·储能技术·?能源互联网技术专辑电器与能效管理技术（2015No．24）
储能技术在能源互联网系统中
*
应用与发展展望
1112
陈永翀，李爱晶，刘丹丹，张萍
（1．中国科学院电工研究所储能技术研究组，北京100190；
2北京好风光储能技术有限公司，北京100085）
摘
要：“洁能+储能+智能”是能源互联网未来的发展方向，储能技术在能源互
陈永翀（1975—），男，教授，研究方向为储能电池与动力电池技术。
联网中具有举足轻重的地位，目前已有许多实现工程和示范项目。重点介绍了储能技如电网调峰调频，平滑可再生能源发电波动，改善配电质量术在能源互联网中的应用，
和可靠性，作为基站、社区或家庭备用电源，分布式微电网储能、电动汽车VEG模式供并对未来储能技术发展进行了展望，指出电等。对国内外储能发展现状进行了介绍，
储能技术市场缺口巨大，仅仅依靠示范推广的方式带动储能应用成本的下降，其下降空间非常有限，必须重视储能技术的原始创新和知识产权布局，积极开发低成本、长寿命、高安全、易回收的新型储能技术，为能源互联网的发展提供重要技术支撑。
关键词：储能技术；能源互联网；分布式能源；调峰调频；电能质量中图分类号：TM61
文献标志码：A
8188（2015）24-0039-06文章编号：2095-
ApplicationandDevelopmentofEnergyStorageinEnergyInternetSystem
CHENYongchong1，LIAijing1，LIUDandan1，ZHANGPing2
（1．EnergyStorageTechnologyＲesearchGroup，InstituteofElectricalEngineering，Chinese
Beijing100190，China；AcademyofSciences，
2．BeijingHawagaPowerStorageTechnologyCompanyLtd．，Beijing100085，China）
Abstract：Cleanenergy，energystorageandsmartarethreemajorcharacteristicsofthefuturedevelopmenttrendofenergyinternetsystem．Amongthem，energystoragetechnologyplaysakeyroleinenergyinternetsystem，andalreadyhasmanyengineeringanddemonstrationapplicationssofar．Theapplicationofenergystorageinenergyinternetsystemwasintroducedindetail，suchaspeakregulationandfrequencymodulation，smoothrenewableenergygenerationfluctuations，improvementofthequalityandreliabilityofpowerdistribution，asabackuppowersupply，distributedmicrogridenergystorage，distributedmicrogridenergystorage，VEGmodepowersupplyforelectricvehicleetc．Thedevelopmentstatusofdomesticandforeignenergystoragewasintroduced，andthedevelopmentofenergystoragetechnologyinthefuturewasprospected．Itwaspointedoutthatthereisahugemarketdemandfortheenergystoragetechnology，itisnotenoughtogreatlyreducetheapplicationcostonlybydemonstrationactivities．Muchattentionmustbepaidtotheoriginalinnovationandintellectualpropertylayout，especiallytheenergystoragetechnologieswhichhaveagoodcombinationoflowcost，longlife，highsecurityandeasyrecovery，providingtheimportanttechnologysupportforthedevelopmentofenergyinternetsystem．
Keywords：energystorage；energyinternetsystem；distributedenergy；peakregulationandfrequencyregulation；powerquality
