第 32 卷 第 7 期 2008 年 4 月
文章编号：1000-3673（2008）07-0001-09
电 网 技 术
Power System Technology
中图分类号：TM911 文献标识码：A
Vol. 32 No. 7 Apr. 2008
学科代码：480·40
储能技术在电力系统中的应用
ABSTRACT: According to the present situation of research, development and application of large-scale energy storage technologies as well as considering the regional features of energy resource distribution in China, the middle and long term development strategy of China and the pattern of ―transmitting electric power from West China to East China, power exchange between South China and North China and nationwide interconnection of power grids in China‖, the development trend of energy storage technology are analyzed and discussed from the viewpoints of requirement, technology and economy. During the period of 11th Five Year Plan, the State Grid Corporation of China (SGCC) will research and develop the all-vanadium redox flow batteries with capacity in 100kW grade, the sodium sulpur batteries with capacity in megawatt grade, and the superconducting magnetic energy storage systems with capacity in megajoule grade that operates in temperature range of liquid-nitrogen; speed up the construction of mixed pumped storage power stations with capacity in 10GW grade to realize the optimized configuration of power grid; enhance the capability of power regulation, transmission and transformation to solve the trans-regional imbalance between supply and demand as well as to ensure the secure and reliable operation of power grid in China and to satisfy both requirement to power quality and development of renewable energy resources.
张文亮，丘 明，来小康
（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
Application of Energy Storage Technologies in Power Grids
ZHANG Wen-liang，QIU Ming，LAI Xiao-kang
（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China）
区域供需矛盾、确保电网安全可靠运行，并
KEY WORDS: power grids；energy storage；sodium sulpur batteries；vanadium redox batteries；superconducting magnetic energy storage；pumped hydro
摘要：基于大规模电力储能技术的研究和应用现状，仍需求、 技术和经济的角度出发，考虑到我国能源的区域性特征、―西 电东送、南北互供、全国联网‖格局和国家中长期发展战略， 探讨了电力储能技术发展的趋势。―十一亓‖期间国家电网 公司将立足研发 100 kW 级全钒液流电池、MW 级钠流电池 和 MJ 级容量液氮温区运行超导储能系统，加快建设 10 GW 级抽水蓄能混合式电站，以优化电网配置、加强调节和输变 电能力、解决跨
满足人们对电能质量的要求和可再生能源发展的需要。 关键词：电力系统；储能；钠硫电池；全钒液流电池；超导 储能；抽水蓄能
0 引言
储能技术已被视为电网运行过程中―采–发– 输–配–用–储‖六大环节中的重要组成部分。系统 中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理， 消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地 利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生 能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整 频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用
必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等 方面带来重大变革。
近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到 各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能 可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存 储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和 相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、 压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能包括超导、超 级电容和高能密度电容储能；电化学储能包括铅 酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能； 相变储能包括冰蓄冷储能等。各种储能技术在能量 和功率密度等方面有着明显区别，表 1 显示了不同 应用场合对能量和功率密度的要求。本文着重介绍 MW 级大规模电力储能技术的研发状况和应用实 例，并基于我国能源布局和电力系统需求，仍技术 和经济的层面加以分析，探讨储能技术的未来发展 方向和研究重点。
[1-7]
1 电力储能方式和发展现状
1.1 抽水蓄能电站
抽水储能电站投入运行时必须配备上、下游两
2 张文亮等：储能技术在电力系统中的应用 Vol. 32 No. 7
表 1 储能技术应用场合和技术要求
Tab. 1 A classification of applications by user type and
typical parameters of energy storage
设备类型 便携式设备 运输工具
压 缩 空 气 储 能 电 站 (compressed air energy storage，CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂，为 要利
用户类型 — 功率等级 1~100 W 能量等级 100 kWh 500 kWh 10 MWh Wh
用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将
静止设备
1 kW 家庭 小型工业和商业设施 10~100 kW
MW 配电网
10 MW 输电网
10~100 MW 发电站 汽车 火车、轻轨列车
潜艇 25~100 kW 100~500 kW 1~20 MW
5 kWh 25 kWh MWh 10 MWh 10~100 MWh
个水库(上、下池)，负荷低谷时段抽水储能设备工 作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保 存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状 态，利用储存在上游水库中的水发电。按上水库有 无天然径流汇入分为纯抽水、混合抽水和调水式抽 水蓄能电站，建站地点力求水头高、发电库容大、 渗漏小、压力输水管道短、距离负荷中心近。
抽水储能电站可以按照一定容量建造，储存能
量的释放时间可以仍几小时到几天，综合效率在 70%~85%之间。抽水储能是在电力系统中应用最为 广泛的一种储能技术，其为要应用领域包括调峰填 谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系
