6 张文亮等：储能技术在电力系统中的应用 Vol. 32 No. 7
部分，2050 年化石能源份额将减至 70%以下，水电、 核电和可再生能源的份额将增加到 30%以上。21 世纪上半叶，随着我国能源可持续发展体系的逐步 完善，人们已经普遍认识到必须最大限度地提高能 源生产与利用效率。
（2）资源分布区域性特征明显。 我国已探明煤炭储量为 6 044 亿 t，其中 70%分 布在山西、陕西和内蒙古；可开发的水电资源为 1 923.3 TWh，99.4%分布在中、西部地区，其中 65% 分布在四川、云南和西藏；石油资源 890 亿 t，为 要分布在东、西部地区；天然气资源 20×10m， 为要分布在新疆、青海和四川。仍能源分布可见， 东部地区京、津、冀、鲁、苏、沪、浙、闽、粤是
133渡—浙西等特高压直流工程 15 个，总输送容量达 94.40 GW。上述工程为大区内保持同步电网、大区 间实现直流异步互联奠定了良好基础，基本形成了 ―西电东送、南北互供、全国联网‖的格局。 3.3 我国电力系统现实需求
目前，我国电力系统应做到以下几点： （1）确保大电网的安全性和可靠性。
我国电网覆盖面积大，结构薄弱，各种一次能 源的分布与负荷的密度极不均匀，且电源远离负 荷中心，装机容量与输电跨度比小，系统的稳定 性和安全性受到严重挑战。然而，现有系统中储 能容量仅占总装机容量的 1.7%左右，远没有达到 合理水平，且尚未建立用于瞬态电能质量管理和
电力系统功率调节/补偿的快速大容量储能系统， 我国经济最发达和发展速度最快的地区，其人口占
全国的 34.89%，GDP 占全国的 54.04%，但其煤炭 只能依靠继电保护和安全自动装置切机，被动达 和水电资源却只占全国的 8%和 0.3%，是全国最严 到稳定，因此，很难仍根本上避免大面积停电事 重缺乏能源资源的地区。而西部 11 个省、区人口 故。近 20 年来，我国由于系统失稳造成的大停电 占全国的 25.25%，GDP 占全国的 17.32%，却拥有 事故已达 140 余起，每次损失数千万元乃至数亿 大量的水电和煤炭资源。东西部能源资源分布不 元。因此，迫切需要建立起以多点储能装置支撑 均，富煤、贫油、少气、多水力的能源资源特点决 的系统，有效地支持电网的系统电压和频率，消
除由于电网互联和负荷突变而形成的区域振荡， 定了我国特有的电力系统结构。
3.2 我国电力系统的特点 实现输/配电系统的动态管理和电能质量管理，提
目前，我国燃煤发电量约占总发电量的 75 %， 火力发电站多数靠近煤炭资源比较丰富的西北部 地区；水力发电量约占 23%，大多集中在西、南部 地区；核电、太阳能发电和风力发电等非水能可再 生能源发电量约占 2%；电力资源和负荷分布不均 的现状使得长距离输电成为必要。电能需求量日益 增长，据统计，2010、2020 年我国装机容量将达到 550 GW 和 800 GW。为了改善电能质量并提高电力 系统的稳定性和可靠性，要求电力系统各部分电气 紧密连接，电力系统向更大规模方向发展。
高电网暂态稳定性。
（2）加强区域电网峰谷负荷的自调节性。
电力负荷存在白天高峰和夜间低谷的周期性 变化，负荷峰谷差往往达到发电出力的 30%~40%， 近年来存在迅速递增的趋势，如夏季空调制冷负荷 就已接近华中、川渝电力负荷的 1/3，华东达 28.7%， 京津唐达 28.9%。电网峰谷差给发电和电力调度造 成困难。因缺乏调峰电源，许多省、区高峰时段不 得不拉闸限电。建立既经济又反应快速的调峰电站 和大规模储能系统，以便将低谷电能转化为高峰电
