南方电网电池储能技术应用及发展机会探讨

罗佑坤，乔志园，辛 晟

(南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630)

近年来，可再生能源发电、燃气分布式电源、充电式电动汽车等新能源技术已成为我国能源领域的发展重点，这些新能源设备的运行都具有不稳定和不连续性，并网运行会给电网运行的安全和调度带来很大的负面影响。采用储能技术可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网；同样储能技术也可以有效调节电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，为新能源汽车的大规模推广提供了基础[1]。同时储能技术还可以将电网在负荷低谷时的电力储存起来在电网负荷高峰时放电，缓解电网目前面临的电力供应巨大的峰谷差压力。

电池储能技术利用电能和化学能之间的转换实现电能的存储和输出，不仅具有快速响应和双向调节的技术特点，还具有环境适应性强、小型分散配置且建设周期短的技术优点，颠覆了源网荷的传统概念，打破了电力发输配用各环节同时完成的固有属性，可在电力系统电源侧、电网侧承担不同的角色，发挥不同的作用[2]。

截止至目前，中国已投运储能项目装机规模31.3 GW，占全球市场的17.3%。其中，电化学储能是除抽水蓄能外装机规模最大的储能形式，累计1 072.7 MW。同时，电化学储能也是目前各类储能应用中，除抽水蓄能之外应用最广泛、技术发展最快、产业基础最好的储能技术。近年来，以锂离子电池、铅碳电池、液流电池为主导的电化学储能不仅在电池本体技术和系统集成技术层面取得了重大突破，并且在发电领域的场景应用范围也实现了重要扩展。由此，本文在基于上述背景的基础上对南方电网电池储能技术应用及发展机遇进行了探讨。

1 南方电网储能相关政策

“十三五”以来，随着能源“四个革命”的工作深化，以及“创新”、“绿色”发展理念的不断推进，国家以及南方区域层面分别从“技术与产业发展”、“并网运行管理”、“电力辅助服务机制优化”、“完善辅助服务补偿”等多方面出台了促进储能发展的相关政策。与此同时，广东作为电力市场化体制改革的先行地区，随着8月《南方(以广东起步)电力现货市场规则(征求意见稿)》、《广东调频辅助服务市场交易(试行)》发布，为充分发挥电池储能响应速度快、调节精度高的技术优势，提升项目建设收益创造了条件。

从近期的政策发展，按时间推进的情况来看，“十三五”以来电池储能政策呈现出以下几个特点。

1)第一阶段：储能在电力系统中作用得以明确，技术与产业的发展进一步推进。

2017-09-22日，为促进储能技术与产业发展，国家能源局出台了《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》为“十三五”及中长期电池储能在本体技术发展路线、电力系统应用场景、可再生能源消纳、以及商业模式方面指明了发展方向，对促进储能项目的推进具有重要意义。

与此同时，2017-11-25日，为进一步完善和深化电力辅助服务补偿机制，推进电力辅助服务市场化，国家能源局发布了《完善电力辅助服务补偿(市场)机制工作方案》，对提供电力辅助服务的主体进行了扩展，并明确了电力用户参与辅助服务的方式。独立储能电站、分布式储能均具备提供调频、调压、黑启动等辅助服务的条件，随着市场的放开，电池储能将可充分发挥其优势，实现运营期盈利。

2)第二阶段：南方区域辅助服务补偿进一步得以量化。

2017年12月，在原有的《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》、《南方区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》(以下简称《两个细则》)的基础之上，结合上述电力辅助服务工作方案，《两个细则》对辅助服务等方面进行修编与优化，在电池储能方面，通过发布配套政策——《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务实施细则(试行)》，对电储能系统参与辅助服务的准入条件、辅助服务类型、削峰填谷补偿、AGC(自动发电控制)及充电补偿方案均进行了详细说明。

3)第三阶段：电力市场化进程得以推进，调频市场助推电池储能发展。

广东省已于2015年开始了电力市场批发竞争的试点工作。通过市场化交易工作的开展，对全面推进国家电力市场化改革具有较为积极的推动性作用。为进一步推进市场改革进程，国家能源局南方监管局于2018年8月，发布了《南方(以广东起步)电力现货市场规则(征求意见稿)》明确了中长期交易及现货两种电力交易品种。

2018-08-02日，国家能源局南方监管局正式发布了(南方监能市场[2018]272号)《广东调频辅助服务市场交易规则(试行)》，其中对准入规则、市场运行机制等做出了相关规定，该市场交易规则已于同年9月1日正式执行，在该市场环境下，电池储能可充分发挥其响应速度快、调节精度高的技术优势，获取相关收益。

上述指导意见对推动电池储能技术在电力领域的应用具有重要意义。在这些政策的推动下，截止目前，电化学储能调峰、调频项目已有数十个投运或在建。

2 主要的电池储能技术

目前电池储能技术路线呈现多样化特点，主要包括铅酸电池、铅碳电池、锂离子电池、钠硫电池、钒液流电池、燃料电池等多种技术路线。从现有的工程应用来看，在化学储能装置单元中，铅碳、磷酸铁锂等电池技术相对成熟，同时伴随国内大型钒液流电池的示范应用，也将带来较好的发展空间[3]。根据电池储能技术特点，结合电网侧、发电侧大规模储能的技术需求，适合我国大规模储能的电池主要有锂电池，铅碳电池和钒液流电池。下述将对铅碳、锂离子、全钒液流三种电池储能技术进行相关的总结梳理。

