顛覆性的儲能技術(shù)助力清潔能源發(fā)展

高 雅/文

進(jìn)入10月份以來，我國許多地方出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣，其中以北京及其周邊地區(qū)最為嚴(yán)重。大氣污染是我們目前面臨的最大威脅，而從長遠(yuǎn)的發(fā)展來看，氣候變化對地球的影響更大。美國氣象學(xué)會今年發(fā)布的第26期年度《氣候狀況報(bào)告》顯示，氣溫、二氧化碳、海洋熱量和北極海冰等所有的變化在2015年都達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。

2016年，全球氣溫繼續(xù)飆升，上半年的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2015年。這份報(bào)告的第一作者杰西卡·布倫登說：“2016年很有可能會創(chuàng)造新的全球高溫紀(jì)錄。”

環(huán)境污染、氣候變化、霧霾等已經(jīng)成為人類急迫需要解決的問題，而發(fā)展清潔能源成為解決難題的全球共識。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球水能資源超過100億千瓦，陸地風(fēng)能資源超過1萬億千瓦，太陽能資源超過100萬億千瓦，僅開發(fā)其中0.05%就可以滿足未來人類社會對能源的需求。然而，能源轉(zhuǎn)型要伴隨著各種新技術(shù)的突破，一步步從誕生、快速成長走向大規(guī)模普及。

一、讓電網(wǎng)更穩(wěn)定

近年來，我國清潔能源持續(xù)快速發(fā)展。截至2015年底，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)分別達(dá)到1.28億千瓦、4158萬千瓦，均居世界第一。國家電網(wǎng)成為全球接入清潔能源規(guī)模最大、發(fā)展最快的電網(wǎng)。

然而，與火電等同步發(fā)電機(jī)相比，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電尚不具備慣性調(diào)頻、自主調(diào)壓、阻尼功率振蕩的能力，故障應(yīng)對能力差，大規(guī)模接入電網(wǎng)后，將影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。中國電力科學(xué)研究院新能源中心總工遲永寧表示，要想達(dá)到與火電等常規(guī)同步發(fā)電機(jī)同樣穩(wěn)定的效果，虛擬同步機(jī)技術(shù)是一個很好的解決方案。

虛擬同步機(jī)是一種基于先進(jìn)同步變流和儲能技術(shù)的電力電子裝置，可通過模擬同步電機(jī)的本體模型、有功調(diào)頻以及無功調(diào)壓等特性，使含有電力電子接口（逆變器、整流器）的電源和負(fù)荷，從運(yùn)行機(jī)制及外特性上與常規(guī)同步機(jī)相似，從而參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓和抑制振蕩。

這并不是一項(xiàng)新技術(shù)，早在1997年，IEEE就提出過虛擬同步機(jī)的概念。隨后，比利時魯汶大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)、英國利物浦大學(xué)相繼開展了模擬同步發(fā)電機(jī)外特性、虛擬慣性頻率控制策略等研究。2012年，國家電網(wǎng)公司依托千人計(jì)劃專項(xiàng)，開展虛擬同步機(jī)技術(shù)研究。2013年，中國電科院成功研制世界首臺50千瓦虛擬同步機(jī)樣機(jī)。2014年，南瑞集團(tuán)、許繼集團(tuán)成功研制500千瓦虛擬同步機(jī)樣機(jī)，目前正在開展兆瓦級樣機(jī)研制。

“風(fēng)電、光伏通過虛擬同步機(jī)接入電網(wǎng)，一是能夠主動參與一次調(diào)頻、調(diào)壓，提供一定的有功和無功支撐；二是能夠提供慣性阻尼，有效抑制頻率振蕩。可使新能源具備與火電接近的外特性，對電網(wǎng)穩(wěn)定起到支撐作用，是解決新能源發(fā)電‘先天不足’問題的有效手段。”遲永寧說。

作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔能源消納的有效手段之一，虛擬同步機(jī)技術(shù)被國家電網(wǎng)公司列入“十大重點(diǎn)科技創(chuàng)新工程”，由國網(wǎng)冀北電力公司牽頭，中國電力科學(xué)研究院、南瑞集團(tuán)、許繼集團(tuán)等單位共同參與，開展虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、仿真分析、設(shè)備研制與檢測等工作，旨在研究解決虛擬同步電機(jī)接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)發(fā)電側(cè)虛擬同步電機(jī)接入電網(wǎng)的示范工程。

示范工程對現(xiàn)有風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電的逆變器和控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，新建大容量集中式虛擬同步機(jī)，調(diào)節(jié)能力達(dá)到547.5兆瓦，是世界上規(guī)模最大的虛擬同步機(jī)示范工程，計(jì)劃2017年年底建成。