我国现已形成华北、东北、华东、华中和西北 5 能，是实现发电和用电间解耦及负荷调节的有效途 个跨省区电网以及新疆、青海和西藏 3 个独立省网， 径，也是推动电力工业市场化的前提。 电压等级包括 110、220、500、800 kV(西北为 110、 （3）提高输变电能力，解决跨区域供需矛盾。 330、750 kV)，并实现了华中与华东超高压直流的跨 我国经济社会发展对能源的依赖性较高，2001 大区异步互联网，建成了三峡至华东和正在建设三 年终端用户能源消费支出 1.25 万亿元，占 GDP 总 峡至南方电网的 30 GW 的超高压直流输电系统，投 入运行葛(洲坝)沪(上海)、三(峡)常(州)、三(峡)广 (东)、三(峡)沪(上海)、天(天生桥)广(东)、贵(州)广 (东)Ⅰ回、Ⅱ回等 7 个超高压直流输电工程和灵宝直 流背靠背输电工程。预计到 2020 年底，中国还将建 成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电
量的 13%，而美国仅为 7%。尽管核电技术已经引 进，全国联网格局基本形成，但电力供需地域性矛 盾依然严峻，京津唐、长江三角洲和珠江三角洲三 大负荷地区现有的电力并不能满足实时需要，据 2005 年统计，全国缺电量高达 30 GW。在增加发电 容量的同时，充分利用储能系统、最大限度地提高
网，建成±800 kV 向家坝—上海、锦屏—苏南、溪洛 现有设备输变电能力、经济高效地利用电能是解决
第 32 卷 第 7 期 电 网 技 术
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液体电池
问题的根本所在。 （4）增加供电可靠性，改善用
户电能质量。 在电力系统发生突发事故和电网崩溃时，为防
kW
1~20 h
—
系统稳定性、用户侧 平滑负荷、备用电源
止医院、消防、通信、银行等重要负荷区电力中断， 储能设备将充当 UPS/EPS 提供动力，可为电网恢复 争取时间，避免损失扩大。同时，可以与电力电子 变流技术相结合，实现高效的有功功率调节和无功 控制，快速平衡系统中由于各种原因产生的不平衡 功率，减小扰动对电网的冲击，改善用户电能质量。
（5）满足可再生能源系统的需要。 我国风电装机容量为 764 MW，2020 年时将达
到 30 GW，而光伏发电将达到 1 GW，可再生能源 在我国未来的能源结构中将占有极其重要的位置。 风能、太阳能等可再生能源发电具有不稳定和不连 续的特点，并网容量和电网容量相比较小时对系统 冲击不大，利用电网控制与配电技术能够保证电网 安全稳定运行。当风电、光电容量所占比例超过 10%后，对局部电网将产生明显冲击，严重时会引 发大规模恶性事故。因此，研发高效储能装置及其 配套设备，与风电/光伏发电机组容量相匹配，支持 充放电状态的迅速切换，确保并网系统的安全稳定 已成为可再生能源充分利用的关键。
表 10 显示了各种电力储能技术及其潜在的应
表 10 应用于电力系统的储能技术 Tab. 10 Comparison of energy storage
technologies for power system
额定功率 反应时间 效率/% 100~2000 MW 100~300 MW
储能类型
抽水蓄能 机 械
CAES
4~10 h 6~20 h
60~70 40~50
应用方向 能量管理， 频率控制和系统备用 调峰发电厂、 系统备用电源
储 Micro-CAES 10~50 MW 1~40 h — 能
5 kW~5
飞轮储能 15 s~15 min 70~80
MW
调峰 调峰、频率控制、 UPS/EPS、 电能质量控制
电 磁
SMES 电容器 超级电容器
储 能
输配电系统暂态稳定 10 kW~20 Ms~15 min 80~95 性、提高输电能力、
MW 电能质量管理、UPS
电能质量调节、 1~100 kW 1 s~1 min 70~80 输电系统稳定性
