0 引言
随着新能源发电规模越来越大，其发电间歇性和波动性甚至反调节性问题越来越突出，迫切需要行之有效的技术方案来解决新能源大规模并网后带来的电网调峰调频问题[3-5]。传统电网中水力发电和火力发电机组作为主要的调峰调频电源，通过一次调频、二次调频等方法，根据系统频率变化不断改变机组出力。但是，受自身发电特性限制，它们各自存在一定的局限性，影响电网频率的调节品质甚至安全稳定运行。比如火电机组锅炉燃烧过程响应时滞长，而水电机组受枯汛期季节和水库水头影响较大；火电机组一次调频性能受锅炉蓄热等问题限制，甚至存在未达到一次调频理论调节量问题[6]；二次调频量受火电机组爬坡带负荷速率和各类调节延时的影响[7-8]。
1 大容量电力储能类型及电网调峰与调频
1.1 大容量电力储能类型
表1 典型储能方式的主要技术指标
Tab. 1
| 储能类型 | 典型额定功率 | 持续响应时间 | 效率/% | 应用场景 |
| 电化学储能 | 1 kW~50 MW | 1 min~数h | 60~80 | 削峰填谷、系统调频、可再生储能 |
| 抽水蓄能 | 100~2 000 MW | 4~10 h | 60~70 | 削峰填谷、系统调频、核电配套 |
| 压缩空气储能 | 500 kW~300 MW | 6~20 h | 40~50 | 调峰、系统调频、系统备用 |
| 飞轮储能 | 5 kW~5 MW | 15s~15 min | 70~80 | 调频调峰、系统调频 |
| 超导磁储能 | 0.01~1 MW | ms~15 min | 80~95 | 改善暂态稳定性、提高输电能力 |
| 超级电容器 | 0.01~1 MW | 1s~15 min | 70~80 | 电能质量调节、输电系统稳定性 |
从表1应用场景可以得知，容量能够达到5 MW以上，能够在电网中起到削峰填谷、系统调频作用的有电化学(蓄电池)储能、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能。
1.2 电网调峰与调频
电力系统的频率反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数，偏离电网正常运行频率，将影响电力设备本身的效率，偏离较多时甚至威胁设备安全运行。
图1
调频主要有一次调频和二次调频2种方式：一次调频是系统频率偏离标准值时，利用发电机组调速器作用，按照系统固有的负荷频率特性，调节发电机组出力的方式。二次调频是指移动发电机组的频率特性曲线，即改变发电机组调速系统的运行点，增加或减少机组有功功率，从而调整系统的频率[21]。
因此，参与电网调峰调频主要指标是储能的功率调节范围和响应速度(响应时滞、响应时间和爬坡速率)。
2 大容量电力储能参与电网调峰调频特性
2.1 电化学储能
表2 大规模电化学储能主要技术指标
Tab. 2
| 储能类型 | 典型额定功率 | 持续响应时间 |
| 铅酸电池 | 1~20 MW | 1 min~10 h |
| 锂离子电池 | 1~10 MW | 1 min~8 h |
| 钠硫电池 | 1 kW~10 MW | 1 min~1 h |
| 全帆液流电池 | 1~10 MW | 1 min~24 h |
以上电化学储能虽在运行机理和技术成熟度都存在差异，都属于化学能与电能的可逆转换，较易实现大容量储能，在电网中的调峰调频作用相似，因此统一进行综述。
综上，电化学储能在电网调峰调频中的应用最为广泛，覆盖了电厂侧、电网侧和用户侧，有着运行控制简单、可以实现无人操作、系统充放电响应快速、充放电调节范围可以达到全容量内而没有限制等特点，近年得到了大规模推广应用，在一二次调频和系统调峰各方面都有较多研究和应用。电化学储能通过电力电子装置接入电网系统，存在没有转动惯量的缺点，需要辅助虚拟同步机等技术提高系统调峰调频的稳定性。
2.2 抽水蓄能
随着电力电子技术的发展，抽水蓄能电站的启动运行方式也逐渐转变为变频调速启动。这使得抽水蓄能机组的启动速度进一步提升，运行工况的变化更加灵活[37]。
