大规模储能技术应用及问题

储能技术概述

能源是人类生存的基础，随着人类生产、生活的高速发展，能源的需求量越来越大，对能源性能的要求也越来越高，导致环境污染也越来越严重。作为人类最便于使用的二次能源—电力，也随着人类技术不断发展进步，而不断呈现出技术进步的需求，如对电力的安全性、稳定性、持续性、经济性、便利性、清洁性等、提出了更高的需求。而这些更高的需求随着储能技术的发展有可能得到更好的解决。

目前广泛应用的储能技术主要分为四类：机械储能、电磁储能、电化学储能 、相变储能。机械储能主要有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能主要有超导电磁储能、超级电容器储能等；电化学储能主要包括铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等；相变储能主要有固—液相变、固—固相变储能等。每种储能技术都有其自身的特点，表1总结了主要几种储能技术的优缺点及应用。

随着储能技术研究的深入，储能技术正朝着能量转换高效化、能量高密度化、功率大型化和应用低成本化的方向迅速发展。大规模储能技术的发展和应用将可能对电力系统带来革命性的影响。将使电力—历来只能即产即用的特殊商品，通过储存使其具备一般商品的特性，从而对其电力生产经营理念和运行管理模式产生巨大的变革。同时，只有储能这一关键性技术的规模化发展，才能使风电、太阳能、潮汐能等间歇的、随机的、低密度特性的可再生清洁能源得以更广泛的、高效的利用，逐步成为替代传统化石能源，并最终成为主导能源。

电池储能技术应用领域及问题

大规模储能的优点在于，可以解决电力生产中的峰谷差困难；同时大规模储能可以提高电力系统供电的可靠性；在系统故障停电时，储能可以暂时供电、为系统的调节装置赢得时间进行调整，避免系统失稳而恢复正常运行；大规模储能是新能源发电设备中必不可少的装备、有了储能装置的配合，这些不稳定的发电设备才有可能向用户稳定地供电；大规模储能也可以使移动式、便携式的设备得到快速的发展等。

长期以来，储能一般采用小规模电池储能和抽水储能电站，限制了基于储能技术相关行业的发展；直到最近、电池技术获得了突飞猛进的进步，使大规模储能技术成为可能。下面将对基于电池储能的应用领域作概括介绍。

表1　储能系统的种类、特点及应用

新能源发电及电力调峰

近年来由于环境污染、传统化石能源枯竭等问题，致使各国政府不断推出鼓励新能源发展的政策，使新能源得到飞速的发展，从而也导致大量出现弃风、弃光等事件的发生，而一般认为这是电网不配套引起的问题，但核心的问题是新能源的随机性、间歇性等特点引起的。因为输电网由于经济的原因不可能按新能源发电量的最大容量进行配套，导致新能源设备以最大容量发电时无法送出，而不发电时输电网闲置、导致投资浪费。

而如果有效利用大规模储能则可以根本解决这一问题，目前已有相关部门在研究和试验这一方案。即在新能源大规模发电时将部分发电量采用储能的方式进行储存，而在发电量较小或没有时、由储存的电能提供，采用储能技术的新能源发电主要有以下优点：

1）可以将新能源发电设备向电网输出的电能流动变得更加平稳，减小对电网的冲击；

2）可以降低输电网的容量、改善电网性能、提高经济性；

3）避免弃电事件发生、提高新能源发电设备的利用率和经济性；

4）在新能源发电设备不发电时，可利用储能系统储存的电量参与电力系统的调峰，提高新能源发电厂商的经济效益，降低新能源的发电成本。

科学界预测2050年人类的太阳能利用可以占总能源供应的50%，如果没有经济可行的大规模储能技术，这个愿望不可能实现！因而储能技术在新能源发电、电力调峰中的应用具有无限的发展前景，这不仅对新能源发电设备及发电厂商是非常有利的，同时对电网的性能和投资的经济性也是非常有利的，更重要的是可以改变人类长期对化学能源的依赖、转而依靠永不枯竭的新能源。

