李建林，譚宇良，王 楠，王 含，王 力

（1.儲能技術(shù)工程研究中心(北方工業(yè)大學(xué))，北京 100144；2.國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100032）

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（新基建）國家戰(zhàn)略的提出為我國儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重大契機(jī)。新基建主要立足信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施以及創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施3個方面，包括5G基站、數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁7大領(lǐng)域。這7大領(lǐng)域的發(fā)展均對供電系統(tǒng)提出了較高要求，高安全、長壽命、高效率、低成本、大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展的儲能技術(shù)成為新基建發(fā)展的重要部分。儲能技術(shù)直接服務(wù)于新基建的特高壓、城際高速和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（internet data center，IDC）等領(lǐng)域。在技術(shù)驅(qū)動下，儲能技術(shù)支撐著新基建拉動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的半壁江山。

我國能源體系正在向“電為核心的能源體系”推進(jìn)。在未來風(fēng)電、光電等不穩(wěn)定電源大規(guī)模接入電網(wǎng)的情況下，現(xiàn)有的“發(fā)輸用”電力系統(tǒng)將升級為全新的“發(fā)輸儲用”電力系統(tǒng)，系統(tǒng)負(fù)荷大小可隨新能源發(fā)電側(cè)的出力而調(diào)整。儲能技術(shù)作為備用電源，是新能源發(fā)電、電動車等重要行業(yè)的支撐技術(shù)，將在越來越多的行業(yè)、場景下應(yīng)用并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。

結(jié)合新基建發(fā)展背景，本文進(jìn)行儲能技術(shù)的典型應(yīng)用調(diào)研與分析，重點(diǎn)介紹電化學(xué)、飛輪、超級電容等儲能技術(shù)在5G基站、數(shù)據(jù)中心、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁5種產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所起的作用以及典型的應(yīng)用實例。由于各類儲能技術(shù)的特點(diǎn)及適用范圍各不相同，應(yīng)用時需結(jié)合具體產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求、環(huán)境特點(diǎn)等進(jìn)行考慮。同時對未來各類產(chǎn)業(yè)配置儲能提出建議，以期為我國儲能產(chǎn)業(yè)在各種應(yīng)用場景的發(fā)展提供借鑒。

1 新基建背景下儲能技術(shù)的發(fā)展契機(jī)

1.1 國家政策

2020年兩會政府報告中提到：增強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G應(yīng)用，建設(shè)充電樁，推廣新能源汽車，激發(fā)新消費(fèi)需求、助力產(chǎn)業(yè)升級。2020年是“十四五”規(guī)劃的編制之年。“十四五”時期，可再生能源將作為常規(guī)電源予以考核和約束，因此電網(wǎng)調(diào)峰需求將進(jìn)一步增大，配置一定比例的儲能將成為主要調(diào)節(jié)手段。隨著國家加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、人工智能等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入云2.0時代，更多的企業(yè)掌握著主動權(quán)，在通信領(lǐng)域，儲能技術(shù)發(fā)展的時間節(jié)點(diǎn)已經(jīng)到來。隨著5G向商業(yè)化邁進(jìn)，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部印發(fā)的《關(guān)于組織實施2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程（寬帶網(wǎng)絡(luò)和5G領(lǐng)域）的通知》提出，要支持智能電網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的5G應(yīng)用工程的建設(shè)[3-5]。

教育部、國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于印發(fā)<儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）>的通知》指出，要增強(qiáng)儲能核心技術(shù)研究和創(chuàng)新水平，培養(yǎng)儲能領(lǐng)域人才，保證儲能技術(shù)的主導(dǎo)地位，推動儲能產(chǎn)業(yè)盡快達(dá)到國際先進(jìn)水平，以理論和實踐相結(jié)合促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[6-8]。

1.2 地方規(guī)劃

新型基礎(chǔ)設(shè)施主要包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施以及創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。伴隨著技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革，新型基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)涵與外延將不斷發(fā)生變化。自中央提出新基建以來，國家和地方政府對新基建的政策支持力度不斷加大，全國各地的新基建規(guī)劃與政策相繼出臺[9]，如表1所示。

表1 部分省（市）新基建相關(guān)政策Tab.1 The policies about new infrastructures in some provinces (cities)

