王育飛，王 輝，符 楊，張 宇

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.上海電力公司電力技術(shù)與管理學(xué)院，上海 200122)

我國在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的構(gòu)建過程中，對儲能系統(tǒng)的需求不斷增大.首先，隨著社會總用電量的不斷增加，電力消耗的晝夜峰谷差在日益增大.以上海市為例，預(yù)計(jì)2015年的用電峰谷差高達(dá)1.6×104MW;當(dāng)用電低谷電力平衡時(shí)，上海電網(wǎng)內(nèi)的大型火電機(jī)組出力大多要減至最低，小型機(jī)組更是需要視情況而日開夜停，這對機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性都十分不利［1］.其次，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的輸出功率受自然環(huán)境的影響，會產(chǎn)生隨機(jī)的、間歇的波動.隨著風(fēng)能等可再生能源在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，其并網(wǎng)穩(wěn)定性問題已成為風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的關(guān)鍵問題［2-5］.再次，越來越多具有高度自動化生產(chǎn)線的工業(yè)企業(yè)和涉及信息、安全領(lǐng)域的用戶對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出更高的要求［6，7］.

在電力系統(tǒng)中，運(yùn)用儲能技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)用戶需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷，降低供電成本，同時(shí)可以促進(jìn)可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證供電的可靠性［8］.常用的電力儲能技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、超導(dǎo)磁儲能、超級電容儲能、飛輪儲能和電池儲能等.其中，抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能適用于大規(guī)模儲能，如削峰填谷等［9，10］;而抽水蓄能和壓縮空氣儲能對自然條件有特殊的要求，抽水蓄能需要上下水庫，壓縮空氣儲能需要有可利用的密閉儲氣空間;超導(dǎo)磁儲能、超級電容儲能和飛輪儲能由于自放電率較高，較適用于短時(shí)間儲能，如提高電能質(zhì)量等可采用此種儲能方式［11，12］.常用的大規(guī)模電力儲能電池有鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池等［13-19］.

1 儲能電池種類

1.1 鈉硫電池

鈉硫電池具有能量密度大、運(yùn)行壽命長(15年以上)、效率高(約89%)、便于現(xiàn)場安裝與維護(hù)、無自放電現(xiàn)象、能夠提供強(qiáng)脈沖功率、與外界環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于城市和其他需要的地區(qū)，已成為目前最具市場活力和應(yīng)用前景的電力儲能電池.

鈉硫儲能電池是300℃左右充放電的高溫型儲能電池，負(fù)極活性物質(zhì)為金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫，傳導(dǎo)鈉離子的β氧化鋁電解質(zhì)膜材料將正負(fù)極活性物質(zhì)分開.

鈉硫電池系統(tǒng)的基本單元為單體電池，目前單體鈉硫電池的最大容量為650 Ah，功率為125 W.鈉硫電池充放電原理如圖1所示.

鈉硫電池充放電反應(yīng)式為:

在放電過程中，鈉被電離，電子通過外電路流向正極，鈉離子通過β氧化鋁電解質(zhì)擴(kuò)散到液態(tài)硫正極，并與硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多硫化鈉.在充電過程中，多硫化鈉分解成硫和鈉離子，鈉離子通過電解質(zhì)膜擴(kuò)散到負(fù)極，獲得電子而形成鈉原子.

將多個(gè)單體電池依據(jù)規(guī)格不同以串并聯(lián)方式組合后形成電池模塊，模塊的功率通常為50 kW.其中維持真空熱保溫箱內(nèi)的溫度在300℃左右且比較均勻是一個(gè)難點(diǎn)［20］.

圖1 鈉硫電池充放電原理示意

自2005年起，上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作，開展基于大容量鈉硫電池的城網(wǎng)儲能系統(tǒng)研究，并將鈉硫儲能電池列為儲能領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一.2008年初，國內(nèi)首塊鈉硫單體電池在上海下線，容量為650 Ah，這使我國成為繼日本之后世界上第2個(gè)擁有鈉硫電池自主知識產(chǎn)權(quán)的國家.2009年3月，我國建成了第1條產(chǎn)能達(dá)2 MW的鈉硫儲能電池中試生產(chǎn)線，短期的研究目標(biāo)是研制兆瓦級的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，儲存容量為8 000 kWh，放電8 h.另外，中國電力科學(xué)研究院、中國科學(xué)院電工所和華北電網(wǎng)公司等單位也在積極地推進(jìn)鈉硫電池儲能系統(tǒng)的研究和示范應(yīng)用工作［21］.