—
—
—
与柔性交流输电技术 相结合 系统备用电源， 黑启动，UPS/EPS 电能质量控制，
铅酸电池
电
化 先进电池 学 技术，如NaS、 1 kW~10 1 min~数h 70~80 平滑负荷、备用电源
MW Li 等 储
10 kW~100 分布式、可再生能源 能
1 kW~50 1 min~3 h 60~70 MW
用领域。通过研究和探索，将不同容量的储能系统 卓有成效地应用于电力系统发、输、变、配、用电 各个环节，将全面提升我国电力系统的运行效率、 可靠性、电能质量和资产价值。
energy storage types
4 我国电力系统储能技术的应用状况、研发 方向和重点
4.1 储能技术应用现状
到目前为止，我国 9 个省、区、市已建成 11 座
抽水蓄能电站，装机容量约为 5.7 GW(其中 0.6 GW 供香港)，占全国装机容量的 1.8%。表 11 显示了已建和―十一亓‖期间在建的抽水蓄能电站， 待全部电站建成投入使用后，除湖北、拉萨外，可 调峰的水电(包括抽水蓄能电站在内)约占电网总容 量的 3%~7%。目前，我国已对 CAES、SMES、飞 轮和电池储能等方式的关键技术开展了研究，但还 没有在电力系统中进行实际应用。
表 11 我国抽水蓄能电站统计数据
Tab. 11 Pumped hypo stations installed in China
地区 华北地区 华南地区 已建电站 河北潘家口 北京十三陵 广州 浙江溪口 河北岗南 机组容量/MW 在建电站 机组容量/GW 270 2 400 1 800 80 100 70 90 80 800 11 山西西龙池 河北张河湾 浙江桐柏 安徽琅琊山 江苏宜兴 — — — — 山东泰安
1.00 1.20 1.00 — — 1.20 0.60 1.00 — —
华东地区
浙江天荒坪 安徽响洪甸 江苏沙河 湖北天堂 拉萨羊卓雍湖
华中地区 西部地区 4.2 我国电力储能技术的发展方向和研发重点
图 1 显示了各种储能技术的功率等级及其目前
的技术成熟度，具体方式的选择需考虑实际用途、 额定功率、桥接时间、技术成熟度、系统成本、环
成熟 用户
配电 铅酸、NICd 电池
输电 发电 抽水储能
飞轮储能 NaS 电池
较为成熟正在发展 储能技术成熟度
压缩空气储能
超级电容器 液流电池
微型压缩气体储能
SMES
氢储能
100 MW
kW 100 kW MW 10 MW
功率等级
图 1 储能技术功率等级及其技术成熟度 Fig. 1 Technical capability and commercial availability of
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张文亮等：储能技术在电力系统中的应用 Vol. 32 No. 7
规模化生产。 境条件等多种因素。针对我国电力系统的现实需 要，并仍国家发展战略、国家中长期科技规划和城 市电网可持续发展大计综合考虑，2007 年国家电网 公司提出了―能源转换关键技术研究—储能关键技 术研究‖框架，并进行了周密部署，―十一亓‖期 间将以电力储能技术前期研究和共性问题研究为 基础，以先进储能装置和电网接入系统关键技术的 研究为为攻方向，以示范工程为成果展示平台，以 前瞻性研究为储能技术可持续发展的驱动力，通过 自为创新掌握电力储能系统的核心技术，并推动实 际工程的应用。
（2）以液氮温区运行 SMES 研究为重点，开 发
分布式储能系统，提高我国大电网暂态稳定性， 抑制低频振荡，增加高压线路的输电能力。
国内电力储能技术的应用、研究与开发表现出
（1）以可再生能源系统应用为切入点，开发 100
以下 3 个特征：
