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0 引言
在能源转型的背景下，“双碳”目标是构建以新能源为主的新型电力系统和清洁、低碳、可持续的能源体系，电力系统的发展对实现这一目标至关重要[1,2]。推动新能源产业的大力发展，提升能源消费的高度电气化，实现能源的高效循环利用和绿色经济低碳发展，是“双碳”目标得以实现的重要基础。新能源面临波动性较大，出力不稳定的问题。针对这一问题，应对策略包括弃用新能源，然而这种策略未能充分利用设备，导致资产浪费，不符合可持续性要求；另一种策略是扩大规模使用传统火电，增加基数以相对减少新能源比例，然而这种做法实质上掩盖了问题，违背了优化能源结构的初衷。此外，电力外送和智能管理是临时的缓解措施，能够在一定程度上解决新能源消纳问题，但仅在基线上做了局部优化，并不能完全解决问题[3,4]。
现代能源体系的建立需要对传统能源系统的各个环节进行变革。在能源供应侧，大量间歇性、随机性和可调度性低的新能源将逐渐取代可控的传统化石能源成为主力电源。在能源消费侧，以电动汽车为标志的再电气化序幕已经拉开。在能源输配侧，电网作为基础能源配置平台将面临源-荷双侧的强不确定性的冲击，各种安全稳定问题不断出现。在上述能源体系变革过程中，储能将扮演核心角色。
本文以新型电力系统下的储能应用为研究目标，通过系统性的文献检索，收集相关的研究文献和资料，包括已发表的学术期刊论文、研究报告、学位论文等进行文献收集。从新型电力系统下常见储能特征、电网侧储能促进新能源消纳、构网型储能支撑源网荷储建设及新型储能参与辅助服务四部分进行展开研究，提出对新型电力系统下的储能技术研究的展望。
1 新型电力系统下的常见储能特征
1.1 储能的分类
储能技术包括了传统储能和新型储能，在新型储能中，包含了传统的抽水蓄能以外的技术，如新型锂离子电池和液流电池，具有简便选择地址、强大调节能力的优势。储能具有多种分类方法，根据储能载体的类型，储能一般可分为3大类，具体如图1所示。
图1
电储能有机械储能、电磁储能和电化学储能。应用在电力系统中的机械类储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能和飞轮储能。其中，抽水蓄能技术已逐步成熟，在电力系统中得到广泛应用。压缩空气储能技术成熟度相对较高，目前已进入产业化阶段。与前两者相比，重力储能、飞轮储能的技术成熟度不高，仍然处于产业化的初级阶段。
电磁类储能主要包括超导储能和超级电容器储能，前者将电能存储于磁场中，后者将电能存储于电场中。电磁类储能在功率密度和循环寿命方面具有优势，可减小电网瞬间断电的影响，抑制电网的低频功率振荡，改善电压和频率特性。
电化学储能通过电化学反应实现电能与化学能之间的相互转换，这对应于电能的存储和释放过程。根据温度的差异，电化学储能可分为室温电池和高温电池两类。其中，室温电池主要包括铅酸电池、锂离子电池和液流电池；高温电池主要为钠硫电池。目前，铅酸电池和锂离子电池已实现了大规模产业化。
1.2 新型电力系统下储能结构及作用
在新型电力系统中，储能技术起着重要的作用，如图2所示。由于新能源如风能、太阳能的不稳定性和季节性，储能技术可以用来储存过剩的电能，在需要时释放出来，平衡电力供需，提高电力系统的稳定性和可靠性。储能技术可以在电力需求高峰时段释放电能，在需求低谷时段储存电能，帮助平滑电力负荷曲线，减少系统的峰谷差价，降低电力成本。储能技术能够快速响应电力需求变化，具有较短的响应时间，可提高电力系统的灵活性，有助于应对突发的负载波动和故障，确保电力系统的稳定运行。储能技术可以通过提供快速的电力稳定性控制，减少电力系统中的频率波动和电压波动，改善电力系统的质量和稳定性。储能技术可以帮助克服新能源的间歇性和波动性，提高其利用率，促进新能源的大规模接入和整合。储能技术可以作为备用电源，在电力系统遇到故障或灾难时提供紧急零排放的电力支持，增强电力系统的抗干扰能力和韧性。储能的应用特征如表1所示。
表1 储能的应用特征
Table 1
| 应用场景 | 主要用途 | 具体说明 |
| 电源侧 | 电力调峰 | 通过储能实现削峰填谷，低谷时段充电，高峰时段放电 |
| 辅助动态运行 | 储能＋传统机组联合提供辅助动态运行 | |
| 平滑可再生能源发电出力 | 在风电、光伏电站配置储能，对可再生能源发电出力进行平滑控制 | |