目前，國際上研究鈉硫電池的主要國家和單位有日本的NGK公司，美國猶太州鹽湖城的Beta電能公司，英國氯化物無聲公司，德國的BBC公司.其中，日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制發(fā)展和應(yīng)用的標(biāo)志性機(jī)構(gòu).20世紀(jì)80年代中期，NGK公司開始與日本東京電力公司合作開發(fā)鈉硫儲能電池.1992年，第1個(gè)鈉硫電池儲能系統(tǒng)開始在日本示范運(yùn)行，至2002年有超過50座鈉硫電池儲能站在日本示范運(yùn)行.2002年，NGK公司開始了鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng).2002年9月，在美國AEP的主持下，由NGK提供的鈉硫電池儲能站在美國示范運(yùn)行.2003年4月，NGK開始了鈉硫儲能電池的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量達(dá)到30 MW，2004年達(dá)到65 MW.NGK公司近期的發(fā)展計(jì)劃是年產(chǎn)160 MW，目前已有100余座鈉硫電池儲能站在全球范圍內(nèi)運(yùn)行［22］.

1.2 液流電池

氧化還原液流儲能電池(簡稱液流電池)是由美國的THALLER L H于1974年提出的一種電化學(xué)儲能原理電池.

液流儲能電池系統(tǒng)由電堆、電解質(zhì)溶液，以及電解質(zhì)溶液儲供體系、系統(tǒng)控制體系、充放電體系等部分組成.液流儲能電池系統(tǒng)的核心是電堆，有數(shù)十節(jié)至數(shù)百節(jié)進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)充、放電過程的單電池按照特定要求串、并聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)與燃料電池的電堆有類似之處.

液流電池的原理如圖2所示，正極和負(fù)極電解液分別裝在兩個(gè)儲罐中，利用送液泵使電解液通過電池循環(huán).電池內(nèi)用離子交換膜將正、負(fù)極電解液分隔開，電池外接負(fù)載和電源.電池組和電解液儲罐可以分別放置.在液流電池充、放電過程中，僅電解液中的離子價(jià)態(tài)發(fā)生變化，因此從理論上說，具有可變離子價(jià)態(tài)的離子對可以組成多種氧化還原液流電池.

圖2 氧化還原液流儲能電池原理示意

液流電池分多種體系，其中全釩液流電池是技術(shù)發(fā)展主流.全釩液流儲能電池是將具有不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，儲存在各自的電解液儲罐中.在對電池進(jìn)行充、放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，電解液通過泵的作用，由外部貯液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對電池的充放電.

液流電池的儲能容量取決于電解液的容量和密度，其配置相當(dāng)靈活，只需增大電解液容積和濃度即可增大其儲能容量，并可進(jìn)行深度充放電.

由于全釩液流儲能電池的開發(fā)時(shí)間較短，技術(shù)上還不成熟，如離子交換膜的選擇性比較差，導(dǎo)致正負(fù)極電解質(zhì)離子滲透，降低了電池的效率和壽命.另外，電解液制備技術(shù)和電池組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是急需解決的問題［23］.

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所從2002年開始進(jìn)行全釩液流儲能電池的研究開發(fā).2006年，在國家863計(jì)劃后續(xù)能源領(lǐng)域的支持下，該研究所開發(fā)出了高效10 kW級全釩液流儲能電池系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī).目前，液流儲能電池絕大多數(shù)關(guān)鍵材料可基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化［24］.

國外的全釩液流儲能電池的研究開始較早，系統(tǒng)規(guī)模較大，已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用.比較著名的研發(fā)和應(yīng)用機(jī)構(gòu)有澳大利亞Pinnacle公司，日本住友公司，加拿大VRB能源系統(tǒng)公司.2003年11月，Pinnacle公司為澳大利亞HydroTasmania公司在King Island建造了與柴油機(jī)及2.5 MW風(fēng)場發(fā)電配套的釩電池儲能系統(tǒng)，用于保證電能供應(yīng)質(zhì)量，穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電.該系統(tǒng)的容量為800 kWh，輸出功率為200 kW.加拿大VRB能源系統(tǒng)公司的前身是加拿大 Vanteck技術(shù)公司，2001年10月通過控股Pinnacle公司，從而擁有釩電池核心技術(shù)，2002年改名為VRB能源系統(tǒng)公司，從事釩電池技術(shù)的開發(fā)和轉(zhuǎn)讓.2004年2月，該公司為美國Pacific Corp電力公司在美國猶他州的Castle Valley建造了一座釩電池電站.該電站系統(tǒng)容量為2 MWh，輸出功率為250 kW，與25 kV郊區(qū)電網(wǎng)相連，主要用于滿足猶他州東南部邊遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)峰和平衡負(fù)荷.2006年8月，該公司為愛爾蘭設(shè)計(jì)了一套容量為1.5 MW ×8 h的釩電池系統(tǒng)，2007年7月，又為美國佛羅里達(dá)州提供了2套5 kW×4 h的釩電池系統(tǒng)，用于穩(wěn)定光伏發(fā)電出力.2008年11月，VRB能源公司因?yàn)樨?cái)務(wù)問題和經(jīng)濟(jì)危機(jī)，停止了其所有業(yè)務(wù).2009年，北京普能公司收購了VRB能源公司，成立了普能國際［25］.