李爱晶（1990—），女，硕士研究生，研究方向为储能电池管理系统。刘丹丹（1987—），女，博士，助理研究员，研究方向为储能电池理论建模。
*基金项目：国家自然科学基金（51477170）；北京市自然科学基金资助项目（2142034）；北京市科技计划项目（锂离子液流电池技术研究）；中国科学院优秀人才项目（Y570171C41）
—39—
电器与能效管理技术（2015No．24）?能源互联网技术专辑·储能技术·
0引言
广义上说，储能技术是采用某种装置或方法储存能量，并实现能量在空间维度移动后释放或者是在时间维度滞留后释放。因此，储能可分为移动储能和静态储能两种形式。前者包括手机电电动车的动力电池，以及用于野外应急供能的池、
移动储能电站等；后者包括小型UPS电源、通信基站电源、工业蓄热系统和抽水蓄能电站等。利用植物的自然光合作用或者是新型光化学转换材料的人工光合作用，将光能转化为生物质能或化学能并加以储存和释放，也是一类重要的静态储能方式。
无论是移动储能还是静态储能，系统功率大于1kW的储能技术可以归类为大容量储能。大容量储能技术应用于能源互联网有以下几个方面。1．1
电网调峰调频
电力系统调峰电源需要根据负荷变化情况跟随出力，来维持电力系统电压和频率的稳定。电网希望调峰负荷能够快速根据调度指令及时投入、切出系统，并根据指令快速改变其出力水平。传统调频电源作为旋转电源由于惯性和控制精度
会出现延迟与偏调等情况，而且火电机组参问题，
与调频会降低其经济运行效率，并不是理想选择。储能技术在提高电网调频能力方面，可以减小因频繁切换而造成传统调频电源的损耗；在提升电网调峰能力方面，根据电源和负荷的变化情况，储能系统可以及时可靠地响应调度指令，并根据指令改变其出力水平。电网领域迫切需要低成本、大容量储能技术解决调频调峰的问题，以提高
［7］
其供电可靠性及电能质量。电网一次或二次调频的储能项目一般装机容量在1MW以上，充放电时间在1～15min，平均每天循环10～40次，响应时间在1min之内。用于调峰（三次调频）的储能项目，一般装机容量在10MW以上，充放电时间在1～4h，平均每天循环1～3次，响应时间要求不高，在1h内投入即可。抽水蓄能、压缩空气储能可以满足上述调峰要求。目前建设的电网峰谷平衡储能项目主要以“十二五”抽水储能为主。在期间，我国抽水蓄能
电站建设规模持续扩大，设计、施工和机组设备制造水平不断提升，已形成较为完备的规划、设计、建设和运行管理体系，相继建成了广州、十三陵、
随着全球环境的污染和传统化石能源的枯
竭，人们越来越关注清洁能源的发展和利用。2014年11月国务院印发的《能源战略行动计划（2014—2020）》指出，未来我国将继续大力发展可再生能源，大幅增加清洁能源消费比重。建立在传统化石能源基础上的能源发展方式已经难以
［1］
为继，由清洁能源取代化石能源是大势所趋。能源互联网正是综合运用先进的电力电子技术和信息技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能源储存装置和各种类型负载构成的能量节
以实现能源的高效、清洁和安全点互联起来，利用
［2-3］
。
能源互联网的形成和发展是一个过程。在这
个过程中，虽然电力网络仍然是能源互联网发展但是能源互联网已经从电力网拓展的主要骨架，
［4］
到更大的能源和信息系统范畴，储能也从单纯储热、储碳等多种储能方式。的储电拓展到储氢、可以预见的是，清洁能源技术、规模储能技术和智能互联技术将为能源互联网的建设提供极其重要
，“洁能+储能+智能”的技术支持将是能源互联网的发展方向。同时，随着中国“一带一路”战略
的实施和建设，能源互联网不再局限于“西电东，送”而是有效利用各地区的资源，发展电力的同时发展其相关产业，使西部的自然生态和东部的城市生态得到改善，经济实现均衡发展，能源与社会发展的矛盾得到缓解。能源互联网的发展也将改变未来中国的生态格局，平衡各地区的发展。
1储能技术在能源互联网中的应用
在能源互联网的发展进程中，清洁能源将得到快速发展与利用，同时，可再生能源在清洁能源中的占比也将逐渐增大。可再生能源发电具有随机性、间歇性，可再生能源发电并网对于传统电网将产生巨大的冲击，产生电压波动、频率波动等，
［5］
危害电网的安全。储能不仅可以提高常规发电和输电的效率、安全性和经济性，也是实现可再生能源平滑波动、调峰调频，满足可再生能源大规模接入的重要手段，同时也是分布式能源系统、电动汽车产业的重要组成部分，在能源互联网中具有举足轻重的地位—40—
［6］
。
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天荒坪、泰安、西龙池、惠州、响水涧、仙游等一批具有世界先进水平的抽水蓄能电站。到2014年底已建成27座抽水蓄能电站，投产容量22．14GW，占全国电力总装机的1．6%。2015年11月，国内核准建设的单机容量最大、净水头最