kW 级全钒液流和 MW 级钠流电池储能系统， 逐步替代铅酸电池系统，为区域电网平滑负荷、提 高配电网供电可靠性、UPS 等应用奠定基础。
由于全钒液流电池正、负极活性物质均为钒， 只
是价态不同，可以避免正、负极活性物质通过离 子交换膜扩散造成的元素交叉污染，成本低、寿命 长，已成为液流电池体系中为要的商用化发展方向 之一。自 1995 年起，我国就开始了全钒液流电池 的研究，已成功开发出 10 kW 级储能系统，转换效 率大于 80%，最大输出功率超过 25 kW，并建立了 电池实验室模型，在电极设计、溶液制备、浓度控 制、导电塑料成型及批量生产、公用管道设计、电 池组装配和调试等方面积累了丰富经验，国产化全 氟磺酸离子膜有望取代进口离子膜材料，这为自为 研发大容量储能系统奠定了条件。2008 年，中国电 力科学研究院将研发用于风电场的 100 kW 级储能 系统，并考核其运行的可靠性和耐久性。
钠流电池能量密度高，维持 300oC 左右运行温
度的技术难题已得到解决，但目前价格较高，推广 应用为要障碍源于国外企业的技术垄断。通过国产 化来降低成本，实现大容量储能系统的应用，成本 将接近铅酸电池系统。目前，上海电力公司正着手 50 kW~1 MW 不同容量等级钠硫电池系统的研制， 用于 UPS/EPS，力图掌握大尺寸电解质陶瓷管等核 心部件制备技术，建立标准和规范，并实现模块化、
在大电网互联的模式下，当系统中出现故障或 者大扰动时，同步发电机并不总是能够足够快地响 应扰动以保持系统功率平衡和稳定。SMES 的 ms 级响应、大容量功率/能量传递决定了其在提高大电 网动态稳定性方面是无可替代的：SMES 在系统发 生故障或受到扰动时能够快速地吸收/发出功率，减 小和消除扰动对电网的冲击，消除互联电力系统中 的低频振荡，抑制同步振荡和谐振，并在扰动消除 后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态， 提高系统运行的可靠性。
率调节、电能质量管理等重要作用，确保了 系统安全、稳定、可靠的运行。基于我国能源分布 特点，国家电网已基本形成―西电东送、南北互供、 全国联网‖的格局。为确保大电网的安全性和可靠
在―九亓‖和―十亓‖期间，我国已先后研制 成功
25 kJ~1 MJ SMES 系统，目前 1 MJ SMES 正处 于并网调试中，但低温超导SMES 制冷系统较复杂， 技术要求高，而铋系高温超导 SMES 通常采用制冷 机冷却，稳定裕度低。为进一步改善 SMES 性能、 降低成本并提高其经济性，中国电力科学研究院正 在分阶段、有重点地开展第二代高温超导带材—— 钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)涂层导体 SMES 储能单元构 造、低损耗快速功率变换及其控制策略、模块化系 统集成、动态建模与仿真、分布式储能系统规划及 其与电网匹配运行等关键技术的探索性研究，通过 示范推动 SMES 的实际应用，确保大电网的安全、 可靠运行。
（3）加快建设 GW 级抽水蓄能混合式电站， 满
足大电网调峰和紧急事故备用的现实需要。
为了优化电源结构，保证电网安全，改善电能
质量，我国抽水蓄能电站的建设和规划设计工作正 在全国范围内蓬勃展开。抽水蓄能电站的运行正逐 渐向双日或周季调节过渡，并通过技术创新提高转 换效率、增加运行灵活性。为提高经济效益，潘家 口、响洪甸、佛磨、双沟和天堂等电站融水利、水 电、抽水蓄能于一体，选择混合模式开发实现电站 的新建和扩建，促进了社会经济协调发展、环境保 护和资源的节约利用。
5 结束语
电力储能技术正朝着转换高效化、能量高密度 化和应用低成本化方向发展，通过试验示范和实际 运行日趋成熟，在电力系统中发挥出调峰、电压补 偿、频