抽水蓄能机组参与电网一次调频，文献[41]采用鲁棒控制方法，基于系统整体状态方程，并以输入信号权重的形式考虑风电出力波动特性，有针对性地对风电出力波动进行调节抑制。
抽水蓄能电站在发电释能阶段就是一台水力发电机组，技术最为成熟，机组容量在各种电力储能类型中为最大，调整负荷速度较快，需考虑“振动区”限制不能实现全容量范围调节，提供转动惯量，是电网重要的调峰调频手段。
2.3 飞轮储能
式中：J为飞轮的转动惯量；ωmax2为飞轮的最高转速；ωmin2为飞轮的最低转速。
飞轮储能的特点是瞬时功率大，但是由于要维持旋转，自放电率高，需要在具备频繁在储能/释能工作状态中切换才能维持较高的转化效率，这在电网一次调频中有较多的应用场景。
2.4 压缩空气储能
补燃型压缩空气储能因为要补充燃气进行燃烧，在调峰调频性能上接近于燃气轮机。我国的非补燃式机组还没有真正意义上的接入电网参与调峰调频运行，也未见相关研究文献。但其调节容量可以做到较大(目前已在开展100 MW前期工作)，调节速度较快，可以做到全容量范围内调节，提供转动惯量等优点，在电网调峰调频中有很好的应用前景。
2.5 大容量电力储能调峰调频特性比较
以上各种大容量电力储能均具有功率调节范围大、响应速度快、具备双向调节等特点，但也各有特色，具体特性比较见表3。
表3 大容量电力储能调峰调频特性比较
Tab. 3
| 储能类型 | 参与调频功率范围 | 响应速度 | 控制精度 | 转动惯量 | 国内电网应用 |
| 电化学储能 | 全范围 | 快 | 高 | 无 | 多 |
| 抽水蓄能 | 部分范围 | 较快 | 较高 | 有 | 较多 |
| 压缩空气储能 | 全范围 | 快 | 较高 | 有 | 无 |
| 飞轮储能 | 全范围 | 非常快 | 高 | 有 | 无 |
3 研究发展趋势
通过以上分析可知，各种大容量电力储能的调峰调频性能研究程度不尽相同，随着新能源的接入越来越多，大容量电力储能的应用需求也越来越多，其参与电网调峰调频技术还有很大的研究前景和发展空间。
1）加快对压缩空气储能技术和飞轮储能的研究。目前对抽水蓄能和电化学储能参与电网调峰调频的研究较多，已有不少的工程应用，而对于压缩空气储能和飞轮储能目前研究还多在本体系统的热力性能、转化效率方面。
2）加强储能阶段调峰调频特性的研究。目前研究主要在发电释能阶段如何参与电网一二次调频和调峰运行，而对于储能耗电阶段的研究较少，特别是随着变频技术在水泵抽水蓄能、压缩机压缩空气阶段的应用，其参与电网的用能负荷可以进行调节，进而提高电网的调峰调频能力。
3）开展对多种储能技术联合互补运行的研究。各种大容量电力储能技术各有特点，而电网也有不同的应用场景，因此开展多种技术联合互补运行则可以扬长避短，充分发挥各种储能技术的优点，满足电网调频功率调节范围和响应速度的综合要求。
4）加快降低储能成本和补偿机制研究：目前各种大容量电力储能成本较高，已成为在电网大规模推广运用的最大瓶颈，补偿机制不完善也限制了发展，应开展相关研究实施，通过经济杠杆可以推动大容量电力储能在电网调峰调频中发挥更大的作用。
4 结论
能够在电网起到削峰填谷、系统调频作用的大容量电力储能有电化学(蓄电池)储能、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能4种类型，具有功率调节范围大、响应速度快、具备双向调节等共同特点，也各有特色。下一步应加强对压缩空气储能和飞轮储能调峰调频特性、储能阶段调峰调频特性、各种储能技术联合互补运行、降低储能成本和补偿机制研究，推动大容量电力储能在电网调峰调频中发挥更大的作用。
参考文献
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储能技术在电力系统中的研究进展
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