——广东阳江抽水高、埋深最大的抽水蓄能电站—蓄能电站开始正式启动建设。
用于电网调峰的压缩空气储能，一般是在电
网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在特定的空间存储，如报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井等，在电网负荷高峰期释放压缩空气来推动汽轮机发电
［8］
40MW锂离子电池系统的计划。同月NEC提出
将为Amerigin提供60MW的锂电池系统用于调频。2014年锂离子电池在全球装机总量中位居第二，在中国市场锂离子电池的应用比例最高，超过70%。
1．2平滑可再生能源发电波动
世界范围内的能源结构正在发生变化，用于发电的能源中化石燃料的比例在慢慢减少，包括风能、太阳能在内的可再生能源发电将会持续发展。据2014年预测，到2020年我国累计并网风电装机将达200GW，太阳能发电装机将达50GW。
大容量电池储能技术应用于风电、光伏发电，能够平滑功率输出波动，降低其对电力系统的冲击，提高电站的跟踪计划出力的能力，为可再生能源电站的建设和运行提供备用能源。高温储热技可以平抑光照条件不稳定带术应用于光热发电，
来的输出不稳定，提高电站的可调度能力。201430MW/年8月开始在辽宁建设10kV电压等级、
120MWh的电热－相变储热系统和风电－储热联合调度系统示范工程；在内蒙古建设实现热电联产机组热电耦合的20MW/20MWh中温相变储热示范工程和基于热电解耦的电网风电消纳协调控制系统示范工程。1．3
改善配电质量和可靠性
电力重要负荷对供电可靠性和电能质量有严格的要求，一级负荷不允许停电，二级负荷不允许需要有备长时间停电。当电力系统出现故障时，用电源持续为用户供电，而且要防止负荷向电网回馈谐波等电能质量问题。在提高配电网的供电可靠性方面，当配电网出现故障时，储能系统可以作为备用电源持续为用户供电；在改善电能质量方面，作为系统可控电源对配电网的电能质量进行治理，消除电压暂降、谐波等问题，同时降低主
［7］
干网络扩容投入，节约扩容资金。用于提高配电网可靠性和电能质量的储能项
充放电时间几分钟目一般装机容量在MW以上，
至几小时不等，响应时间要求很高，如做电压支撑
的电源响应时间在ms级。电池储能、飞轮储能、超级电容器技术以及氢储能可广泛应用于配电领域。
电池技术的应用能够对电网的电能质量做出
—41—
。压缩空气
储能系统是一种能够实现大容量和长时间存储电能的电力储能系统，在综合效益方面与抽水蓄能相近，缺点是必须找到合适的储蓄洞，需要燃气。德国于1978年建立的290MW发电厂将压缩空储存8h的压缩空气，足够使发气储存在盐坑中，
电机全力运行2h，效率在77%，主要用于热备用和平滑负荷。美国于1991年建立的发电厂将压缩空气储存在地下450m的废盐矿中，可以为110MW的汽轮机连续提供26h的压缩空气［9］。虽然抽水蓄能和压缩空气是大规模电网调峰的首选储能方式，但两者都严格受到地理条件的限制，推广范围有限。氢储能是另一种储能方式，可以应用于电网的发电、输电和配电端，用于调峰调频。储氢系统利用电解水技术得到氢气，将氢气存储于储氢装置中，再利用燃料电池技术将存或将氢气通过管道输送，直储的能量回馈到电网，
接应用到氢气产业链中。欧洲有多个配合新能源
［7］
接入使用的储氢系统的示范工程：德国在普伦茨劳市建立了风能－氢能混合动力发电厂；意大
利在普利亚地区建设了39MWh的储氢系统；法国在科西嘉岛建设了200kW的储氢系统，提高了光伏发电利用率；挪威在西海岸建设了55kW的制氢和10kW的氢发电系统。
相对抽水蓄能而言，电池储能的方式用于集目前成本还是太高，但是电中式大规模电网调峰，
池储能技术比较适合应用于百千瓦至几十兆瓦级别的电网调频，其调频效果是水电机组的1．7倍，远好于火电机组
［7］
。铅酸电池、液流电池、锂离
子电池等都有典型的示范应用。2015年6月，东芝公司发布将在日本本州为东北电力公司提供
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快速的判断和处理，美国的众多配电服务项目中都是采用电池储能技术来实现的。
相对于电池储能，超级电容器能量密度很低，但是超级电容器工作温度范围宽、充放电速度快，往往可以反复充放电至数十万次。因此，超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量、抑制电力系统低频振荡，以及提高电能质量等。1．4
基站、社区或家庭备用电源作为应急电源的储能系统，一般装机容量在
（2）能够满足微电网调峰需求；
（3）能够改善微电网电能质量；