2.1 铅碳电池技术概况

铅碳电池是一种新型的超级电池，既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势。铅碳电池是通过“内混”的方式把碳材料加入铅酸电池负极板而形成的一种新型储能电池，其结构原理图如图1所示。

图1 铅碳电池结构原理图

铅碳电池是铅酸电池的创新技术，相比铅酸电池有着诸多优势：一是充电快，提高8倍充电速度；二是放电功率提高了3倍；三是循环寿命提高到6倍，循环充电次数达2000次；四是性价比高，比铅酸电池的售价有所提高，但循环使用的寿命大大增加了；五是使用安全稳定，可广泛地应用在各种新能源及节能领域[4]。

从整体经济性来看，根据典型铅碳电池储能项目造价测算可得，当前铅碳电池单位造价水平约在1 500元/kW·h左右，由于铅金属价格处于上升趋势，铅碳电池单位成本下降空间有限，约有20%的单位造价下降潜力。但考虑到铅碳电池中铅金属的回收价值较高，预计其将存在35%的残值回收率，在经济性上占有一定的优势。

从铅碳电池技术应用来看，作为能量型电池储能技术，铅碳电池较为广泛地应用于工业园区削峰填谷，以及微电网可再生能源消纳等方面。

2.2 锂离子电池技术概况

锂离子电池的正极材料通常由锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。锂离子电池具备较好的安全性和可使用的寿命，被列为电动汽车蓄电池的长期开发目标[5]。锂电池的种类繁多，近年来随着工业和材料的发展，电池循环寿命也大大增加，成本不断降低。其结构原理图如图2所示。

在当今锂电池市场，受到关注较多的是磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池。钛酸锂电池循环寿命最长，倍率性能好，但价格高出前两者一倍以上，且只有个别厂商具备生产能力；磷酸铁锂电池，在国内的产业链完整，在电动汽车上应用较多。上述两者主要的特性是能量密度与安全性的差异，能量密度关系到动力电池的续航能力，安全性也是动力锂电池最重要的指标之一。

2.3 全钒液流电池技术概况

全钒氧化还原液流电池(VRB)通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，是唯一使用同种元素组成的电池系统。与传统二次电池相比，其电极反应过程无相变发生，可以进行深度充放电，能耐受大电流充放。由于正、负极活性物质分开存储，杜绝存放过程自放电可能性，且电池容量取决于外部活性溶液的多少，调整容易，各个单体电池的均匀性好，维护相对容易[6]。全钒氧化还原液流电池可通过更换溶液实现电池的“即时充电”，具备快速响应和超负荷工作能力；活性溶液可重复循环使用，不污染环境等众多优势。经过优化的电池系统能量效率可达75%～80%，具有效率高、寿命长等特点。

其结构原理图如图3所示。

图3 全钒液流电池结构原理图

从发展限制性条件来看，全钒液流电池初始投资水平较高，根据大连融科公司提供数据，全钒液流电池单位投资约为4 000元/kW·h，在各类电池储能中处于较高水平；与此同时，钒电池其较低的能量密度，只有15～40 Wh/L，低于铅碳电池，设备体积和重量大，且利用电解液含有较浓的硫酸(2～3 mol/L)来提高五价钒的溶解度和水的析氧电位，具有一定毒性。

2.4 电池储能技术小结

从上述三种主要的电池储能类型来看，锂电池优势在于对建设环境无特殊要求，建设周期短，能量效率高、功率和时间配置灵活；铅碳电池同样对环境无特殊要求，充放电性能好，价格相对较低，但循环寿命相比锂电池较短。全钒液流电池能量密度在各类电池储能技术中为最低，且响应速度相应较慢，但是全钒液流电池最突出的特点就在于循环寿命特别长。一般认为锂电池可以使用8～10年左右，而液流电池寿命可达25年。从整个生命周期来看，液流电池的全生命周期度电成本低于其它的储能技术。对于目前主要的电池储能类型技术特点对比如表1所示。

表1 主要电池储能类型技术特点对比

结合当前各项电池储能应用场景，能量密度、响应速度等指标，以及建设成本变化趋势，在工程项目的建设中，对于电网侧、发电侧的电池储能调峰及调频项目，宜考虑采用磷酸铁锂电池储能技术，在低温或者极高温的环境下，全钒液流电池比锂电池及铅碳电池更加安全与可靠，也有其专属的特定市场需求。

3 电池储能调峰电站发展机会分析

3.1 广东省内调峰缺额分析

从广东电力系统调峰情况来看，在区域煤电调峰深度按50%考虑，云南水电按10%计入的边界情况下，“十三五”期间，随着深圳抽水蓄能等项目的投产落地，至2020年全省基本可以实现调峰平衡。“十四五”期间，随着省内电力需求及峰谷差的进一步拉大，以及海上风电项目的大规模投产，广东电力系统将出现大量的调峰缺额。据测算，至2030年全省调峰缺额将达到约900万kW以上，以风电为主的可再生能源将存在较大的消纳压力。

