共贏(yíng)的結(jié)合模式是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

電化學(xué)儲(chǔ)能在新能源領(lǐng)域既有功率型也有能量型應(yīng)用，這是由新能源發(fā)電的波動(dòng)（頻率波動(dòng)、出力波動(dòng)等）從數(shù)秒到數(shù)小時(shí)之間造成的。在實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用中針對(duì)光伏以能量型應(yīng)用為主，對(duì)風(fēng)電以功率型應(yīng)用為主。電化學(xué)儲(chǔ)能因其快速響應(yīng)、爬坡率大等特點(diǎn)可在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中發(fā)揮有功功率波動(dòng)平抑、一次調(diào)頻支撐、被動(dòng)響應(yīng)無(wú)功支撐和計(jì)劃出力跟蹤等功能，主動(dòng)支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低新能源機(jī)組波動(dòng)性，提升其可控、可計(jì)劃性，減小電網(wǎng)對(duì)新能源機(jī)組的調(diào)度難度。另外，大規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能還可實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)、棄光回收功能，在限電情況下一定程度挽回業(yè)主損失電量。因此，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)的應(yīng)用，可以在保證新能源穿透率的情況下，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并提高入網(wǎng)電能質(zhì)量。

相比于其他領(lǐng)域，儲(chǔ)能在新能源并網(wǎng)應(yīng)用中需要滿(mǎn)足一些特殊要求：由于新能源電站所處地理位置較為偏遠(yuǎn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)需滿(mǎn)足配置靈活、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，以減少建設(shè)周期，并盡可能做到減少維護(hù)或免維護(hù)；另外新能源電站環(huán)保要求較高，儲(chǔ)能電池、裝置在選擇時(shí)應(yīng)盡量具備綠色無(wú)污染等特點(diǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電以低倍率0.5 C、1 C為主，PCS接入方式以百千瓦級(jí)多機(jī)并聯(lián)經(jīng)過(guò)升壓接入6 kV或10 kV母線(xiàn)為主。目前，鋰離子電池或釩液流電池被公認(rèn)為該應(yīng)用領(lǐng)域的主要技術(shù)手段[17]，其中磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)占較高，而隨著三元鋰電池在電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中暴露出來(lái)與日增加的安全問(wèn)題，越來(lái)越多的集成商逐漸避免采用三元鋰系電池。另外，超級(jí)電容在功率波動(dòng)平抑，鉛碳電池在棄風(fēng)、棄光回收等應(yīng)用場(chǎng)合也有應(yīng)用案例。表4中列舉了國(guó)內(nèi)具有代表性的大規(guī)模新能源并網(wǎng)項(xiàng)目。

表4大規(guī)模新能源并網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目Table 4Large-scale new energy grid-connected energy storage project20200227_131056_048.jpg

3.2 電力輔助服務(wù)領(lǐng)域

從電力供應(yīng)角度，隨著新能源發(fā)電在電網(wǎng)中比重的增加，為了平抑波動(dòng)性很大的風(fēng)電或光伏電源，電網(wǎng)中必須配置相應(yīng)的備用電源容量。從負(fù)荷需求角度，隨著電力市場(chǎng)改革的深化，為了保證電力市場(chǎng)穩(wěn)定，提高電能安全和電能質(zhì)量，也要求儲(chǔ)能等快速響應(yīng)電源參與到電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中來(lái)。輔助服務(wù)種類(lèi)主要包括調(diào)峰調(diào)頻、SVG（static var generator）無(wú)功補(bǔ)償、電網(wǎng)黑啟動(dòng)等。調(diào)峰主要是能量型的應(yīng)用，而調(diào)頻是典型的功率型應(yīng)用，目前較為成熟的應(yīng)用包括抽水蓄能電站調(diào)峰與鋰電池火電聯(lián)合調(diào)頻。