2 5G基建背景下的儲能技術(shù)

隨著2020年的到來，5G技術(shù)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)，國家也在大力推廣5G技術(shù)[10]。5G通信技術(shù)的室內(nèi)基帶處理單元（building base band unit，BBU）相對前代功能更強(qiáng)，同時功耗也更大。若將5G基站與能源建設(shè)設(shè)施如分布式光伏與儲能相結(jié)合，建立“光伏儲能+5G通信基站”模式，通過為通信基站網(wǎng)絡(luò)配置儲能電池，形成龐大的分布式儲能系統(tǒng)，則可以利用儲能系統(tǒng)特性實現(xiàn)基站的削峰填谷，降低基站建設(shè)和運(yùn)營成本。

截至2019年6月，我國通信基站數(shù)量如圖1所示。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，具有高利用率、小型化等特點(diǎn)的新型儲能系統(tǒng)會填補(bǔ)基站儲能技術(shù)的空白，保證基站供電的穩(wěn)定性。根據(jù)功率的不同，5G基站分為微基站、宏基站2大類。微基站一般直接由市電網(wǎng)直接供電，不設(shè)置儲能系統(tǒng)；宏基站涉及范圍廣、基站功率大，一般建設(shè)在室外，需要儲能系統(tǒng)作為備用電源以保證供電的穩(wěn)定性。

圖1 我國移動通信基站數(shù)Fig.1 The numbers of mobile communication base stations in China

2.1 通信鐵塔

通信鐵塔是移動通信基站的組成部分，具有架高通信天線的作用，是通信信號發(fā)射、接收和傳輸設(shè)備的主要載體，是移動通信網(wǎng)完成信號覆蓋的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在輸電鐵塔上搭載通信基站所形成的共享鐵塔是一種使電力基礎(chǔ)設(shè)施獲得再利用、節(jié)約基站建設(shè)成本的新型通信鐵塔類型。

通信鐵塔較為常見且分布廣泛，但共享鐵塔在選取時與其所處的位置、地形、塔型等因素密切相關(guān)。天線搭載位置需要同時滿足天線搭載高度和電氣安全距離要求，一般分為塔頭段頂部、塔頭段身部以及下導(dǎo)線掛點(diǎn)以下。2017年起，共享鐵塔技術(shù)在云南、湖北等地均有實際應(yīng)用，220 kV東郭二回線6號塔、云南楚雄市東瓜鎮(zhèn)220 kV鹿紫二回線38號塔以及湖北110 kV車伍二回線12號電力塔上均已成功安裝通信基站，為共享鐵塔技術(shù)的后期廣泛應(yīng)用提供了實踐經(jīng)驗。盡管共享鐵塔可以降低基站的建設(shè)成本，但基站建設(shè)中保證輸電穩(wěn)定等問題依然存在。

2.2 5G基站

5G微基站分布較廣，電力系統(tǒng)難以滿足其要求，所以很多基站開始使用儲能系統(tǒng)保證持續(xù)穩(wěn)定的電能輸送。例如，2017年就有某通訊公司使用退役梯次電池建設(shè)5G一體化電源，蓄電池在供電系統(tǒng)正常供電時改善電能質(zhì)量，在供電發(fā)生故障時作為備用電源為負(fù)荷持續(xù)供電，保證設(shè)備持續(xù)正常的運(yùn)行。

磷酸鐵鋰電池因具有安裝成本低、使用壽命長等特點(diǎn)，備受基站蓄電池的歡迎，并且已經(jīng)應(yīng)用于實踐。國軒高科全資子公司合肥國軒高科動力能源有限公司與華為技術(shù)有限公司（華為）簽訂了《鋰電供應(yīng)商采購合作協(xié)議》，雙方將開展鋰電領(lǐng)域的戰(zhàn)略合作，并已經(jīng)為華為在海外的通信基站項目實現(xiàn)批量供貨。中國鐵塔股份有限公司（中國鐵塔）2020年以來已在20省市發(fā)布了24項招標(biāo)通知，總預(yù)算超過8 945萬元，多項招標(biāo)要求采購磷酸鐵鋰電池。中國移動通信集團(tuán)有限公司（中國移動）在2020年3月初也發(fā)布了1.95 GW·h磷酸鐵鋰電池的采購訂單[11]。