1.3 鋰離子電池

鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是儲能密度高、儲能效率高、倍率特性好.目前單體電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命已經(jīng)超過1 000次，僅從單體電池的角度來看，鋰離子電池的比容量和循環(huán)壽命已能夠基本滿足儲能的應(yīng)用需求.2009年，美國電力科學(xué)院(EPRI)開展了 2 kW/4 kWh，50 kW/200 kWh，100 kW/400 kWh鋰離子電池用于分布式儲能的研究和開發(fā)，并進(jìn)行了兆瓦級鋰離子電池儲能系統(tǒng)的示范應(yīng)用，主要用于電力系統(tǒng)的頻率和電壓控制，以及平滑風(fēng)力發(fā)電等.

目前，美國A123公司已開發(fā)出2 MW×0.25 h的Hybrid-APU柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng).2009年開始，美國AES公司與A123公司合作，在其電網(wǎng)中安裝了多個(gè)Hybrid-APU柜式儲能系統(tǒng)，主要用于為電力系統(tǒng)提供包括頻率控制在內(nèi)的輔助服務(wù).我國深圳比亞迪公司已開發(fā)出基于磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)的200 kW×4 h柜式儲能電站和1 MW ×4 h 儲能示范站［26］.

鈉硫電池、鋰離子電池和全礬液流電池的部分性能比較分析見表1.

表1 3種儲能電池的部分性能比較

2 儲能電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 電池儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理

電池儲能系統(tǒng)主要由電池組和變流器兩部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 電池儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電力變流系統(tǒng)是連接在儲能電池和交流電網(wǎng)之間的接口電路，能夠?qū)崿F(xiàn)直流儲能電池和交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，其核心部分是一個(gè)大容量電壓源逆變器.電力變流系統(tǒng)除了需要解決與電池容量匹配的問題外，還需考慮與電網(wǎng)的接口問題.在容量選擇上，電力變流系統(tǒng)要在電池基本容量的基礎(chǔ)上，考慮留有足夠的備用容量，以滿足電網(wǎng)負(fù)荷突然增大時(shí)短時(shí)間內(nèi)大功率輸出的需要.在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電力變流系統(tǒng)應(yīng)滿足電網(wǎng)對儲能系統(tǒng)在交流并網(wǎng)電壓波動、諧波含量等方面的要求［27-29］.

電池儲能系統(tǒng)的電路原理如圖4所示.

圖4中，電池儲能系統(tǒng)等效為一個(gè)理想的電壓源，電壓幅值U1和電壓相角θ都是可以控制的，當(dāng)需要向電力系統(tǒng)注入有功功率時(shí)，可以使θ＞δ，這時(shí)電池儲能系統(tǒng)的電壓相角超前于電力系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓相角，有功功率由電池儲能系統(tǒng)流入電力系統(tǒng).當(dāng)需要向系統(tǒng)注入無功功率時(shí)，便可以使U1＞US，這時(shí)電池儲能系統(tǒng)的電壓幅值高于電力系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓幅值，無功功率由電池儲能系統(tǒng)流入電力系統(tǒng).由此可見，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整換流器來控制電池儲能系統(tǒng)的電壓幅值和相角，便可以實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)與接入的電力系統(tǒng)之間的有功功率和無功功率的交換.

圖4 電池儲能系統(tǒng)電路原理示意

2.2 電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的作用

電池儲能系統(tǒng)可用于電力系統(tǒng)中的削峰填谷，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的穩(wěn)定輸出，以及提高電能質(zhì)量等方面.

2.2.1 削峰填谷

在電力需求逐年增加的情況下，較大負(fù)荷中心配電網(wǎng)中普遍存在負(fù)荷因數(shù)偏低的問題，即白天與夜晚的電力負(fù)荷需求存在很大差異.利用高能量密度和高效率的電池儲能系統(tǒng)，可減弱這種隨時(shí)間變化的能量需求波動，從而提高現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本.