自2013年來(lái)，電化學(xué)儲(chǔ)能聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)頻達(dá)到了規(guī)?；茝V[18]。電化學(xué)儲(chǔ)能電池可充分發(fā)揮調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率上的優(yōu)勢(shì)，與火電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，優(yōu)化機(jī)組AGC（automatic generation control）綜合調(diào)頻性能指標(biāo)[19]，依據(jù)按性能付費(fèi)的原則獲取更多輔助服務(wù)利潤(rùn)。AGC調(diào)頻作用時(shí)間短，功率需求高，能量需求低，因此高倍率儲(chǔ)能電池是較為合適的選擇。針對(duì)高倍率電池在集裝箱成組時(shí)，通常應(yīng)增加單獨(dú)風(fēng)道設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)安全性能。儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電以2 C、4 C等高倍率為主，PCS接入方式為百千瓦級(jí)多級(jí)并聯(lián)經(jīng)過(guò)升壓接入6 kV或10 k V母線(xiàn)，或通過(guò)高壓級(jí)聯(lián)接入10 kV并網(wǎng)，功率可達(dá)2 MW。在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻中儲(chǔ)能一般按火電裝機(jī)的3%×0.5小時(shí)的方案進(jìn)行配置。

由此獲得的收益，多數(shù)情況下電廠(chǎng)與投資者之間按照二八比例分成，但近期由于電化學(xué)儲(chǔ)能參與火電機(jī)組調(diào)頻項(xiàng)目已建、在建和中標(biāo)的項(xiàng)目超過(guò)30個(gè)，地區(qū)市場(chǎng)也從華北電網(wǎng)向蒙西電網(wǎng)、南方電網(wǎng)分散，利益分成模式逐漸趨向多元化。投資者為了獲得市場(chǎng)，分成比例甚至出現(xiàn)五五分的現(xiàn)象，這給項(xiàng)目的投資回收增加了更多的不確定性。表5列舉了國(guó)內(nèi)部分電化學(xué)儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目信息。

表5儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目案例Table 5Energy storage joint frequency project case20200227_131056_049.jpg

近期國(guó)家電網(wǎng)在江蘇、河南、湖南等地陸續(xù)規(guī)劃了多個(gè)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目，有效支撐了電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電側(cè)輔助服務(wù)市場(chǎng)趨于飽和。

3.3 微電網(wǎng)領(lǐng)域

微電網(wǎng)組成包括分布式能源、交直流負(fù)荷、儲(chǔ)能、變配電以及控制系統(tǒng)等[20]?？沙浞掷帽镜匕l(fā)電資源實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，并可余量上網(wǎng)。但由于其電網(wǎng)小，穩(wěn)定性差，加之含有具備波動(dòng)性的新能源，因此電網(wǎng)穩(wěn)定性需要儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行保障，電化學(xué)儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中的應(yīng)用既有能量型也包含功率型。儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用中，系統(tǒng)的放電倍率以0.5 C及以下為主，PCS以百千瓦級(jí)即插即用小容量PCS為主。電化學(xué)儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中的作用主要包括兩點(diǎn)：

（1） 提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供快速功率緩沖，吸收/補(bǔ)充電能，提供有功、無(wú)功功率支撐，穩(wěn)定電壓波動(dòng)[21]。通過(guò)能量管理系統(tǒng)（EMS），將分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)、主電網(wǎng)協(xié)同控制[22]，平穩(wěn)分布式能源的波動(dòng)，穩(wěn)定輸出。并且調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)向微電網(wǎng)輸出的有功、無(wú)功，同時(shí)解決電壓驟降/跌落問(wèn)題。電化學(xué)儲(chǔ)能也能為微電網(wǎng)解決一些諧波治理的問(wèn)題，從而改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。除建設(shè)獨(dú)立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與構(gòu)建微電網(wǎng)之外，將電動(dòng)汽車(chē)中的電池充分利用也是重要的研究方向，例如當(dāng)前的熱點(diǎn)技術(shù)V2G，國(guó)際上美國(guó)、日本、英國(guó)等已有相關(guān)試驗(yàn)，未來(lái)V2G技術(shù)將在電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移、負(fù)荷調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)備用等方面發(fā)揮重要作用。