鋰電池在4G時代應(yīng)用于運(yùn)營站點(diǎn)儲能系統(tǒng)，但5G時代通信基站的環(huán)境更加復(fù)雜，對儲能系統(tǒng)的要求更為苛刻。雖然傳統(tǒng)鋰電可以滿足5G基站的大部分要求，但無法滿足新形勢下新的需求，智能儲能系統(tǒng)因此而生。

智能儲能系統(tǒng)融合了通信技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感技術(shù)、高密技術(shù)、高效散熱技術(shù)、AI技術(shù)、云技術(shù)以及鋰電池技術(shù)。華為基于對5G的理解，推出了5G Power智能儲能系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 華為5G Power智能儲能系統(tǒng)Fig.2 The Huawei 5G Power intelligent energy storage system

該系統(tǒng)具有基礎(chǔ)鋰電功能、智能升壓、智能混搭、智能防盜、全網(wǎng)精細(xì)管理等優(yōu)點(diǎn)，可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的管理、控制等，能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)前瞻性運(yùn)維和資源互補(bǔ)，既能降低運(yùn)維和建設(shè)成本，又可以減少資源浪費(fèi)。

3 特高壓建設(shè)背景下的儲能技術(shù)

3.1 特高壓輸電建設(shè)現(xiàn)狀

特高壓輸電技術(shù)具有等級高、網(wǎng)損小、輸出靈活、容量大、距離遠(yuǎn)、線路故障時的自防護(hù)能力強(qiáng)、節(jié)省線路走廊等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，1路特高壓直流輸電可以輸送600萬kW電量。我國國土面積遼闊，西部地區(qū)資源豐富，為了使東西資源優(yōu)勢互補(bǔ)，提高東部地區(qū)用電穩(wěn)定性，跨區(qū)域特高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)得到快速的建設(shè)和發(fā)展。

“十三五”規(guī)劃提出，到2020年，國家電網(wǎng)有限公司（國家電網(wǎng)）將建成“五縱五橫”特高壓交流骨干網(wǎng)架和27條特高壓直流輸電工程，形成4.5億kW的跨區(qū)跨省輸送能力，建成以“三華”電網(wǎng)為核心的統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)。

3.2 特高壓輸電存在問題

近年來，國家電網(wǎng)相繼投產(chǎn)了晉北—南京、酒泉—湖南、準(zhǔn)東—皖南等特高壓直流輸電工程，拓寬了可再生能源跨區(qū)大直流外送通道。為了解決東北地區(qū)窩電問題，提高新能源外送消納能力，2019年新建了扎魯特—山東青州±800 kV特高壓直流輸電及其配套工程，該工程投運(yùn)后，山東全省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性發(fā)生巨大改變。為保證電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定，電網(wǎng)通過穩(wěn)控裝置切除大量風(fēng)電機(jī)組，嚴(yán)重影響新能源的消納，也為電網(wǎng)帶來了巨大沖擊。大規(guī)模電池儲能電站若達(dá)到毫秒級的響應(yīng)時間，將會為扎魯特直流的單極或雙極閉鎖提供快速功率釋放，相對于水電、火電等常規(guī)功率調(diào)節(jié)手段具有較大技術(shù)優(yōu)勢。特高壓輸電可以解決中東部地區(qū)因發(fā)電問題而造成的環(huán)境污染問題，將西部通過新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)電量傳輸?shù)接秒娒芏雀叩闹袞|部地區(qū)，實現(xiàn)能源互補(bǔ)，提高清潔能源占比，目前已經(jīng)待建和在建的項目如表2所示。

青海等部分可再生能源產(chǎn)區(qū)缺乏常規(guī)電源支撐，一旦特高壓工程發(fā)生直流閉鎖、交直流混聯(lián)線路事故，電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問題將愈發(fā)突出，嚴(yán)重影響送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流輸電項目也會因為電源的問題導(dǎo)致輸電項目的輸電功率較低，對聯(lián)網(wǎng)能力也有影響。如：以輸送新能源為主的酒泉—湖南特高壓直流工程，經(jīng)實際測算，該項目輸電量為450萬kW，未達(dá)到預(yù)期的800萬kW；晉北—江蘇特高壓直流工程內(nèi)部神泉一期2×60萬kW機(jī)組明確為配套改接電源，其余3座、402萬kW配套電源未能充分發(fā)揮該直流800萬kW的外送電能力。