电动汽车及电力调峰

目前出于各种原因，各国政府都在积极的鼓励发展电动汽车，因而电动汽车呈现蓬勃的发展趋势。电动汽车发展方向主要包括混合动力汽车与纯电动汽车两种类型。混合动力汽车是在汽车处于加速或大负荷工况时，电机起电动机的作用辅助驱动车轮，补充燃油发动机动力输出的不足，提高整车的动力性能；而当汽车处于减速或小负荷工况时，电机起发电机的作用，将发动机的输出功率转换为电能储存在电池中，从而保持燃油发动机工作在最佳状态，达到节能减排的目的。混合动力汽车虽然能在一定程度上达到节能减排的目的，但由于储存容量较小，且结构复杂，不能达到节能以及环保的最终要求，因而电动汽车最终发展方向是纯电动汽车。

纯电动汽车完全采用电池储存的能量驱动汽车行驶，在制动时回收能量，达到节约能量的目的。发展纯电动汽车主要存在以下优点：

1）因为采用纯电动驱动，结构和控制系统都较混合动力简单，因而可以减少资源的消耗和制造的成本；

2）行驶中、纯电动汽车完全零排放，从而保护环境；

3）纯电动汽车的电池容量较大，可利用电网负荷低谷时进行充电，可减少电动汽车使用成本，更有利于电网的经济、平稳、高效运行；

4）当电动汽车不经常使用时，可利用电池在电力负荷低谷时充电、负荷高峰时进行放电，达到削峰填谷的作用，提高电网的经济、平稳运行的目的；同时也有利于避免电池长期处于过压或欠压的状态，有利于提高电池的使用寿命；还可为使用者带来一定的经济收益，减少电动汽车的使用成本。

城市电网、智能电网的储能

目前、电力的生产、传输、配电和使用都是同时进行的，但由于负荷具有波动性，致使输配电网络在负荷高峰时不能及时的给负荷供电，负荷低谷时出现输配电线路利用率较低的问题。为解决这种矛盾，目前采用相对成熟的抽水蓄能技术，其功率和储能容量规模可以做的很大，对于控制电网稳定和安全及新能源的接入都能发挥巨大的作用，但抽水储能存在地势需求的影响、一般建在远离负荷中心的地方，当负荷高峰时需要长距离的输电线路传输至负荷中心，致使效率较低、并且响应速度较慢等缺点。有研究表明，仅仅依靠单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、成本、动态响应等性能指标；如果同时采用电池储能技术与抽水蓄能技术相结合，可以取得较好的技术和经济性能。

目前，世界各国都在研究和建设坚强智能电网、虽然到目前为止，智能电网并没有统一的定义，而一般认为智能电网应具有安全性、自愈性、 兼容性、交互性、高效性、优质性集成性、协调性等特点。而采用一种储能技术很难全面满足智能电网需求。为适应智能电网的发展，除发展抽水蓄能外还应大力发展能够灵活布置的电池储能技术。因为电池储能相对于其他储能技术具有以下优点：

1）易于灵活、分布式的布置、可尽可能的靠近负荷中心；

2）动态响应速度快，及时的满足输电线路和智能电网的调度需求；

3）可将电池储能装置安装在负荷中心、在负荷低谷时储能、高峰时释放能量、不仅可最大限度的利用输电线路，减少投资，提高经济性；同时可在同等输电线路容量的条件下满足更大的负荷需求，尤其对于冲击性负荷，起到削峰填谷的作用；

4）可有效的提高电网的电能质量，满足电网的调压和调频的需要。

离网型系统的储能

离网型系统主要应用在边疆区、山区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。离网型系统一般利用太阳能、小型风力发电机、小水电等电能，主要表现在这些电能具有间隙性、不稳定性，同时又没有大电网的支撑。一般一边利用这些电能给负载供电，同时也给储能系统充电；在发电断续期间由储能系统组给负载供电。因而储能系统对于离网型系统是必不可少的组成部分，使用储能系统不仅有助于保证负荷的连续供电；同时有利于小型发电系统的黑启动等优点。