（2） 峰谷電價(jià)套利利用電化學(xué)儲(chǔ)能進(jìn)行峰谷差套利是指在電價(jià)低谷時(shí)充電并存儲(chǔ)，并在峰值時(shí)為負(fù)荷供電的盈利模式[23]。目前鉛酸（碳）電池、磷酸鐵鋰電池、釩液流電池等均有這方面的應(yīng)用案例。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為峰谷電價(jià)差超過(guò)0.7元才具備盈利的可能，目前北京、江蘇、上海等地區(qū)的峰谷電價(jià)差收益相對(duì)較高。忽略基建、運(yùn)維等費(fèi)用，若儲(chǔ)能系統(tǒng)以峰谷及峰平進(jìn)行兩充兩放的方式運(yùn)行，系統(tǒng)投資回收期約5年左右，而以峰谷進(jìn)行一充一放的方式運(yùn)行時(shí)投資回收期則需要延長(zhǎng)1年左右。

另外由于大工業(yè)用電的峰谷電價(jià)差相對(duì)于普通工商業(yè)峰谷電價(jià)差小，因此可通過(guò)峰谷套利與降低需量電費(fèi)相加的模式進(jìn)行盈利分析。為進(jìn)一步縮小成本提高收益，實(shí)現(xiàn)電池的充分利用，選用梯次電池代替新電池的儲(chǔ)能應(yīng)用模式逐漸推廣開(kāi)來(lái)。2019年8月6日在深圳市比克工業(yè)園區(qū)投運(yùn)的2.15 MW/7.27 MW·h梯次電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，采用三元及磷酸鐵鋰電池、兩充兩放的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、重要負(fù)荷應(yīng)急保障供電等功能。表6列舉了國(guó)內(nèi)目前已建成的部分儲(chǔ)能微電網(wǎng)項(xiàng)目。

表6儲(chǔ)能微電網(wǎng)項(xiàng)目Table 6Energy storage microgrid project

4 電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用展望

4.1 電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

隨著政策頒布和綜合能源業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展將日趨多元化，電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：

（1）電化學(xué)儲(chǔ)能承擔(dān)的任務(wù)不再單一化，例如與火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)，不僅承擔(dān)調(diào)頻的任務(wù)，還可以承擔(dān)調(diào)峰、備用等任務(wù)。還包括區(qū)域內(nèi)的新能源消納、跨區(qū)域的新能源消納、電網(wǎng)的暫態(tài)支撐等[24]。

（2）復(fù)合儲(chǔ)能以及與多種新能源融合應(yīng)用將成為新的趨勢(shì)，電化學(xué)儲(chǔ)能在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的作用不斷被發(fā)掘。

（3）電化學(xué)儲(chǔ)能在網(wǎng)側(cè)裝機(jī)容量將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，可能會(huì)促進(jìn)電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生變化，推動(dòng)電網(wǎng)與儲(chǔ)能的深度融合。

（4）采用電化學(xué)儲(chǔ)能滿(mǎn)足不同的電力用戶(hù)用電關(guān)系的轉(zhuǎn)換、用能設(shè)備的能量緩沖、靈活互動(dòng)以及智能交互是目前電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的主流[25]。

（5）在綜合能源服務(wù)及偏差考核、需求側(cè)響應(yīng)等應(yīng)用中發(fā)揮不可替代的作用。

4.2 企業(yè)發(fā)展啟示

目前國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)仍存在示范項(xiàng)目多，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目少，電化學(xué)儲(chǔ)能商業(yè)化仍存在較多問(wèn)題亟需解決，如電池生產(chǎn)成本較高、系統(tǒng)安全性能無(wú)法保障、電力交易市場(chǎng)化程度低、缺少儲(chǔ)能價(jià)格有效激勵(lì)等問(wèn)題。因此，電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用推廣仍需行業(yè)內(nèi)各企業(yè)單位根據(jù)自身情況著重發(fā)展以下幾個(gè)方面。