表2 國家電網(wǎng)目前待建和在建的特高壓輸電項目Tab.2 The UHV transmission projects to be built or under construction

3.3 特高壓輸電問題解決方法

目前，對于電網(wǎng)中儲能技術(shù)參與抑制直流換相失敗的方法還不太完善。文獻(xiàn)[12]提出在電網(wǎng)頻率最低點(diǎn)滿足要求的前提下電網(wǎng)受電能力提升程度與儲能容量配置間的數(shù)學(xué)模型，并得出儲能系統(tǒng)布局在受端電網(wǎng)實現(xiàn)提升特高壓輸送通道穩(wěn)態(tài)輸送功率，可以切實促進(jìn)新能源外送消納。文獻(xiàn)[13]通過對高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)中多饋入直流換相失敗問題的分析，得出電化學(xué)儲能電站群具有電網(wǎng)安全保障、調(diào)峰和調(diào)頻方面的技術(shù)優(yōu)勢，必使交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)變得更加堅強(qiáng)和智能。

電化學(xué)儲能技術(shù)可用于特高壓輸電項目。2019年底，青海海南州特高壓基地在招標(biāo)時，投資方明確規(guī)定增加儲能電池技術(shù)類型，限定技術(shù)路線為磷酸鐵鋰電池，規(guī)格為1C倍率，且共需采購321套儲能系統(tǒng)，單套儲能系統(tǒng)可用容量為630 kW/630 kW·h，包括電池、過程控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)及其他所有附屬設(shè)備，總裝機(jī)規(guī)模超過200 MW。

從目前研究來看，特高壓輸電技術(shù)中存在的問題影響因素較多且解決方法較少，急需配置儲能系統(tǒng)，為解決輸電問題提供一種新的思路和方法。

4 城際軌道交通和高速鐵路建設(shè)背景下的儲能技術(shù)

由于具有安全、環(huán)保、節(jié)約能源、占地較少等特點(diǎn)，軌道交通逐漸成為人們出行的主要交通模式，近幾年發(fā)展較快。儲能技術(shù)在軌道交通行業(yè)的發(fā)展中也占有一席之地，列車可以通過儲能技術(shù)儲存電能，在無接觸網(wǎng)或緊急情況下釋放電能，以保證正常行駛[14]。地鐵和城際高鐵應(yīng)用較為廣泛。

4.1 地鐵

地鐵能量回收是一種大功率、高頻次的應(yīng)用場景，目前應(yīng)用較為廣泛的是再生制動能量吸收利用。當(dāng)制動能量不能被本車吸收時，牽引網(wǎng)電壓上升，上升到一定程度后，牽引變電所中再生制動能量吸收裝置投入工作，吸收再生電流，使車輛再生電流穩(wěn)定，如圖3所示。目前，再生能量吸收裝置可分為電阻消耗型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型，各類型裝置對比見表3。目前電容儲能型和飛輪儲能型較為常用。

圖3 再生制動能量吸收利用示意Fig.3 Schematic diagram of absorption and utilization of the regenerative braking energy

表3 各類型再生能量吸收裝置對比Tab.3 Comparison of the regenerative braking energy absorption devices

4.1.1 飛輪儲能

地鐵列車進(jìn)站回收的電能通過電阻放熱方式消耗，存在資源浪費(fèi)，飛輪儲能具有響應(yīng)快、頻次高、可靠性高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地解決這些問題。

2019年，國產(chǎn)GTR飛輪儲能裝置北京地鐵房山線廣陽城站正式實現(xiàn)商用。該裝置由單臺功率333 kW的飛輪1組3臺組成1 MW飛輪（圖4），當(dāng)?shù)罔F列車進(jìn)站剎車時，可以利用飛輪儲能系統(tǒng)存儲制動過程中的能量。

美國多個地鐵站已經(jīng)對飛輪儲能進(jìn)行了示范，能夠?qū)崿F(xiàn)20%~30%的節(jié)能效果[15]。洛杉磯地鐵于2014年8月安裝了基于飛輪的儲能變電站（wayside energy storage substation，WESS），WESS部署了2 MW的系統(tǒng)，充/放電時間15 s，容量8.33 kW·h，由4個飛輪模塊組成，每個模塊由4個獨(dú)立的飛輪單元組成。該儲能系統(tǒng)應(yīng)用后，每天可節(jié)省10%~18%的牽引電力能源。

