新能源的迅猛發(fā)展促使中國在配網(wǎng)及用電側(cè)大量發(fā)展微電網(wǎng)，預計在城鎮(zhèn)化建設過程中，微電網(wǎng)將會有井噴式發(fā)展。而每個微電網(wǎng)中必須備有一套容量足夠的、無二次污染、具有長壽命周期的儲能單元。這對提高國家新能源的利用率，大幅降低CO2及所有可吸入懸浮顆粒物的排放具有重大意義。這種與中國城鎮(zhèn)化進程配套的創(chuàng)新型儲能技術的推廣應是對建設宜居城鎮(zhèn)和藍天國家所不可缺失的。

1 智能微電網(wǎng)及微能源網(wǎng)群

1.1 微電網(wǎng)

在一個區(qū)域以內(nèi)，由至少一種清潔能源發(fā)電單元（如小水電、風電、光電、生物質(zhì)能等）和一種儲能單元所組成的，其所發(fā)的電能以該區(qū)域自用為主的發(fā)供電系統(tǒng)，則可稱之為微電網(wǎng)（以MG表示）（圖 1）。



微電網(wǎng)具有以下特征：1）有一定容量的儲能單元；2）嚴格實現(xiàn)CO2及其他污染物的零排放；3）所發(fā)出的電能以區(qū)內(nèi)自用為主，不足或多余之電量與外部配電網(wǎng)的互調(diào)節(jié)；4）總裝機容量一般不大于雙位數(shù)兆瓦級，就是說它是類屬于分步式的發(fā)用電網(wǎng)。

1.2 智能微電網(wǎng)

一個可無人掌控的具有自趨優(yōu)運行能力的微電網(wǎng)，稱為智能微電網(wǎng)（以SMG表示）（圖 2）。



智能微電網(wǎng)中必有一個狀態(tài)數(shù)據(jù)實時收集和優(yōu)化控制系統(tǒng)，使之能自動趨近于安全運行和效益極大化的目標。即智能微網(wǎng)一定配備有一個狀態(tài)自感知單元和自調(diào)控單元。故從本質(zhì)上說，一個智能微網(wǎng)就是一種地面無人駕駛的機器人系統(tǒng)。

智能微電網(wǎng)具有以下特征：1）具有微網(wǎng)的所有特征，特別是零排放的特征。2）自動實現(xiàn)發(fā)電、儲電、自用電以及與外部配電網(wǎng)交互電量的自趨優(yōu)化的能力。3）微電網(wǎng)內(nèi)部的保護系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化配置，其優(yōu)化指標為設備故障時間和全微網(wǎng)年平均停電時間極小化。4）控制系統(tǒng)能實現(xiàn)微網(wǎng)與外部配電網(wǎng)“并網(wǎng)”與“離網(wǎng)”的擾動極小化。

中國城鎮(zhèn)化過程會產(chǎn)生數(shù)以10萬計的新興小城鎮(zhèn)，每個城鎮(zhèn)宜興建若干個這樣的微電網(wǎng)，因此將來要建立的不是簡單的智能微電網(wǎng)，而是智能微電網(wǎng)群。

1.3 智能微電網(wǎng)群

n個（n>1）智能微電網(wǎng)由不高于110 kV電壓等級線路聯(lián)接成的統(tǒng)一智能電網(wǎng)稱為智能微電網(wǎng)群；若該微電網(wǎng)有m個端點與外部配電網(wǎng)聯(lián)接，應遵循條件m＜n（圖 3）。



一個微電網(wǎng)群若在運營中能自實現(xiàn)以效益和安全極大化為指標的優(yōu)化潮流（OPF），則稱該微電網(wǎng)群為智能微電網(wǎng)群（thesmart group of microgrids，SGMG）。

試想若每建一個微電網(wǎng)就單獨增加一臺變壓器和斷路器與外配網(wǎng)相聯(lián)接，就一定會有大量變壓器整年幾乎處于空載運行狀態(tài)，白白增加低壓側(cè)網(wǎng)損。故m < n的條件十分重要。

1.4 智能微能源網(wǎng)群

一個宜居城市或城鎮(zhèn)，居民需要的不僅是電，而且夏需冷，冬需暖。以電制冷（常規(guī)空調(diào)）不經(jīng)濟，燃煤以取暖，更應嚴令禁止。中國應該發(fā)明一種既可蓄能發(fā)電，又能供熱供冷的電熱冷三聯(lián)供的新型儲能系統(tǒng)。在蕪湖市高新開發(fā)區(qū)已建成一套500kW容量的集供應電、熱水和冷風為一體的“三聯(lián)供”系統(tǒng)，可發(fā)電450 kW·h，可覆蓋3850 m2的供暖面積（約為50余戶家庭）。夏季每天可供300 m2的商場、寫字樓或蔬菜保鮮庫3℃的冷風。如果智能微網(wǎng)中的儲能單元采用上述的壓縮空氣儲能技術以替代常規(guī)的電池儲能單元，則這種智能微電網(wǎng)群就成為“智能微能源網(wǎng)群”了。

2 中國創(chuàng)造的壓縮空氣儲能系統(tǒng)

無論是微電網(wǎng)或者智能微電網(wǎng)，亦或是智能微電網(wǎng)群，都離不開一種單元，即儲能單元。“十二五”以來，中國大力發(fā)展風電、太陽能等可再生能源，然而由于其輸出功率具有隨機波動性甚至間歇性的特征，目前又缺乏高響應速度和大容量儲能裝備與之自律控制，故使大量可再生能源難以得到有效利用?，F(xiàn)在全國約有1億kW風電裝機容量，穩(wěn)居世界第一，然而年均風機利用小時數(shù)尚不足2000 h，中國第一類光照地區(qū)棄光率達25%~30%。

