储能电池及其在电力系统中的应用

王育飞，王 辉，符 杨，张 宇

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.上海电力公司电力技术与管理学院，上海 200122)

我国在坚强智能电网的构建过程中，对储能系统的需求不断增大.首先，随着社会总用电量的不断增加，电力消耗的昼夜峰谷差在日益增大.以上海市为例，预计2015年的用电峰谷差高达1.6×104MW;当用电低谷电力平衡时，上海电网内的大型火电机组出力大多要减至最低，小型机组更是需要视情况而日开夜停，这对机组运行的安全性和经济性都十分不利［1］.其次，风能、太阳能等可再生能源的输出功率受自然环境的影响，会产生随机的、间歇的波动.随着风能等可再生能源在电力系统中所占比例的逐渐增加，其并网稳定性问题已成为风力发电等技术的关键问题［2-5］.再次，越来越多具有高度自动化生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量提出更高的要求［6，7］.

在电力系统中，运用储能技术可以有效地实现用户需求侧管理，消除昼夜峰谷差，平滑负荷，降低供电成本，同时可以促进可再生能源的利用，提高电网系统运行的稳定性并提高电网电能质量，保证供电的可靠性［8］.常用的电力储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、超导磁储能、超级电容储能、飞轮储能和电池储能等.其中，抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能适用于大规模储能，如削峰填谷等［9，10］;而抽水蓄能和压缩空气储能对自然条件有特殊的要求，抽水蓄能需要上下水库，压缩空气储能需要有可利用的密闭储气空间;超导磁储能、超级电容储能和飞轮储能由于自放电率较高，较适用于短时间储能，如提高电能质量等可采用此种储能方式［11，12］.常用的大规模电力储能电池有钠硫电池、液流电池和锂离子电池等［13-19］.

1 储能电池种类

1.1 钠硫电池

钠硫电池具有能量密度大、运行寿命长(15年以上)、效率高(约89%)、便于现场安装与维护、无自放电现象、能够提供强脉冲功率、与外界环境友好等优点，特别适用于城市和其他需要的地区，已成为目前最具市场活力和应用前景的电力储能电池.

钠硫储能电池是300℃左右充放电的高温型储能电池，负极活性物质为金属钠，正极活性物质为液态硫，传导钠离子的β氧化铝电解质膜材料将正负极活性物质分开.

钠硫电池系统的基本单元为单体电池，目前单体钠硫电池的最大容量为650 Ah，功率为125 W.钠硫电池充放电原理如图1所示.

钠硫电池充放电反应式为:

在放电过程中，钠被电离，电子通过外电路流向正极，钠离子通过β氧化铝电解质扩散到液态硫正极，并与硫发生化学反应生成多硫化钠.在充电过程中，多硫化钠分解成硫和钠离子，钠离子通过电解质膜扩散到负极，获得电子而形成钠原子.

将多个单体电池依据规格不同以串并联方式组合后形成电池模块，模块的功率通常为50 kW.其中维持真空热保温箱内的温度在300℃左右且比较均匀是一个难点［20］.

图1 钠硫电池充放电原理示意

自2005年起，上海硅酸盐研究所和上海电力公司合作，开展基于大容量钠硫电池的城网储能系统研究，并将钠硫储能电池列为储能领域的重点发展方向之一.2008年初，国内首块钠硫单体电池在上海下线，容量为650 Ah，这使我国成为继日本之后世界上第2个拥有钠硫电池自主知识产权的国家.2009年3月，我国建成了第1条产能达2 MW的钠硫储能电池中试生产线，短期的研究目标是研制兆瓦级的钠硫电池储能系统，储存容量为8 000 kWh，放电8 h.另外，中国电力科学研究院、中国科学院电工所和华北电网公司等单位也在积极地推进钠硫电池储能系统的研究和示范应用工作［21］.

目前，国际上研究钠硫电池的主要国家和单位有日本的NGK公司，美国犹太州盐湖城的Beta电能公司，英国氯化物无声公司，德国的BBC公司.其中，日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制发展和应用的标志性机构.20世纪80年代中期，NGK公司开始与日本东京电力公司合作开发钠硫储能电池.1992年，第1个钠硫电池储能系统开始在日本示范运行，至2002年有超过50座钠硫电池储能站在日本示范运行.2002年，NGK公司开始了钠硫电池的商业化生产和供应.2002年9月，在美国AEP的主持下，由NGK提供的钠硫电池储能站在美国示范运行.2003年4月，NGK开始了钠硫储能电池的大规模商业化生产，产量达到30 MW，2004年达到65 MW.NGK公司近期的发展计划是年产160 MW，目前已有100余座钠硫电池储能站在全球范围内运行［22］.

1.2 液流电池

氧化还原液流储能电池(简称液流电池)是由美国的THALLER L H于1974年提出的一种电化学储能原理电池.