（4）能够完成微电网系统黑启动；（5）平衡间歇性、波动性电源的输出，对电负荷和热负荷进行有效控制。
要实现微电网的稳定控制、电能质量改善和不间断供电等多重功能，储能不仅要具备短时高功率支撑能力，还需提供较长时间的能量支撑。这就需要将能量型储能技术与功率型储能技术结合，形成稳定可靠的复合储能系统。用于微电网的储能项目一般装机容量在1～100kW，充放电
每天循环1次左右，响应时间为分时间在3～5h，钟级。
目前我国有接近一半的新型储能项目都应用
在微电网领域，可见储能在微电网中的应用有很大的市场潜力。电池储能、氢储能、压缩空气储
飞轮储能等储能方式可以满足微电网储能的能、
不同技术要求。
1．6电动汽车VEG模式的供能系统
目前推广的新能源汽车充电站/充电桩的充电模式很难满足电动汽车的大规模快速充电的需
EnergyStation）模求，发展电动汽车VEG（Vehicle-式具有很大的市场潜力。在VEG模式中，电动汽
车安装有能够安全快速充电的动力电池，充电方式由用户自己选择：可以在能量站快充，也可以在停车场或家庭车库进行慢充；分布式能量站（EnergyStation）类似于现在的加油站，能量站安
长寿命的MW级储能电池系统，能装有低成本、
够从电网充电储存电量后，给电动汽车快速充电；
同时，能量站能够与电网互动，用于电力调峰或调频
［12］
10kW～1MW，充放电时间3～5h，响应时间为对抗灾性能和环境适应能力有很高要求。小时级，
电池储能技术非常适合应用于应急电源领域。随着能源互联网的发展，可以考虑为可能遭受灾害袭击的区域和重要用电场所配置应急电源，减少提高社会的整体应急能力。例如，次生灾害发生，在美国东西海岸、尤其是东海岸地区，电网公司正在积极投资建设储能设施。因为这些地区容易受到飓风影响，储能设施可以让电网更有弹性，在对抗飓风时更稳定。
各种电池技术可以应用于用户侧。电池结合电力电子技术能够为用户提供可靠的电源，改善电能质量，还可以利用峰谷电价的差价，为用户节省开支。1．5
分布式微电网储能
微电网可被看作电网中的一个可控单元，可
增在数秒内反应来满足外部输配电网络的需求，加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，保
［10］
证电压降的修正或者提供不间断电源。储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，作为微电网必要的能量缓冲环节，储能系统可以改善电能质量、稳定组网运行、优化系统配置、保证微电网安全稳定运行；还可以克服微电网惯性小、抗干扰能力弱等问题，有效弥补风力发电和光伏发电等可再生能源发电的间歇性对系统造成的影
使得可再生能源输出功率具有一定的可预测响，
性和可调度性
［11］
。电动汽车VEG模式示意图如图1所示。
。
图1
电动汽车VEG模式示意图
微电网系统要求配备储能装置，并要求储能装置能够做到以下几点：
（1）在离网且分布式电源无法供电的情况下提供短时不间断供电；—42—
到2020年我国各种类型的电动汽车累计数量有可能达到500万辆，届时电动汽车充电负荷
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将成为电力系统重要的新增负荷。推广基于电动汽车VEG模式的电动汽车储能电站将有效平抑电动汽车充电负荷对电网的冲击，同时提升分布式可再生能源发电并网规模，降低电动汽车用户充电成本。
发与商业化应用上给予重要的资金扶持和政策
支持。
我国相继出台了一系列储能相关法规、规划和办法等，并给予资金支持发展储能产业。国务院2014年11月印发的《能源发展战略行动计划（2014—2020）》，将储能明确列入9个重点创新领域，大容量储能和氢能列入20个重点创新方向，通过科学安排调峰调频、储能配套能力，切实解决弃风、弃水、弃光问题。国务院2015年3月15日发布的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中指出，通过“自发自用、余量上网、电网
的运营模式，积极发展融合的先进储能技调节”
提高系统的消纳能力和能源利用效率。另外，术，
大容量规模储能技术也已列入“十三五”电力科技重大技术方向。
“十二五”时期，我国储能技术研究及储能项示范项目快速增长，储能产目应用开始受到重视，
业体系进入起步阶段。储能项目主要集中在智能可再生能源并网、分布式发电及微电网、农电网、
村电网升级改造、电动汽车等领域。与国际市场不同，国内储能在用户侧的装机比例占到50%，大部分是分布式微电网项目。2014年中国储能市场仍保持较快的增长，当年的累计规模为81．3MW，比2013年增长55%，增长主要来自于用户侧的分布式微电网项目。
抽水蓄能是目前主流的储能方式，成本较低、响应速度快、技术成熟，主要用于电力系统削峰填调频、调相、负荷跟踪、紧急事故备用、无功支谷、