棄風、棄光現(xiàn)象嚴重。新能源革命，需革能源浪費的命，當下最重要的是發(fā)展與風電和光電裝機容量相匹配的儲能系統(tǒng)。儲能有多種類技術，如電化學儲能和機電儲能等。根據(jù)國際能源署2014年統(tǒng)計，目前抽水蓄能容量占絕大多數(shù)，帶補燃的壓縮空氣儲能緊隨其后，此二者皆屬機電儲能類型。

壓縮空氣儲能技術是將棄光、棄風、棄水（小水電站）或低谷電能通過多級壓縮把電能轉(zhuǎn)換為分子的內(nèi)勢能存入壓力儲氣空間，待發(fā)電時通過釋放高壓氣流，射入氣輪機帶動發(fā)電機組發(fā)電。大規(guī)模的壓縮空氣儲能對于聚納廢棄的新能源、撫平風光電站功率的波動、削峰填谷以及增加電力系統(tǒng)有功與無功旋轉(zhuǎn)備用等方面皆具有重大意義。且其使用壽命周期達40年以上，無后處理二次污染問題。其單位千瓦的投資額與抽水蓄能電站相當。

目前世界壓縮空氣儲能技術主要分為補燃式和非補燃式兩大類別。國際上已用的是補燃式，如德國與美國。所謂補燃式壓縮空氣儲能仍以燃燒天然氣以求提高其效率，故本質(zhì)上是提高效率的燃氣輪機，其主要消耗的能源仍是化石能源，即天然氣，故這種儲能方式不符合中國致力于降低碳排放的國情。

國家電網(wǎng)公司于2012年10月結合清華大學電機工程與應用電子技術系、中國科學院理化技術研究所、上海電氣集團公司和中國電科院啟動了一項無燃燒壓縮空氣儲能示范研究項目（圖 4）。該項目已于2015年4月以500 kW無燃燒壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)的建成，各項指標均達合同要求通過了驗收，并獲5項中國發(fā)明專利受理和1項美國發(fā)明專利受理而告成功。



如圖 4所示，壓縮空氣儲能包括以下系統(tǒng)：1）空氣壓縮機；2）壓縮空氣儲氣罐；3）壓縮空氣輸出流量控制系統(tǒng)，簡稱調(diào)速系統(tǒng)；4）透平發(fā)電機系統(tǒng)。除此之外還有輔助系統(tǒng)，如預熱回收系統(tǒng)等，利用集蓄壓縮熱以提高效率并可供暖；還可利用乏氣以供冷。這是美國學者于1984年出版的《Co-generation》（電熱聯(lián)產(chǎn)）一書中提出的“目標”?，F(xiàn)在中國提出并實現(xiàn)的是電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)。

如果將進氣溫度提高至400℃（用陽光加熱），大氣壓力12 MPa，則儲能密度可達60 kW·h/m3。對于一座20 MW的壓氣蓄能電站，每天發(fā)電4 h，只需17根直徑為1.02 m、長100 m的標準管線鋼儲存。儲氣容量可以根據(jù)用戶需求確定。目前正在規(guī)劃設計中的儲氣空間是在金壇縣利用采完食鹽的10萬m3鹽腔，既節(jié)約投資又可安全地提高氣壓，可儲存超過600萬kW·h的電。

對于其他儲能系統(tǒng)，目前看來，磷酸鐵鋰電池比較安全，儲能密度也較高，特別宜于在綠色交通系統(tǒng)中應用。建議有關部門當下就著手考慮其無公害后處理問題。對鋰電池進一步研究的重點建議放在以下幾個方面：1）降低其對所處環(huán)境溫度的敏感性；2）提高其充放電次數(shù)，特別是在深放深充和快充條件下的充放次數(shù)；3）加強研究低成本無公害的后處理的工程化技術。近年來，液流電池也在研究中，其顯著特點是污染少，充放電次數(shù)可大幅提高，望中國早日在技術上和工程實現(xiàn)上取得突破。

3 結論

1）智能微能源網(wǎng)群的發(fā)展與中國城鎮(zhèn)化的進程相適應。它不可取代的優(yōu)點是滿足新城鎮(zhèn)的能源需求而不帶來污染，故是一個新的發(fā)展方向。

2）智能微網(wǎng)群的發(fā)展離不開儲能技術和儲能工程的發(fā)展。

3）壓縮空氣儲能作為中國自主創(chuàng)新的新型儲能技術，對降低棄風、棄光和棄小水電能量有重大意義。試想只要推廣利用這項創(chuàng)新技術，將目前風電利用率提高10%，即相當?shù)玫揭蛔f千瓦級的零排放大電廠。且該電廠可實現(xiàn)電熱冷三聯(lián)供，是目前儲能系統(tǒng)中技術成熟度和綜合效率最高的儲能系統(tǒng)。設備國產(chǎn)化率為100%。

4）當前，壓縮空氣儲能技術已具備市場化條件，迫切需要政府相關部門在運營模式和電價政策等方面給予扶持。望政府有關部門制定由于該新技術轉(zhuǎn)化為大生產(chǎn)力的電價政策，使得廢棄電、低品位電（廢棄電和低谷電）和高品位電的價格得到合理區(qū)分。除了第一座50 MW試驗示范工程需有適當額度資金支持外，這一技術的推廣并無需政府大量出資，只要制定一套合理政策，就會有充裕資金進入，最終形成大生產(chǎn)力。

5）建議將這種既能大幅提高新能源利用率和降低碳排的自主創(chuàng)新技術推廣應用，經(jīng)試點（以金壇50 MW壓氣蓄能發(fā)電站為試點）成功后再大力推進，并列入“十三五”規(guī)劃。

（作者單位：清華大學教授、中國科學院院士。）