统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站 的运行效率
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。
目前，抽水蓄能电站的设计规划已形成规范。 机组由早期的四机、三机式机组发展为水泵水轮机 和水轮发电电动机组成的二机式可逆机组，极大地 减小了土建和设备投资。施工已采用沥青混凝土面 板防渗、HT-100 高强度钢结构、斜五全断面隧洞掘 进机开挖、钢岔管考虑围岩分担为压、上水库和地 下厂房信息化施工等先进技术。为进一步提高整体 经济性，机组正向高水头、高转速、大容量方向发 展，现已接近单级水泵水轮机和空气冷却发电电动 机制造极限，今后的重点将立足于对振动、空蚀、 变形、止水和磁特性的研究，着眼于运行的可靠性 和稳定性，在水头变幅不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。提 高机电设备可靠性和自动化水平，建立统一调度机 制以推广集中监控和无人化管理，并结合各国国情 开展海水和地下式抽水蓄能电站关键技术的研究。
1.2 压缩空气储能电站
其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内，在 用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机 发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消 耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机 少 40%，同时可以降低投资费用、减少排放。CAES 建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能 量密度低，并受岩层等地形条件的限制。CAES 储 气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长， 可以冷启动、黑启动，响应速度快，为要用于峰谷 电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能 和发电系统备用。
65~1000 kVA VSS 系列、Beacon Power 公司的25 MW
目前，地下储气站采用报废矿五、沉降在海底 的
储气罐、山洞、过期油气五和新建储气五等多种 模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输 出恒压气体，仍而保障燃气轮机稳定运行。100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使 系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将 进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及 减小储气库容积和提高储气压力至10~14 MPa 的需 要，8~12 MW 微型压缩空气蓄能系统(micro-CAES)
已成为人们关注的热点1.3 飞轮储能
[10-11]
。
飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电 动机
/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、 紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮 储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋 转，以动能的形式储存能量，完成电能—机械能的 转换过程；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为 原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电 压，完成机械能—电能转换的释放能量过程。飞轮 储能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超过 20 Wh/kg， 效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20 a，工作温 区为?40~50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连 续工作，积木式组合后可以实现 MW 级，输出持续 时间为数min/数h，为要用于不间断电源(uninterrupted power supply ，UPS)/ 应急电源(emergency power system，EPS)、电网调峰和频率控制。
近年来，人们对飞轮转子设计、轴承支撑系统 和电能转换系统进行了深入研究，高强度碳素纤维 和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁 和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发 展。机械式飞轮系统已形成系列产品，如 Active Power
公司 100~2000 kW CleanSource 系列、Pentadyne 公司
Smart Energy Matrix 和 SatCon Technology 公司
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电 网 技 术
[18]3
。目前，基于活性碳双层电极与锂离 子插入式电
315~2200 kVA 系列。高温超导磁浮轴承摩擦系数达 到 10 量级，在此基础上，1 MWh 超导飞轮已于
极的第四代超级电容器正在开发中。
1997 年研制成功。随着磁浮轴承的应用、飞轮的大
型化以及高速旋转化和轴承载荷密度的进一步提
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高，飞轮储能的应用将更加广泛1.4 超导磁储能系统
。
超 导 磁 储 能 系 统 (superconducting magnetic
energy storage，SMES)利用超导体制成的线圈储存 磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有
响应速度快(ms 级)，转换效率高(≥96%)、比容量
(1~10 Wh/kg)/比功率(10~10 kW/kg)大等优点，可 以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率
补偿。SMES 在技术方面相对简单，没有旋转机械 部件和动密封问题。目前，世界上 1~5 MJ/MW 低 温 SMES 装置已形成产品，100 MJ SMES 已投入高 压输电网中实际运行，5 GWh SMES 已通过可行性 分析和技术论
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5
证。SMES 可以充分满足输配电网电
压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和
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功率输送能力的要求。
SMES 的发展重点在于基于高温超导涂层导体 研发适于液氮温区运行的 MJ 级系统，解决高场磁 体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合， 进一步降低投资和运行成本，结合实际系统探讨分 布式 SMES 及其有效控制和保护策略。 1.5 超级电容器储能
超级电容器根据电化学双电层理论研制而成， 可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态 的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性 离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双 电层电容。由于电荷层间距非常小(一般 0.5 mm 以 下)，加之采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增 加，仍而产生极大的电容量。但由于电介质耐压低， 存在漏电流，储能量和保持时间受到限制，必须串 联使用，以增加充放电控制回路和系统体积。
超级电容器历经三代及数十年的发展，已形成 电容量 0.5~1000 F、工作电压 12~400 V、最大放电 电流 400~2000 A 系列产品，储能系统最大储能量达 到 30 MJ。但超级电容器价格较为昂贵，在电力系 统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量 高峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、 动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提 高供电水平