。“十二五”撑和黑启动等服务期间我国实现了大型抽水蓄能机组及成套设备的完全国产化及工程
应用，完成了从无到有、从弱到强的根本性跨越，总体成果达到国际领先水平。
“十二五”期间，我国电化学储能技术方面已取得实质性进展，在多个领域实现工业示范，若干技术已经实现产业化，部分技术达到世界先进水平。例如，建立了世界上最大的光伏储能离网电站：青海玉树曲麻莱7MWp/10MW/28MWh光伏储能电站，证明科学配置储能介质，完全可以使化学储能实现电网瞬时备用、旋转备用、热备用的功能，而且其经济性完全可以替代无电地区柴油发电；实现了世界最大规模的风光储输示范工程：张北14MW/63MWh电化学储能项目，证明储能
—43—
2储能发展现状
作为新兴产业，储能在2008年之后一直保持
较快增长，全球储能项目在电力系统的装机总量从2008年的不足100MW发展到2014年的840MW（不包含抽水蓄能、压缩空气储能及储热无论是项目数量还是数据）。从地域分布上看，
美国与日本仍然是最主要的储能示范装机规模，
应用国家，分别占40%和39%的全球装机容量份
额。目前，美国能源部统计的全国电池储能总功率已经超过300MW，预计到2019年会增长到近1GW。中国的累计装机比例从2013年的7%上升为10%，储能装机规模为57．3MW。从全球技
钠硫电池的装机比例仍占第一位，为术分类上看，
40%，但比2013年下降了6%，锂离子电池的装
机比例为35%，位居第二，排名第三的是铅蓄电占11%；在中国市场，锂离子电池的应用比例池，最高，超过70%。从全球应用分类上看，储能技术较多地应用于风电场、光伏电站、输配侧和辅助服务市场。
当前，发达国家已经走在储能产业发展的前列，通过政府扶持、政策导向、资金投入等多种方意图建立行业技术标准，抢式积极促进产业发展，
占全球储能技术和市场制高点。欧盟许多发达国家和东南亚的多个国家也出台了一系列投资补贴和税收优惠等政策，鼓励投资和引进储能技术、建设各类储能项目，研究和开发前沿储能技术，并在电力发电及输配、离网孤岛应用及智能微电网中积极推广和利用储能技术。以美国、德国、日本为代表的海外储能市场已全面启动，开始进入第一轮爆发增长期。
纵观全球储能项目的实施情况，整个产业总体在向前发展，市场也在逐渐扩大，成为各国关注的重要新兴产业。储能技术和储能项目受到各国政府和大型企业、新型技术企业的高度重视。当前，欧美及日本已将储能产业上升到战略新型产业的层面加以发展并开展全球性竞争，在技术研
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可满足新能源并网的功能性要求，但成本还存在问题；实现了单台PCS（PowerConditioningSystem）输出达到10kV的化学电池储能系统：南方电网宝清储能电站为未来10MW级储能逆变系统广泛应用奠定基础；在国际上实施了包括全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统在内的多项商业应用项目；建成国内首条MW级钠硫电池生产线，建成国内首座1MWh钠硫储能电站，为我国钠硫电池技术首次工程化应用示范项目。
另外，近年来出现了多种新原理储能技术，例
半固态锂电池、钠离子电池等如锂离子液流电池、
，其相关研发进展十分迅速；压缩空气
储能、蓄热储能、锂硫电池、超级电容器技术也取技术
得了很大进步。
与国外储能产业发展较快的国家相比，我国迄今为止没有国家层面的专门针对储能的政策颁布，已有的相关政策均依附于新能源与分布式光储能产业的进一步支持政策值得期待。伏发电，
［13-14］
步被电网所接纳，促进能源互联网的实现与发展。
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［8］陈海生．压缩空气储能技术的特点与发展趋势
3结语与展望
迄今为止，储能技术在世界范围内已有许多实际工程和示范应用，并成功应用于可再生能源、智能电网、分布式能源、离网微电网、工业节能、应急电源、家庭储能、轨道交通等领域。随着各种储能技术路线的逐渐成熟、储能成本的持续下降以及相关政策的逐步完善，电网对储能的需求有望，“十三五”期间将是储能技术逐步开始逐步释放
商业化的阶段。
目前的电池储能成本都高于市场能够接受的水平，只能应用于带补贴的新能源汽车产业或电网储能示范项目。储能技术市场缺口巨大，仅仅依靠示范推广的方式带动储能应用成本的下降，其下降空间非常有限，必须开发低成本、长寿命、高安全、易回收的新型储能技术。同时，在应用方面，需要加强储能商业模式创新，将储能技术与多
不断降低综合成本，使得储能逐样化需求相匹配，
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿《
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