| 减少弃风、弃光 | 将可再生能源的弃风、弃光电量存储后再移至其他时段进行并网 | |
| 电网侧 | 系统调频 | 频率的变化影响发电及用电设备的安全高效运行及寿命产生 |
| 备用容量 | 在满足预计负荷需求以外，预留的有功功率储备 | |
| 缓解电网阻塞 | 发生线路阻塞时可以将无法输送的电能储存到储能设备中 | |
| 延缓输配电设备扩容升级 | 利用储能系统通过较小的装机容量有效提高电网的输配电能力 | |
| 用户侧 | 电力自发自用 | 更好地利用光伏电力，提高自发自用水平，降低成本 |
| 峰谷价差套利 | 低电价时充电，高电价时放电，实现峰谷电价差套利 | |
| 容量费用管理 | 低谷时储能，高峰时放电，从而降低整体负荷 | |
| 提升供电可靠性 | 发生停电故障时，将储备的能量供应给终端用户，避免了故障修复过程中的电能中断 |
图2
2 电网侧储能促进新能源消纳
2.1 应用大规模储能
由于风能、太阳能等新能源的波动性、随机性以及反调峰、极热无风、晚峰无光等特性，新能源的规模化并网消纳极为困难，轻则产生弃风、弃光现象，重则诱发大规模连锁脱网事故，给系统安全运行带来严重威胁。储能技术是支撑高比例新能源并网的关键技术。一方面，通过引入储能系统，可以实现太阳能、风能等新能源发电功率的平滑输出，降低新能源并网给系统带来的冲击，提高新能源的并网消纳率。另一方面，通过引入储能系统，还可有效控制电网电压、频率及相位变化，提高新能源电力系统的安全性及电能质量，从根本上促进新能源的开发利用。
2.2 应用电制氢技术
储能技术在当今正迅速发展。目前，已经开发出具有长寿命、高效率和高能量密度的储能载体，但尚无单一技术在所有指标上处于领先地位。因此，在综合能源系统规划中，根据具体应用场景选择适合的储能本体，并合理配置储能容量，以确保能源的稳定供应，是至关重要的。蓄电池能够快速调节短期电力平衡，但由于其自放电率较高，长期存储并不适宜。抽水蓄能具备快速响应能力和优良的调节性能，且具有较长时间的储能周期及大规模应用潜力，但其建设受到地理条件限制。氢能则以其清洁性、灵活性和高能量密度而受到关注，通过利用多余可再生电力进行水电解制氢，再通过压缩、液化等方式进行存储，最终转化为其他形式的能源，如电力、热能或天然气等。此外，氢气还可以被加工成氨、醇等化工产品。因此，氢气可视为物质与能源转换的重要枢纽，其应用情况如图3所示。
图3
3 构网型储能支撑源网荷储系统建设
3.1 源网荷储系统
储能作为最具代表性的灵活调节资源，既可以平抑新能源的波动性和间歇性，实现削峰填谷，又可以参与系统调频调压，确保系统安全稳定运行。由此可见，储能将成为现代电网的重要组成部分，电网也将由源网荷的传统运行模式逐渐过渡到源网荷储的协调运行模式，如图4所示。
图4
图4展示了通过多样化的优化策略及信息相互作用，在源网荷储协作中实现资源合理配置与共享控制的目标。该系统能够对分布式电源、可调负荷以及各类储能设施进行统一调整，从而高效管理发电、用电和储能设备，进而提升电力系统的稳定性及新能源的吸纳能力。源网荷储互动系统将能源与互联网行业深度融合，通过数字化信息构建协调优化的运营模式。
源网荷储系统的构建使得更多行业主体能够参与其中，展现出主体多元化和开放对等的特征。各方根据自身的供求关系获取相应效益，从而形成系统化的商业模式。该系统对各单元进行实时监控，并根据内部所有用户需求提供及时响应，为各主体的信息与资源流动提供了有效通道，体现了供需转换与能源共享的特点。此外，该系统积极推动新能源的发展，旨在减少弃光率并提高能源利用效率，具备高效运行及开源节流的优势。同时，该系统进一步优化了源网荷储各部分结构，通过控制中心实现对整个系统的实时监控与统筹协调，这一过程需要更高水平的技术支持。最后，在传统能源结构基础上，该系统增加了清洁能源所占比例，有助于降低碳排放，实现绿色共享及节能环保目标[28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]。
3.2 构网型储能在源网荷储系统中的支撑作用
图5
构网型储能技术能够将电能转化为其他形式的能量进行存储，例如将电能转换为热能或气体能源。这种转换过程不仅提高了电能的利用效率，还可以在需要时将储存的能量再次转化为电力供给。此外，构网型储能有助于稳定电网频率和电压，从而改善电力系统的整体质量。通过快速响应电网需求，储能系统能够瞬时提供稳定的电力输出，有效避免因电力波动对用户用电体验造成的不利影响。