液流储能电池系统由电堆、电解质溶液，以及电解质溶液储供体系、系统控制体系、充放电体系等部分组成.液流储能电池系统的核心是电堆，有数十节至数百节进行氧化-还原反应，实现充、放电过程的单电池按照特定要求串、并联而成，其结构与燃料电池的电堆有类似之处.

液流电池的原理如图2所示，正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解液通过电池循环.电池内用离子交换膜将正、负极电解液分隔开，电池外接负载和电源.电池组和电解液储罐可以分别放置.在液流电池充、放电过程中，仅电解液中的离子价态发生变化，因此从理论上说，具有可变离子价态的离子对可以组成多种氧化还原液流电池.

图2 氧化还原液流储能电池原理示意

液流电池分多种体系，其中全钒液流电池是技术发展主流.全钒液流储能电池是将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，储存在各自的电解液储罐中.在对电池进行充、放电实验时，电解液通过泵的作用，由外部贮液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，从而实现对电池的充放电.

液流电池的储能容量取决于电解液的容量和密度，其配置相当灵活，只需增大电解液容积和浓度即可增大其储能容量，并可进行深度充放电.

由于全钒液流储能电池的开发时间较短，技术上还不成熟，如离子交换膜的选择性比较差，导致正负极电解质离子渗透，降低了电池的效率和寿命.另外，电解液制备技术和电池组的结构优化也是急需解决的问题［23］.

中国科学院大连化学物理研究所从2002年开始进行全钒液流储能电池的研究开发.2006年，在国家863计划后续能源领域的支持下，该研究所开发出了高效10 kW级全钒液流储能电池系统试验样机.目前，液流储能电池绝大多数关键材料可基本实现国产化［24］.

国外的全钒液流储能电池的研究开始较早，系统规模较大，已经开始商业化应用.比较著名的研发和应用机构有澳大利亚Pinnacle公司，日本住友公司，加拿大VRB能源系统公司.2003年11月，Pinnacle公司为澳大利亚HydroTasmania公司在King Island建造了与柴油机及2.5 MW风场发电配套的钒电池储能系统，用于保证电能供应质量，稳定风力发电系统供电.该系统的容量为800 kWh，输出功率为200 kW.加拿大VRB能源系统公司的前身是加拿大 Vanteck技术公司，2001年10月通过控股Pinnacle公司，从而拥有钒电池核心技术，2002年改名为VRB能源系统公司，从事钒电池技术的开发和转让.2004年2月，该公司为美国Pacific Corp电力公司在美国犹他州的Castle Valley建造了一座钒电池电站.该电站系统容量为2 MWh，输出功率为250 kW，与25 kV郊区电网相连，主要用于满足犹他州东南部边远地区的电网调峰和平衡负荷.2006年8月，该公司为爱尔兰设计了一套容量为1.5 MW ×8 h的钒电池系统，2007年7月，又为美国佛罗里达州提供了2套5 kW×4 h的钒电池系统，用于稳定光伏发电出力.2008年11月，VRB能源公司因为财务问题和经济危机，停止了其所有业务.2009年，北京普能公司收购了VRB能源公司，成立了普能国际［25］.

1.3 锂离子电池

锂离子电池的主要优点是储能密度高、储能效率高、倍率特性好.目前单体电池标准循环寿命已经超过1 000次，仅从单体电池的角度来看，锂离子电池的比容量和循环寿命已能够基本满足储能的应用需求.2009年，美国电力科学院(EPRI)开展了 2 kW/4 kWh，50 kW/200 kWh，100 kW/400 kWh锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，并进行了兆瓦级锂离子电池储能系统的示范应用，主要用于电力系统的频率和电压控制，以及平滑风力发电等.

目前，美国A123公司已开发出2 MW×0.25 h的Hybrid-APU柜式磷酸铁锂电池储能系统.2009年开始，美国AES公司与A123公司合作，在其电网中安装了多个Hybrid-APU柜式储能系统，主要用于为电力系统提供包括频率控制在内的辅助服务.我国深圳比亚迪公司已开发出基于磷酸铁锂电池储能技术的200 kW×4 h柜式储能电站和1 MW ×4 h 储能示范站［26］.

钠硫电池、锂离子电池和全矾液流电池的部分性能比较分析见表1.

表1 3种储能电池的部分性能比较

2 储能电池在电力系统中的应用

2.1 电池储能系统基本结构与工作原理

电池储能系统主要由电池组和变流器两部分组成，其基本结构如图3所示.

图3 电池储能系统基本结构

电力变流系统是连接在储能电池和交流电网之间的接口电路，能够实现直流储能电池和交流电网之间的双向能量传递，其核心部分是一个大容量电压源逆变器.电力变流系统除了需要解决与电池容量匹配的问题外，还需考虑与电网的接口问题.在容量选择上，电力变流系统要在电池基本容量的基础上，考虑留有足够的备用容量，以满足电网负荷突然增大时短时间内大功率输出的需要.在并网运行时，电力变流系统应满足电网对储能系统在交流并网电压波动、谐波含量等方面的要求［27-29］.