圖4 國產(chǎn)GTR飛輪儲能Fig.4 The domestic GTR flywheel energy storage device

4.1.2 超級電容儲能

超級電容儲能具有高功率、長壽命的特點(diǎn)，也可回收制動能量，實現(xiàn)制動能量再利用。目前，國內(nèi)該項技術(shù)剛剛起步，仍處于實驗階段，如廣州地鐵6號線配備了超級電容儲能裝置并正式掛網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)額定功率達(dá)到1.4 MW，具備對直流電網(wǎng)的穩(wěn)壓作用，可以緩解高頻次列車啟動或制動時直流的電壓波動。超級電容儲能系統(tǒng)由連接單元、變換器超級電容器組成，在全球多個城市的地鐵中得以應(yīng)用，如西班牙馬德里的地面式儲能系統(tǒng)。北京地鐵5號線也配置了總?cè)萘?9.64 F，最高電壓515.2 V的超級電容儲能系統(tǒng)，具有減少牽引電量、提高地鐵舒適度等特點(diǎn)[16]。

4.2 城際高鐵

城際高鐵儲能系統(tǒng)的主要作用是降低能耗、牽引列車、制動能量回收、降低峰值功率等。鐵路行業(yè)的儲能系統(tǒng)主要分為地面儲能系統(tǒng)和車載儲能系統(tǒng)，其中車載儲能系統(tǒng)主要安裝在列車內(nèi)，用于存儲列車內(nèi)部的回收能量，所需功率小于地面儲能系統(tǒng)。

各國對于鐵路儲能系統(tǒng)均進(jìn)行了較深入的研究。MITRAC Energy Saver Unit超級電容儲能系統(tǒng)可以裝載在列車上，經(jīng)過一段時間的實驗，證實比普通列車節(jié)能30%。德國的內(nèi)燃機(jī)動車組上使用的超級電容儲能系統(tǒng)在一定程度上降低了CO2排放量和減排成本。在地面儲能方面，日本和意大利的超級電容儲能系統(tǒng)不僅可以調(diào)峰、降成本，而且接近70%的再生能量均得到回收再利用。

飛輪用于儲能系統(tǒng)要早于電池和超級電容器，目前已經(jīng)開發(fā)出來的高速儲能系統(tǒng)以飛輪為元件，可以很好地控制直流電壓、抑制波動，在紐約、里昂等地方均有應(yīng)用[14]。

電池儲能電壓波動更小、自放電率較低，同時可提供較大容量。東日本旅客鐵道公司和龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司是開發(fā)動力單元的主要公司，東日本旅客鐵道公司和西日本旅客鐵道公司均對電池儲能裝置有所研究，其開發(fā)的儲能系統(tǒng)應(yīng)用于湖西線至北陸本線的列車上，保證了列車的電力供應(yīng)，改善了列車的運(yùn)行條件、舒適程度。特斯拉公司作為電動汽車行業(yè)的巨頭，對儲能技術(shù)也有所研究，圖5為配置在日本大阪Kintetsu火車線路上的儲能系統(tǒng)。作為備用電源，該系統(tǒng)可在列車電力系統(tǒng)發(fā)生故障或電網(wǎng)停電時使列車運(yùn)行到安全地點(diǎn)。俄羅斯鐵路部門計劃部署10 MW·h的電池儲能系統(tǒng)，以幫助俄羅斯鐵路網(wǎng)絡(luò)更快更順暢地運(yùn)行。

我國地鐵線路上也有配備儲能系統(tǒng)。中車長春軌道客車股份有限公司在輕軌上加裝磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，可以增加列車?yán)m(xù)航里程，充電時間較短，應(yīng)用前景廣闊。

圖5 特斯拉公司安裝的7 MW·h儲能系統(tǒng)Fig.5 The 7 MW·h energy storage system installed by Tesla

5 新能源汽車充電樁建設(shè)背景下的儲能技術(shù)