其次，构网型储能可与新能源及传统发电设备共同组成虚拟发电厂，通过智能控制和协调运行，实现多种能源之间的协同运营与优化。这一机制有助于提升整个电力系统的效率与灵活性，同时降低碳排放并推动新能源的发展。构网型储能所具备的快速响应能力，在面对突发事件或系统故障时，可以提供紧急备用电源，以保障电网稳定运行。此外，作为后备能源，其备用容量供应也显著提高了供电系统的可靠性和稳定性
3.3 典型储能应用工程
据统计，国内目前涉及不同阶段的两个一体化基地项目已超过20个，其中一部分示范项目列于表2中，这表明多种能源配合的一体化基地建设已成为未来能源项目发展中的重要探索。
表2 源网荷储部分示范项目
Table 2
| 项目名称 | 规模 | 内容 |
| 乌兰察布源网荷储一体化示范项目 | 超过10 GW 投资超1 000亿元 | 将能源源头、电网建设、负荷管理以及能量储存有机结合起来 |
| 高力板风光储一体化治沙光伏项目 | 100 MW光电 投资2 760万元 | 将新能源消纳与治沙结合 |
| 晋北风光火储输一体化项目 | 2.50 GW储能 | 火电4 GW、光伏10 GW、风电1 GW |
| 营口风光储氢一体化综合能源基地 | 总装机71.67 GW | 围绕1 GW抽水蓄能加入新能源以及新型储能 |
| 青海格尔木战略合作协议 | 总装机10.00 GW | 在能源投资、科技创新、电力外送等方面开展合作 |
| 甘肃阿克塞综合能源示范基地 | 50 MW熔盐槽式光热发电 | 风电200 MW、光电750 MW 控制弃光率在5%以内 |
| 中电工程新疆巴州风光水火储一体化项目 | 年均发电量约161亿kW·h 总投资350亿元 | 涉及光、风、天然气、水、电化学储能等内容 |
| 安徽马鞍山风光火储一体化项目 | 总投资100亿元 | 优先光伏加储能、并建设文化生态旅游区 |
| 新疆准东风光火储一体化项目 | 总容量1.32 GW | 结合微电网、多晶硅、移动能源等项目建设，形成煤电硅一体化产业 |
4 新型储能参与辅助服务
4.1 全球辅助服务发展趋势
在能源转型的背景下，全球储能发展总体上呈现出类似的发展趋势。但由于地理位置资源禀赋和经济程度等方面的差异，不同国家与地区在储能发展过程中又具有一定的区别。未来，全球储能产业格局仍会以欧美和亚太地区为主，其中美国、德国、中国和日本将会成为全球储能发展的引领者。其发展趋势如下：
(1)美国储能发展趋势。目前，美国电网储能将抽水蓄能定位为主要储能方式，约占94%，总量超过20 GW。抽水蓄能对环境影响大、建造周期长、投资巨大和地理选址受限，美国的抽水蓄能电站基本上都是在1980年以前建造的，未来美国电网储能将使用灵活性更高的新型储能系统。
(2)德国储能发展趋势。德国政府正在实施能源转型战略，目标是在2030年将新能源供电的比例提高到80%以上。由于传统的化石能源匮乏，利用储电技术实现更多新能源平滑并网成为重要选择。未来几年，德国的储能市场将会显著增长。此外，家用储能将成为德国储能的一大特色。
(3)日本储能发展趋势。抽水蓄能和电化学储能为日本主要的两种类型的储能，对于电化学储能的研究，日本处于领先地位，将钠硫电池作为前期研究对象，后期逐渐转向研究锂离子电池，储能作为核心技术在其中发挥重要作用。
4.2 国内辅助服务应用现状
表3 储能电站示范工程及装机规模概况
Table 3
| 比较项目 | 示范工程 | 储能规模 |
| 储能调频项目 | 智慧储能电力调频项目 | 9 MW/4.478 MW·h |
| 华润海丰储能辅助调频项目 | 30 MW/14.93 MW·h | |
| 新疆储能调频电站示范项目 | 56 MW/20 MW·h | |
| 用户侧储能项目 | 江苏商用储能项目 | 20 MW/120 MW·h |
| 南都电网海外储能项目 | 16.4 MW/25 MW·h | |
| 电网侧储能项目 | 江苏电化学储能项目 | 101 MW/202 MW·h |
5 结论
在传统化石能源日益枯竭和生态环境不断恶化的双重压力下，建设以新能源为核心的现代能源体系成为不二之选。作为新能源发展困局的破解之道，储能将在未来能源转型中扮演重要角色。可以预见，在未来，全球的储能市场将蓬勃发展，传统的储能发展模式也将相应改变。
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