电池储能系统的电路原理如图4所示.

图4中，电池储能系统等效为一个理想的电压源，电压幅值U1和电压相角θ都是可以控制的，当需要向电力系统注入有功功率时，可以使θ＞δ，这时电池储能系统的电压相角超前于电力系统接入点的电压相角，有功功率由电池储能系统流入电力系统.当需要向系统注入无功功率时，便可以使U1＞US，这时电池储能系统的电压幅值高于电力系统接入点的电压幅值，无功功率由电池储能系统流入电力系统.由此可见，适当地调整换流器来控制电池储能系统的电压幅值和相角，便可以实现电池储能系统与接入的电力系统之间的有功功率和无功功率的交换.

图4 电池储能系统电路原理示意

2.2 电池储能系统在电力系统中的作用

电池储能系统可用于电力系统中的削峰填谷，风能、太阳能等可再生能源的稳定输出，以及提高电能质量等方面.

2.2.1 削峰填谷

在电力需求逐年增加的情况下，较大负荷中心配电网中普遍存在负荷因数偏低的问题，即白天与夜晚的电力负荷需求存在很大差异.利用高能量密度和高效率的电池储能系统，可减弱这种随时间变化的能量需求波动，从而提高现有发电系统的运行效率，降低运行成本.

电池储能系统在夜晚用电低谷期将电能吸收进电池存储起来，在白天用电高峰期将电能释放，满足负荷的需求，使供需平衡.电池储能系统额定输出功率 PNaS应满足［30］:

式中:PD——配电网额定功率;

Kmax——功率变动系数，常数.

图5为2006年夏天峰谷差最大的3天(2006-07-19，2006-08-02，2006-08-03)1 MW 钠硫电池储能系统在美国查尔斯顿电网中实现削峰填谷的功能示意.

由图5可以看出，2006年夏该变电站用电负荷峰谷差由无电池储能系统的9.697 MW削减为有电池储能系统的7.57 MW，最高负荷由21.234 MW 降低为20.305 MW，最低负荷由11.537 MW提高为12.735 MW.

2.2.2 稳定可再生能源输出

由于风能、太阳能等可再生能源的输出存在波动，当容量较大的该类发电系统直接并网运行时会影响电网的稳定性.利用电池储能系统与新能源发电装置联合运行，对其进行稳定性干预，可使随机变化的输出能量转换为稳定输出的能量［31］.目前，风力发电中较多采用的是铅酸电池，而钠硫电池和液流电池在未来的风力发电储能中将发挥越来越重要的作用.

近10年来，美国、日本、欧洲等国家和地区相继将与风能/光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站调峰.2003年，加拿大VRB能源系统公司建造了为风能发电配套的全钒液流储能电池系统，容量为800 kW，输出功率为250 kW.

2.2.3 提高电能质量

配电系统中存在的电能质量问题包括电压跌落、浪涌电压、供电中断、电压波动和闪变等，会给敏感负荷拥有者造成不可避免的损失.电池储能系统在短时间内可以输出数倍于其额定功率的脉冲功率，以抑制电压的短时间波动、跌落等问题.根据美国电力公司统计，约90%以上的电能质量问题持续时间不超过30 s，因此利用电池储能系统为负荷提供脉冲功率来应对短期电能质量问题是切实可行的［32］.

电池储能监控系统对网侧电压进行实时检测，一旦发现任何电压波动超过允许范围或出现供电中断等电能质量问题，电力变流系统将控制晶闸管开关快速断开，将敏感负荷与出现电能质量问题的配电网隔离，同时电力变流系统控制钠硫电池储能系统向负荷输出所需要的能量.图6为电网正常和故障状态时钠硫电池储能系统的运行情况.由图6b可以看出，电网发生故障时，晶闸管开关断开，由钠硫电池储能系统直接给敏感负荷供电.

图6 电网正常或故障状态下钠硫电池储能系统的运行情况

3 结语

在国家电网、中国科学院、上海市政府的支持下，上海电力公司与中国科学院硅酸盐研究所合作开发了大容量钠硫储能电池，已成功研制出650 Ah钠硫单体电池，目前正在进行电池模块的研制.北京普能公司、青岛武晓集团、北京金能公司已经陆续开发出不同规模的全钒液流电池示范样机.中国电力科学研究院与中国科学院大连化学物理研究所合作，已建成国内最大的100 kW/200 kWh全钒液流电池系统.在锂离子方面，国内对电池成组技术的研究虽刚起步，但在电池管理技术上有了一些成果，如比亚迪公司新近研制出的200 kW/800 kWh储能系统样机.

我国储能电池的系统集成和应用与国外先进水平相比仍存在较大差距，还需要相关科技人员的努力.电池储能技术由于其自身的优势，已引起电力工作者的高度关注，国内外的研究和应用力度在不断加大，其必将在智能电网构建中发挥巨大作用.

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