應(yīng)用虛擬同步機(jī)技術(shù)成本并不高，據(jù)遲永寧介紹，風(fēng)電場虛擬同步機(jī)改造成本100元/千瓦；新建風(fēng)電場標(biāo)配虛擬同步機(jī)基本不增加成本。光伏電站虛擬同步機(jī)改造成本600元/千瓦；新建光伏電站標(biāo)配虛擬同步機(jī)增加成本200元/千瓦。集中式虛擬同步機(jī)成本220元/千瓦，隨著儲能價(jià)格下降，造價(jià)將持續(xù)降低。

技術(shù)只有轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，才能具有更普遍的意義。“目前有兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中，分別是《單元式光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》和《風(fēng)電機(jī)組虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》，我們希望能夠進(jìn)一步明確虛擬同步機(jī)技術(shù)參數(shù)，推動新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓技術(shù)規(guī)范的出臺，形成新能源建設(shè)和并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)模式。”遲永寧說。

二、顛覆性的儲能技術(shù)

風(fēng)能和太陽能是清潔能源的重要來源，但都有波動性。在晚上或無風(fēng)的日子里，太陽能和風(fēng)能無法滿足電力用戶的能源需求，除非我們可以將風(fēng)能和太陽能儲存起來備用。儲能的魅力就在于可以使這一夢想成為現(xiàn)實(shí)。

今年5月份，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016～2030年)》，其中，儲能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)被列為中國未來15年的關(guān)鍵創(chuàng)新任務(wù)之一。

儲能技術(shù)將是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，涉及其建設(shè)的各個主要環(huán)節(jié)。儲能技術(shù)在接納風(fēng)電、太陽能發(fā)電等間歇性清潔能源入網(wǎng)方面也發(fā)揮著不可或缺的重要作用。國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心主任李俊峰曾表示：“真正影響未來能源大格局的就是儲能技術(shù)，一旦儲能技術(shù)能夠突破了，其他的都好解決。”

近幾十年來，儲能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國重視。“廣義上來講，儲能可分為物理、電磁、電化學(xué)三大類型，壓縮空氣儲能是物理儲能的一種。”全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電力電子所副所長徐桂芝表示。

壓縮空氣儲能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動膨脹機(jī)發(fā)電的儲能方式。與電池、超級電容等秒級響應(yīng)的功率型儲能技術(shù)相比，其響應(yīng)速度約為分鐘級，效率有一定差距，但具有儲能容量大、成本低、壽命長且無污染等優(yōu)點(diǎn)。

自1949年提出壓縮空氣儲能技術(shù)以來，圍繞提高效率和儲能密度，先后發(fā)展出傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)、深冷液化空氣儲能技術(shù)和超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)四種主要技術(shù)方案。

“壓縮空氣儲能技術(shù)將空氣液化并存儲，同時回收利用壓縮過程中的余熱以及膨脹過程中的余冷，可提升系統(tǒng)效率。此外，液態(tài)空氣能量密度高，約是高壓儲氣的10倍甚至更高，安全性好、儲氣罐成本低，徹底擺脫地理?xiàng)l件限制。液態(tài)空氣所回收的低溫冷能品位高，能量高效儲能利用的要求高，進(jìn)口設(shè)備造價(jià)高。”徐桂芝介紹了壓縮空氣儲能的優(yōu)勢和不足。

為解決關(guān)鍵設(shè)備成本高的難題，國家電網(wǎng)公司目前正在研究高效蒸發(fā)器和蓄冷器，“如果研制成功，這將是世界上最先進(jìn)的技術(shù)，相關(guān)造價(jià)將大幅下降。”徐桂芝表示。

為搶占新型儲能技術(shù)制高點(diǎn)，2016年國家電網(wǎng)公司研究了壓縮空氣儲能示范工程實(shí)施方案，明確了建設(shè)規(guī)模、組織形式等。工程將依托張北風(fēng)光儲輸二期工程建設(shè)，通過能量型規(guī)模化儲能技術(shù)，提高新能源消納水平，發(fā)揮風(fēng)光儲輸工程的示范作用。

張北的示范項(xiàng)目建成后，將成為世界上儲能容量最大的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。前期研發(fā)團(tuán)隊(duì)依據(jù)國內(nèi)設(shè)備廠家所提供數(shù)據(jù)，通過熱力學(xué)計(jì)算分析，開展了系統(tǒng)的工藝方案的設(shè)計(jì)研究。系統(tǒng)能量密度可達(dá)約100wh/L，是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)能量密度的20倍以上。該系統(tǒng)電電轉(zhuǎn)換效率為50～60%。

近百年前，大發(fā)明家托馬斯·愛迪生就曾暢想利用取之不盡的太陽能源。如今，這一夢想已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。清潔能源發(fā)展之路，雖崎嶇，但卻是大勢所趨。隨著新能源發(fā)電技術(shù)、虛擬同步機(jī)技術(shù)和壓縮空氣儲能技術(shù)的日漸成熟，清潔能源必將迎來更大發(fā)展。