3.2 珠三角核心区域电力缺口分析

其次，从珠三角核心地区电力供应情况来看，作为广东电力系统的核心受端地区，广州、深圳、东莞、佛山等地区存在较大的电力缺额。在计入已核准电源的情况下，2020年上述各地区220 kV及以下电网将各出现1 4494、15 273、11 853、11 494 MW的电力缺口，随着国民经济的持续发展，电力缺口将在“十四五”期间呈现进一步的上升趋势，在当前核心地区输变电工程推进逐渐加大的背景下，珠三角核心地区将存在较大的省网下供压力，可通过储能系统的需求，优化负荷特性，缓解尖峰负荷增长压力(见图4)。

图4 珠三角七市220 kV及以下电力系统电力缺口分析(单位：MW)

3.3 典型电网侧调峰项目发展机会分析

从具体项目发展来看，作为珠三角产业集聚发展的代表地区，东莞市工业园区布局密集，随着大工业、数据中心等重要用户峰值负荷的持续增长，将对相关变电站带来较大的安全稳定运行压力，急需进行尖峰负荷的削减以及负荷特性的优化。在上述背景下，东莞供电局对港区等110 kV变电站提出了电池储能调峰电站的建设需求，项目的建成投产将在提升区域供电可靠性、满足尖峰负荷供应的同时，为区域提供优质的调节资源，并缓解电气化交通对当地配电网造成的冲击，这为电池储能提供了较好的发展机会。

4 电池储能调频项目发展机会分析

4.1 广东电网调频需求分析

从广东电力系统调频存在的主要问题来看，随着电网规模的不断扩大，负荷变化量的日趋加快，机组在调频时爬升或骤降速率较快，导致火电机组调频难度增大；其次，在快速调频方面，目前主要依靠广州抽水蓄能电厂、新丰江水电厂、枫树坝水电厂，以及燃油机组参与快速调频，快速且清洁的调频资源较为紧缺，在此环境下，为电池储能发展创造了一定的空间。

4.2 调频项目发展方向分析

南方区域电网以大型煤电机组作为主要调频资源，燃气电厂和抽水蓄能机组为辅，而储能的AGC调频效果远好于煤电、燃气和抽蓄机组。引入相对少量的储能系统，将能够迅速并有效地解决区域电网优质调频资源不足的问题。

在现货电力市场条件下，对比传统火电发电机组，储能的响应速度快，可以达到秒级甚至毫秒级的响应速度。储能精确控制出力，调节精度高，不会直接产生污染物，一方面可作为独立系统进行调频，另一方面可与传统火电进行联合调频，其中与火电联合调频可减少火电机组的运行成本。

根据上述分析，在后续储能项目开发中，可考虑以下发展方向。

4.2.1 利用现有资源开发

南方电网深圳宝清储能站现已建成18 MW·h电池储能电站可充分利用既有设备资源及运行经验，具备进一步升级改造成调频电站的可能性。

南方电网广州、惠州、深圳抽水蓄能电站具备充足的土地资源，可提供电池储能项目建设空间。

4.2.2 待开发资源

广州、深圳供电局部分非中心区110 kV变电站存在闲置土地资源，可开发相应的储能调频项目。

1)发电侧调频项目。充分挖掘火电机组联合调频项目发展潜力，进行“火电+储能”联合调频项目开发。典型项目如珠海洪湾电厂与电池储能联合调频。

2)电网侧调频项目。从电网侧独立调频电站来看，深圳抽水蓄能电站独立调频项目已具备进一步推进的条件，从项目效益来看由于在调频响应速度、精度等方面的技术优势，电池储能在调频市场中，相比传统火电、燃气电厂将具备较为明显的竞争力。当按单位调频里程报价12元/MW，在充放电倍率达2C及以上时，电池储能参与调频项目具有良好的收益。

5 结 语

南方电网电池储能技术未来的发展与应用呈现出多元化趋势。一是电池作用多元化，根据电池储能技术在可再生能源并网，电网辅助服务，电网输配，分布式及微网，用户侧以及电动汽车充放电模式等多元化场景的应用，其作用可分为三类，分别为平滑间隙性电源功率波动；减少峰谷差，提高电力系统效率和设备利用率；增加备用容量，提高电网安全稳定性和供电质量。二是电池类型多元化，从场景应用要求反推储能电池的类型，可以分为四大类：容量型储能电池，功率型储能电池，能量型储能电池以及备用型储能电池。根据电池使用的功率容量比值进行区分，有利于发展不同类型的电池储能技术。三是发展目标多元化，对于电池储能技术的发展，距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的总体目标还有一定的距离，有待技术创新和突破。

电池储能技术正在经历技术的逐步成熟和市场逐步建立的关键时期，随着其制造工艺的成熟、技术性能的提升以及由此带来的经济性能愈加显著，其在南方电网会出现规模化的应用，发展前景将会越来越广阔。