（1）研發(fā)新型電化學(xué)儲(chǔ)能電池，降低電化學(xué)儲(chǔ)能成本，提高系統(tǒng)安全性。針對(duì)發(fā)電側(cè)應(yīng)用大容量、高安全性要求，開(kāi)發(fā)高能量密度、高轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)壽命、高安全性能、單體大容量的新型電化學(xué)儲(chǔ)能電池，以降低電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用成本。

（2）優(yōu)化電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)。研究?jī)?yōu)化電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)進(jìn)一步模塊化、緊湊化，可靈活、高效地應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的投切操作，解決占地面積、多電池串并聯(lián)失穩(wěn)等問(wèn)題。

（3）優(yōu)化電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制技術(shù)。采用高準(zhǔn)確度的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和狀態(tài)預(yù)測(cè)[26]。構(gòu)建電化學(xué)儲(chǔ)能在不同場(chǎng)景下的性能評(píng)估模型，確立以全壽命周期成本最低或者凈效益最高為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)及邊界約束條件的控制技術(shù)，提升電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

（4）深化電力體制改革，引導(dǎo)價(jià)格補(bǔ)償。推動(dòng)電力市場(chǎng)制度規(guī)范和運(yùn)營(yíng)體系的建立，引導(dǎo)完善電化學(xué)儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)應(yīng)用的相關(guān)定價(jià)機(jī)制，引導(dǎo)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（5）行業(yè)協(xié)作，共同推進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展。鼓勵(lì)發(fā)電行業(yè)、電池行業(yè)、電網(wǎng)行業(yè)與市政行業(yè)等建立深度合作，全方位挖掘電化學(xué)儲(chǔ)能更深層次的功能，綜合考量其在電力安全、環(huán)境保護(hù)等方面的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，共同研究電化學(xué)儲(chǔ)能參與多種應(yīng)用場(chǎng)景綜合性解決方案，建立電化學(xué)儲(chǔ)能本體設(shè)備及輔助裝置回收和再利用循環(huán)體系，避免造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

5 結(jié)語(yǔ)

在能源綠色和低碳化的時(shí)代需求下，諸如風(fēng)、光等可再生能源在發(fā)電側(cè)應(yīng)用中的比重將不斷加大，相應(yīng)的電化學(xué)儲(chǔ)能承擔(dān)的電力支持作用也會(huì)逐步增加，電力行業(yè)的發(fā)展和電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步不可分割。電力市場(chǎng)改革的不斷深入，將推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展以適應(yīng)不斷增加的應(yīng)用需求；電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步也將會(huì)帶動(dòng)電力行業(yè)形態(tài)發(fā)生變化，在發(fā)電側(cè)應(yīng)用發(fā)揮更大的實(shí)用化價(jià)值，產(chǎn)生可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。然而，在上述電力行業(yè)形態(tài)下，除了綜合考量?jī)?chǔ)能經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可持續(xù)利用等需求，更應(yīng)注重儲(chǔ)能本體技術(shù)、安全技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)及回收技術(shù)的不斷革新，這才是儲(chǔ)能長(zhǎng)足發(fā)展的前提。因此，未來(lái)應(yīng)對(duì)其明確相應(yīng)的考核指標(biāo)和規(guī)范包括：①儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率、充放電循環(huán)耐久性等本體技術(shù)指標(biāo)；②儲(chǔ)能安全性考核，如熱失控、故障位置的識(shí)別精度等安全技術(shù)指標(biāo)；③儲(chǔ)能接入對(duì)發(fā)電側(cè)、并網(wǎng)側(cè)的影響，如電壓電流諧波等應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)；④儲(chǔ)能故障、退役后的回收規(guī)范，如故障率等回收技術(shù)指標(biāo)。

引用本文：張文建,崔青汝,李志強(qiáng)等.電化學(xué)儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,9(1):287-295.

ZHANG Wenjian,CUI Qingru,LI Zhiqiang,et al.Application of electrochemical energy storage in power generation[J].Energy Storage Science and Technology,2020,9(1):287-295.