作為新型城市交通基礎(chǔ)設(shè)施，充電樁是電動汽車推廣應(yīng)用的基本保障。我國充電基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)形成了規(guī)?；焖侔l(fā)展態(tài)勢，相關(guān)行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)體系也已基本建立，但充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)尚未明確，新能源汽車充電樁建設(shè)為我國新能源汽車能源供給保障明確了主基調(diào)。儲能技術(shù)應(yīng)用于充電樁可以保證充電樁電能的穩(wěn)定性，避免因電網(wǎng)波動導(dǎo)致的充電樁失靈，降低充電站配電線路成本，產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

5.1 光伏儲能充電樁

近年來，充電樁和光伏儲能系統(tǒng)結(jié)合形成自發(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電可保證充電樁電能的穩(wěn)定性，余電可以利用儲能系統(tǒng)儲存起來，進(jìn)行削峰填谷、峰谷套利，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。雖然影響光伏發(fā)電的因素頗多，但加入儲能系統(tǒng)，一方面可幫助光伏在應(yīng)用過程中解決一部分發(fā)電冗余和并網(wǎng)問題，另一方面可發(fā)揮組合優(yōu)勢，帶動光伏、儲能、充電樁多向發(fā)展。

圣地亞哥（San Diego）國際機(jī)場的電動汽車充電站為光伏發(fā)電站，相比傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高18%的發(fā)電效率[17]。美國加利福尼亞（California）的圣塔莫妮卡（Santa Monica）小鎮(zhèn)修建了一座專為某種電動車提供充電樁的光伏充電站[18]。

截至目前，日本約有270多家電動汽車充電樁設(shè)施制造企業(yè)，日本大阪變壓器株式會社的WiTricity技術(shù)為電動車提供無線充電業(yè)務(wù)，該技術(shù)提升無線充電站的高效傳輸性，滿足全球汽車標(biāo)準(zhǔn)。歐盟資助的FASTINCHARGE項目正在研究定點(diǎn)式無線充電以及在途無線充電的可行性，其優(yōu)勢包括操作簡單、維修方便等。

我國國內(nèi)電動汽車充電行業(yè)在近幾年也得到了快速發(fā)展。圖6為松山湖太魯閣光儲充一體化充電站，該充電站通過核心系統(tǒng)“光儲充一體式能源微網(wǎng)系統(tǒng)”與“能源互聯(lián)共享平臺”的對接，信息通過5G通道上送。通江北路黃沙橋充電站也是我國光伏發(fā)電快充站的實際應(yīng)用，配置720 kW和600 kW的群控單元各1臺[19]。2011年，黑龍江建成了光儲式電動汽車充電站并實現(xiàn)了對站內(nèi)負(fù)荷供電以及對電動汽車充電，在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定。2018年，適用于高原的電動汽車光伏充電站在西藏自治區(qū)研制成功并投入試運(yùn)行，該光伏發(fā)電站裝機(jī)容量可達(dá)20 kW，在正常陽光照射、不依靠國家電網(wǎng)提供電能的情況下，每天能夠向3輛電動汽車提供滿容量的充電服務(wù)。

圖6 松山湖太魯閣光儲充一體化充電站Fig.6 The Songshan Lake Taroko Photovoltaic Charging Station

5.2 電動汽車儲能充電站

將傳統(tǒng)儲能技術(shù)與電動汽車充電站相結(jié)合，既可以實現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，保證供電的穩(wěn)定性，還能夠降低大規(guī)模汽車充電時對電網(wǎng)造成的沖擊，延長使用壽命。文獻(xiàn)[20]通過設(shè)計儲能電池充放電效率檢測實驗，對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，證明了儲能系統(tǒng)應(yīng)用于充電樁的可行性。文獻(xiàn)[21]通過在傳統(tǒng)充電樁內(nèi)部增加蓄電池和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證了在不影響配電網(wǎng)的前提下實現(xiàn)電動汽車的快速充電。文獻(xiàn)[22]利用儲能電站為電動汽車充電站充電，并根據(jù)現(xiàn)場情況自行調(diào)整，實現(xiàn)了充電站的持續(xù)發(fā)展運(yùn)營。文獻(xiàn)[23]通過對充放儲電站PCS無功電壓調(diào)節(jié)的分析，提出了電站的增值策略和緊急控制策略。文獻(xiàn)[24]介紹了應(yīng)用儲能技術(shù)的充電站的結(jié)構(gòu)和原理，并提出了電網(wǎng)和儲能功率的分配情況。