电池储能系统除主要应用于以上大功率、大容量的电力系统外，还广泛的应用于便携式移动设备；控制系统的UPS系统、EPS系统等，具有非常广泛的应用领域。、，

电池储能技术应用需要研究的领域

随着近年来电池储能技术的不断发展，使大容量、大功率的电池储能系统的广泛应用成为可能。但在大规模应用之前还有很多的问题需要进一步的研究和解决。主要有以下几方面。

大规模储能系统管理、成组技术的研究

目前单节电池在储能使用中，基本可以处于理想状态，如手机电池、笔记本电脑等，可以比较好的实现剩余容量的检测（SOC）、温度的控制、过充过放控制、电池健康状态（SOH）的测量、绝缘的监测问题等。但作为大规模储能系统使用时，如电力储能、电动汽车、无线基站等，需要将大量的单节电池串并联使用、以扩大容量、功率或电压。这样的使用会带来大量的问题，如充放电的均衡性，温度均匀性的控制，SOC和SOH的测量，整体性绝缘监测，安全性问题等。

因而对于大规模电池储能系统，首先需要解决的是将单节电池如何科学合理的成组，只有电池成组后才能在使用中、能便捷的管理和维护。但电池成组串并联的多节电池在制造或使用中，会出现个体差异，而这种差异导致性能越差的电池，其使用寿命衰减的越快，从而导致电池组的使用寿命远小于单节电池的使用寿命，因而如何解决这种问题，是电池成组技术的关键。

如何在电池组的使用过程中解决或避免这种由于电池个体差异、而导致的性能越差衰减越快的问题。因而需要进一步加强电池组的均衡性能、剩余容量（SOC）、健康状态（SOH）、温度场监测、整体绝缘性能、安全性能等问题的研究，只有当这一系列的问题得到较好的解决时，大规模储能技术才能得到广泛的应用。

储能系统容量的选择性研究

对于新能源发电、无论那种储能系统的接入方式，理论上储能系统的容量越大越好，但实际是不可行的；因而需要针对具体系统性能要求，工程造价的可行性、现场的特点等、综合分析研究、确定合适的储能系统容量。

同样、对于电动汽车也存在这样的问题。目前各汽车厂家为追求更大续航里程和动力，不断的通过增加储能系统的容量来实现，这样在增加续航里程和动力的同时，也增加了汽车的自重，因而使单位能源做功的效率反而下降。违背了电动汽车的发展的初衷—节能减排的目的。

因而对任何一个采用储能的系统都存在一个最佳的储能容量，所以在使用储能系统时，必须科学合理的确定储能系统的容量，使其达到最佳效果。而如何确定储能系统的容量需要进一步的研究。

新能源发电储能系统接入方式的研究

目前对于太阳能发电，一般采用太阳能电池板吸收太阳能，转换成直流电源；而储能系统安装在太阳能电池板和电网之间。此时需要在太阳能电池板和储能系统间的DC/DC变换器保证太阳能电池板的最大功率追踪，而在储能系统与电网之间的DC/AC逆变器，不仅要根据电网的调度指令或电能参数的变化向电网输送合格的交流电源，同时还要根据发电侧的电流合理分配电能，一部分输送电网，另一部分向储能系统充电，当发电侧电流不足时，由储能系统放电，经电网侧DC/AC逆变器向电网供电。直驱型风力发电的原理与此类同，只是发电侧是AC/DC变换、负责控制风轮的最佳风能利用系数；电网侧是与太阳能相同的DC/AC逆变器，控制原理与太阳能的控制方式相同。而对于双馈型风力发电、其储能系统安装在转子侧，储能系统的发电侧接发电机的转子，对于储能系统的电网侧或发电侧所接的都是四象限变流器，保证功率的双向流动，其控制方法较直驱型复杂，但储能系统的作用是相同的。其他类型的新能源发电的储能系统接入方式与此类同。这种接入方式是将储能系统做成分布式的、放置在每个发电设备附近；这种接入方式，可避免单个储能系统故障影响整个发电场、提高系统可靠性，同时也尽可能的避免了多次整流和逆变，因而效率较高。但系统的结构非常复杂，控制的难度很大。