電池儲能系統(tǒng)在夜晚用電低谷期將電能吸收進(jìn)電池存儲起來，在白天用電高峰期將電能釋放，滿足負(fù)荷的需求，使供需平衡.電池儲能系統(tǒng)額定輸出功率 PNaS應(yīng)滿足［30］:

式中:PD——配電網(wǎng)額定功率;

Kmax——功率變動系數(shù)，常數(shù).

圖5為2006年夏天峰谷差最大的3天(2006-07-19，2006-08-02，2006-08-03)1 MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)在美國查爾斯頓電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)削峰填谷的功能示意.

由圖5可以看出，2006年夏該變電站用電負(fù)荷峰谷差由無電池儲能系統(tǒng)的9.697 MW削減為有電池儲能系統(tǒng)的7.57 MW，最高負(fù)荷由21.234 MW 降低為20.305 MW，最低負(fù)荷由11.537 MW提高為12.735 MW.

2.2.2 穩(wěn)定可再生能源輸出

由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源的輸出存在波動，當(dāng)容量較大的該類發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性.利用電池儲能系統(tǒng)與新能源發(fā)電裝置聯(lián)合運(yùn)行，對其進(jìn)行穩(wěn)定性干預(yù)，可使隨機(jī)變化的輸出能量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的能量［31］.目前，風(fēng)力發(fā)電中較多采用的是鉛酸電池，而鈉硫電池和液流電池在未來的風(fēng)力發(fā)電儲能中將發(fā)揮越來越重要的作用.

近10年來，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)相繼將與風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰.2003年，加拿大VRB能源系統(tǒng)公司建造了為風(fēng)能發(fā)電配套的全釩液流儲能電池系統(tǒng)，容量為800 kW，輸出功率為250 kW.

2.2.3 提高電能質(zhì)量

配電系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問題包括電壓跌落、浪涌電壓、供電中斷、電壓波動和閃變等，會給敏感負(fù)荷擁有者造成不可避免的損失.電池儲能系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)可以輸出數(shù)倍于其額定功率的脈沖功率，以抑制電壓的短時(shí)間波動、跌落等問題.根據(jù)美國電力公司統(tǒng)計(jì)，約90%以上的電能質(zhì)量問題持續(xù)時(shí)間不超過30 s，因此利用電池儲能系統(tǒng)為負(fù)荷提供脈沖功率來應(yīng)對短期電能質(zhì)量問題是切實(shí)可行的［32］.

電池儲能監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，一旦發(fā)現(xiàn)任何電壓波動超過允許范圍或出現(xiàn)供電中斷等電能質(zhì)量問題，電力變流系統(tǒng)將控制晶閘管開關(guān)快速斷開，將敏感負(fù)荷與出現(xiàn)電能質(zhì)量問題的配電網(wǎng)隔離，同時(shí)電力變流系統(tǒng)控制鈉硫電池儲能系統(tǒng)向負(fù)荷輸出所需要的能量.圖6為電網(wǎng)正常和故障狀態(tài)時(shí)鈉硫電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行情況.由圖6b可以看出，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，晶閘管開關(guān)斷開，由鈉硫電池儲能系統(tǒng)直接給敏感負(fù)荷供電.

圖6 電網(wǎng)正常或故障狀態(tài)下鈉硫電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行情況

3 結(jié)語

在國家電網(wǎng)、中國科學(xué)院、上海市政府的支持下，上海電力公司與中國科學(xué)院硅酸鹽研究所合作開發(fā)了大容量鈉硫儲能電池，已成功研制出650 Ah鈉硫單體電池，目前正在進(jìn)行電池模塊的研制.北京普能公司、青島武曉集團(tuán)、北京金能公司已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)出不同規(guī)模的全釩液流電池示范樣機(jī).中國電力科學(xué)研究院與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作，已建成國內(nèi)最大的100 kW/200 kWh全釩液流電池系統(tǒng).在鋰離子方面，國內(nèi)對電池成組技術(shù)的研究雖剛起步，但在電池管理技術(shù)上有了一些成果，如比亞迪公司新近研制出的200 kW/800 kWh儲能系統(tǒng)樣機(jī).

我國儲能電池的系統(tǒng)集成和應(yīng)用與國外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，還需要相關(guān)科技人員的努力.電池儲能技術(shù)由于其自身的優(yōu)勢，已引起電力工作者的高度關(guān)注，國內(nèi)外的研究和應(yīng)用力度在不斷加大，其必將在智能電網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮巨大作用.

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