青島薛家島和上海嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)電動汽車充換放儲一體化示范電站（圖7）為目前已經(jīng)投運(yùn)的充放儲一體化電動汽車充電站。

圖7 上海嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)集中充換放儲一體化電站Fig.7 The integrated power station for centralized charging,replacement, discharging and storage in Shanghai

6 大數(shù)據(jù)中心建設(shè)背景下的儲能技術(shù)

現(xiàn)代生活中所需的數(shù)據(jù)大多存儲在數(shù)據(jù)中心，伴隨著新基建的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的重要性逐漸顯現(xiàn)，其電力供應(yīng)也顯得格外重要，而不間斷電源系統(tǒng)（uninterruptible power system，UPS）的普遍使用可以保證數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)不會出現(xiàn)故障。因此，UPS儲能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，影響到UPS的體積、壽命和成本[25]。

6.1 UPS儲能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

6.1.1 UPS+電化學(xué)儲能技術(shù)

UPS作為備用電源，一般后備時間要求不低于15 min，最初UPS內(nèi)部通常采用鉛酸電池。谷歌（Google）是進(jìn)行服務(wù)器自主研發(fā)定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，早期采用鉛酸電池供電；臉書（Facebook）自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)，為每6個9 kW的機(jī)柜配置1個鉛酸蓄電池柜；中國移動數(shù)據(jù)中心采用DC48V輸出系統(tǒng)，并配置儲能電池柜，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖8所示。

但是，由于鉛酸電池能量密度低、體積大，且對環(huán)境的要求較高，容易污染環(huán)境，一般每隔4～5年就要更換一次電池。新開發(fā)的UPS和儲能相融合的系統(tǒng)，增加了配置電池的容量，將鉛酸電池改為鉛碳電池，可進(jìn)行削峰填谷，用作UPS備用電源，轉(zhuǎn)換效率更高、壽命更長。

此外，鋰電池因耐高溫、適應(yīng)能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快，目前有公司將其作為備用電源，如Google的UPS已經(jīng)由鉛酸電池改為鋰電池方案[26-27]；華為的基于智能鋰電特性的FusionPower@Li-ion1.6 MW大型數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)配套華為自主研發(fā)的UPS鋰電池儲能系統(tǒng)，使用壽命長、占地面積小、運(yùn)維簡單；設(shè)在印度的全球的搜索引擎公司、消費(fèi)公司等的數(shù)據(jù)中心，均采用VXUPS+鋰電池的配置方案。

圖8 中國移動儲能備用電源系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.8 The topology of energy storage and backup system in China Mobile Data Center

6.1.2 UPS+飛輪儲能技術(shù)

電力設(shè)備的體積、能耗以及確保關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的最高電能質(zhì)量和可靠性是數(shù)據(jù)中心建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)，飛輪儲能可以完美地解決這一難題。飛輪儲能UPS和傳統(tǒng)儲能UPS技術(shù)對比如表4所示。

表4 飛輪儲能UPS和傳統(tǒng)儲能UPS技術(shù)對比Tab.4 Comparison between the flywheel energy storage UPS and the conventional energy storage UPS technology

美國Active Power公司的鋼制飛輪為中低速飛輪的典型代表，轉(zhuǎn)速7 700 r/min，可應(yīng)用在小型UPS中，但不適合頻繁充放電場合；高速飛輪典型代表為美國Vycon公司的鋼制飛輪，轉(zhuǎn)速3 6750 r/min，已在UPS中商業(yè)化應(yīng)用。在飛輪儲能陣列方面，容量為20 MW/5 MW·h的碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛輪儲能陣列已在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻方面實現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。

飛輪儲能UPS作為備用電源的技術(shù)比較成熟，美國Vycon公司的VDC系列飛輪儲能設(shè)備具有良好的性能及較長的使用壽命，在其使用壽命內(nèi)可以進(jìn)行不限次的充放電且不會影響使用性能。美國麻省醫(yī)藥大學(xué)數(shù)據(jù)中心配置的2×825 kVA/750 kW UPS飛輪儲能、美國北卡Raleigh NC大型數(shù)據(jù)中心的6×825 kVA/750 kW UPS飛輪儲能、Delta牙科治療中心數(shù)據(jù)中心的2×500 kVA/450 kW UPS飛輪儲能以及美國EasyStreet Online Services數(shù)據(jù)中心采用的3套18臺飛輪儲能系統(tǒng)在其使用壽命內(nèi)均有較好的表現(xiàn)。