另一种储能系统的接入方式是将储能系统做成集中式的，让每台发电设备向储能系统输送直流电源，而后由集中的逆变器负责向电网输送电能和管理储能系统。这种接入方式可减少逆变器的数量，易于控制，便于集中放置储能系统，同时还可节省成本，但是一旦储能系统故障容易影响整个发电场。

第三种储能系统的接入方式是将储能系统直接接在电网上，即新能源发电设备已将电能转变成符合电网的电能输送到电网上，而储能系统重新从电网上取电或向电网放电的方式。这种接入方式的优点是便于储能系统的集中放置；且不一定要放置在发电设备附近的特点；同时这种方式有利于在新能源发电不足时，可让储能系统单独参与电网的调峰；每个控制系统都是独立工作，在技术上容易实现。缺点是每台发电设备都需要将电能转换成合格的交流电能输送到电网的设备，需要多次的整流和逆变，使系统的效率降低，同时需要更多的设备、可靠性降低、工程造价较高。

目前这三种方式都在研究阶段，具体采用哪种接入方式更合适、要考虑到技术的可行性、系统的可靠性、现场的特点、工程的造价等各个方面，应根据具体系统具体研究的原则、确定哪种接入方式更适合。

电池的梯级利用的研究

目前一般认为电动汽车是一种节能环保的交通工具，因为其消耗电力，无排放；动力能源的费用远低于传统动力的汽车等优点。但实际电动汽车的推广却遇到了问题，表面的现象是电动汽车使用的配套不完善，续航里程短、导致使用不便引起的。实际是电动汽车使用一定年限后必须更换电池储能系统，而这相当于整车价格的近一半。总体的使用成本远高于传统动力汽车，这无疑阻碍了使用者的积极性。同时、电动汽车是否节能环保，本文认为还需进一步商榷。因为电动汽车消耗的电力是需要发电的，而这一过程一定会消耗资源、污染环境的，同时电池储能系统的制造和拆解都会消耗大量资源和能源、同时也会对环境造成影响，至于是传统动力还是电动力的汽车那种方式更优，需要进一步的分析，本文不做定论。

但无论是从经济性还是环境友好性等方面考虑，如果能有效的延长储能系统的生命周期，无疑可以提高采用储能系统设备系统的竞争力的。提高储能系统的生命周期，要加强储能系统管理技术的研究、即电池的SOC、SOH等状态、寿命监测管理技术的研究，确保储能系统处于最优的使用状态，避免错误的使用、影响系统的生命周期，同时又能对电池的健康状态做出准确的判断，对于有些场所不再适用的储能系统，可以根据具体的性能使用在其他场所，可有效提高储能系统的使用周期。如作为电动汽车的动力电池在SOC降为80%时，已不再适用电动汽车、但可以作为蓄能装置、进行梯度使用，可提高资源的利用率，降低储能系统的使用成本，保护环境。但如何去实现哪种健康状态的电池适用那种使用场所，需要进一步的研究。

总结

当前，整个能源领域的技术人员都在研究如何使能源的开发、使用更高效、低碳、经济、安全，而储能技术的研究无疑是所有能源领域研究的一个切入点、更可能是一次历史性的变革。因为研究与应用储能技术是解决新能源并网接入、提高能源利用效率、提高电网运行效率、改变传统的运载工具、保证电能质量等方面的重要途径，而且具有无限的发展潜力。本文总结了目前大规模使用储能的领域及特点，同时对储能系统需要进一步研究的方面进行了归纳，希望有利于储能技术研究的工程技术人员更好的研究，推动储能技术更快的发展，相信未来的储能技术在能源变革中具有举足轻重的地位，更好地为人类的生活和保护环境服务。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.010