6.2 其他儲能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

我國的數(shù)據(jù)中心建設(shè)將更多地采用儲能材料和蓄冷技術(shù)。2019年，《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》出臺，要求到2022年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。在該意見指導(dǎo)下，工業(yè)和信息化部于2019年11月正式發(fā)布了《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄（2019年版）》，其中無機(jī)相變儲能材料蓄冷技術(shù)和水蓄冷技術(shù)入列。

百度在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域具有主導(dǎo)地位，其一直秉承綠色數(shù)據(jù)中心理念，以節(jié)能降耗為目標(biāo)。百度的自建樓宇以及數(shù)據(jù)中心均采用冰蓄冷技術(shù)，利用夜間用電低谷期制備冷量并通過儲能系統(tǒng)存儲，白天用電高峰期通過夜間制備的冷量為中央空調(diào)供冷，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，保證經(jīng)濟(jì)性。京瓷株式會社的數(shù)據(jù)中心位于北海道的石狩市，采用新能源技術(shù)和儲冷技術(shù)保證電力供應(yīng)，并可以預(yù)測用電量及發(fā)電計劃出力，完成高效發(fā)電[28]。

阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司在千島湖的數(shù)據(jù)中心利用水冷降溫，而位于河北省張家口的數(shù)據(jù)中心則采用了自主研發(fā)的分布式儲能技術(shù)和國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)最大程度的新能源供電、按需供電。

7 新基建背景下儲能技術(shù)展望

1）積極部署儲能在5G技術(shù)、軌道交通、工業(yè)能源互聯(lián)、軍民融合、國家應(yīng)急保障體系等領(lǐng)域的試點(diǎn)工程，全方位驗證儲能在新基建工程中的樞紐作用。

2）積極部署新型、顛覆性技術(shù)對現(xiàn)有儲能體系的有益補(bǔ)充，鼓勵高安全、長壽命、高效率、低成本、易回收的電池體系戰(zhàn)略推進(jìn)，進(jìn)行試點(diǎn)示范及比對研究，實現(xiàn)新舊技術(shù)的交替，完成我國儲能產(chǎn)業(yè)從簡單跟跑到領(lǐng)跑的角色轉(zhuǎn)換。

3）選取代表性的、具備可推廣性的重大國家戰(zhàn)略意義的試點(diǎn)工程，在國家級開放區(qū)域、我國可再生能源富集基地、跨省區(qū)域外送通道薄弱環(huán)節(jié)、能源片區(qū)之間部署GW級大型儲能重大試點(diǎn)工程，并逐步在全國范圍推廣。

8 結(jié)論與建議

儲能技術(shù)可廣泛應(yīng)用于融合新能源、城市應(yīng)急供電、5G基站后備電源以及邊防哨所、軍民融合等諸多方面，是新基建不可或缺的重要保障。目前我國儲能技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如儲能電池技術(shù)尚處于跟跑、借鑒水平，急需實現(xiàn)突破，挖掘新的電池體系；政策法規(guī)較少，有效執(zhí)行的保障少；缺乏長久、有效的商業(yè)模式等。對此，提出以下建議：

1）國家各部委政策應(yīng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，頂層設(shè)計，成體系推進(jìn)，避免出現(xiàn)重復(fù)制定甚至互相沖突的條款。

2）應(yīng)進(jìn)一步探索合作機(jī)制和商業(yè)模式，加快實現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)據(jù)資源融通帶動大、中、小、微企業(yè)融合發(fā)展；推動制造業(yè)與服務(wù)業(yè)深度融合和資源共享的扁平化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化平臺建設(shè)，以激發(fā)市場活力。

3）各省應(yīng)結(jié)合具體情況，出臺相應(yīng)的配套實施細(xì)則，確保實操性，政策應(yīng)具有持續(xù)性、連貫性，確保產(chǎn)業(yè)鏈中的各環(huán)節(jié)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。