王志斌，汪 毅，宋昭昭

（1.中國礦業(yè)大學應(yīng)用技術(shù)學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇 徐州 221116）

在傳統(tǒng)變電站中，儲能裝置主要指的是站用電源的核心設(shè)備——蓄電池，一般包括操作蓄電池組、通信蓄電池組、UPS蓄電池組（或者一體化電源的蓄電池組），主要用作后備電源。它們正常時處于備用狀態(tài)，當交流電故障失電時，蓄電池迅速向事故性負荷供電，同時為停電時的自動控制裝置、保護裝置、信號及通信等負荷供電。

隨著變電站的建設(shè)面向智能化，風力、太陽能以及燃料電池等發(fā)電的技術(shù)被用于變電站中，形成了不間斷電力變電站這一新概念[1]。在不間斷電力變電站中，原有的蓄電池儲能已不能滿足發(fā)展的需求，很多新型儲能裝置被引入變電站中。本文通過分析變電站用儲能裝置的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，詳細對比分析了各種儲能裝置的優(yōu)缺點，展望了未來變電站儲能裝置的發(fā)展趨勢。

1 變電站站用蓄電池的發(fā)展與現(xiàn)狀

我國的變電站（所）的發(fā)展要追溯到20世紀50年代，50年代到60年代期間，變電站（所）使用的蓄電池一般為固定型開口式鉛酸蓄電池。這種蓄電池有兩個主要缺點[2]：(1)電末期水會分解為氫、氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護工作繁重；

(2)氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。

到了60年代中期，變電站中的開口式鉛酸蓄電池逐漸被GGF型防酸隔爆蓄電池所取代。防酸隔爆蓄電池是半密封式的，容器上部密封并裝防酸霧隔爆帽，經(jīng)過濾后，僅有少量酸霧及氧逸出。這種蓄電池有效的減少了酸霧溢出，但是仍有以下缺點[3]：

(1)使用前需要配置電液，初次充電周期長，充電時酸霧大；

(2)體積大、需定期添加蒸餾水，不利于維護。

80年代中期以后，由于電磁機構(gòu)的開關(guān)的應(yīng)用，鎘鎳堿性蓄電池因具有承受沖擊負荷大、體積小和維護檢修方便等優(yōu)點，開始獲得使用，到目前為止仍有一些對蓄電池容量要求較低的變電站采用鎘鎳堿性蓄電池。但是鎘鎳蓄電池有一個很大的問題：記憶效應(yīng)嚴重。由于變電站使用的蓄電池時往往不會完全放電，很容易發(fā)生因記憶效應(yīng)導致蓄電池過早失效，所以在變電站中鎘鎳蓄電池的壽命一般較短[4]。

隨著閥控式密封鉛酸蓄電池（也稱為VRLA電池）的發(fā)展，在90年初期由于其“免維護性”開始用于變電站中。閥控式密封鉛酸蓄電池基本上克服了一般鉛酸蓄電池的缺點，具有常規(guī)性免維護功能，無需添加水、調(diào)酸比重等維護工作，而且不存在鎘鎳蓄電池的“記憶效應(yīng)”[5]。由于它的這些優(yōu)點，使其迅速在變電站中得到推廣使用，并直到現(xiàn)在仍是變電站站用蓄電池的主流，約占市場80%的份額。隨著閥控式密封鉛酸蓄電池在變電站中的長期使用，其運行工況卻并不樂觀，同時“免維護”這一名詞又給使用者帶來認識上的誤區(qū)，導致使用者放松對蓄電池的日常維護管理，目前其缺陷也凸顯出來[6]：

（1）溫度對閥控式密封鉛酸蓄電池特性影響大，且有電池鼓肚現(xiàn)象，真實的使用壽命偏短；

（2）可能出現(xiàn)隱蔽缺陷的情況，當站用交流失電時，短時間容量“跳水”崩潰；

（3）對過充電比較敏感，在過充的情況下可能出現(xiàn)燃燒或者爆炸；

（4）變電站大量使用鉛酸蓄電池，蓄電池廢棄處理，環(huán)保壓力越來越大。

另外隨著國家開展節(jié)能減排，工信部與環(huán)保部共同研究起草的《鉛蓄電池行業(yè)準入條（征求意見稿）》正式發(fā)布，鉛酸蓄電池的前景異常暗淡。這些問題的出現(xiàn)引起了很多工程師和學者的注意，他們努力尋找一種能在變電站中替代閥控式密封鉛酸蓄電池的電池，磷酸鐵鋰電池的適時發(fā)展為這個問題提供了一個答案。

磷酸鐵鋰電池是近幾年發(fā)展起來新型蓄電池，解決了鈷酸鋰、錳酸鋰等鋰電池的安全性問題，且與其他蓄電池相比主要優(yōu)點是儲能密度高（300～400 kWh/m3，130 kWh/t），儲能效率高（接近100%）和使用壽命長（每次放電不超過儲能的80%時可充3000次）[7]，是變電站站用蓄電池的理想選擇。在變電站中利用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池，將進一步提高直流系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的安全運行水平。目前已經(jīng)有部分變電站采用磷酸鐵鋰電池進行試點，例如曲靖供電局110 kV城南變電站、上海電力公司10 kV配電站等。

2 新型儲能裝置及其在變電站中的應(yīng)用展望

2.1 新型儲能裝置的現(xiàn)狀

近幾十年來，儲能技術(shù)、儲能裝置的研究及發(fā)展一直受到各國能源、電力、交通、通信等部門的重視。各種新型的儲能裝置也不斷的涌現(xiàn)出來，如超級電容、飛輪儲能、超導磁儲能、鈉硫電池、液流電池等，下面介紹它們的詳細特性。

（1）超級電容

超級電容器是根據(jù)電化學雙電層理論研制而成的一種新型儲能器件，所以稱之為“超級”，是因為其容量可達到法拉級甚至數(shù)千法拉。其優(yōu)點是：可提供強大的脈沖功率，充電速度較快，放電深度深，能量轉(zhuǎn)換率很高，長期使用免維護，高低溫特性好，沒有“記憶效應(yīng)”，循環(huán)使用壽命長，多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合[7]。超級電容歷經(jīng)紐扣型、卷繞型和大型三代的發(fā)展，作為產(chǎn)品目前已趨于成熟。

（2）飛輪儲能

飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。飛輪儲能的效率可達90%以上，其突出優(yōu)點是幾乎不需要維護、循環(huán)使用壽命長達20年，無噪聲、無污染，可連續(xù)工作；缺點是能量密度比較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費用很高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢[8]。飛輪儲能分為低速飛輪、高速飛輪和磁懸浮飛輪儲能，目前低速飛輪儲能已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障等要求較高的場合。

（3）超導磁儲能

超導磁儲能系統(tǒng)(SMES)利用超導體制成的線圈，將供電勵磁產(chǎn)生的磁場能儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)或直接給負荷供電[9]。由于裝置采用超導結(jié)構(gòu)，儲能狀態(tài)下裝置損耗很小，因而效率比常規(guī)的儲能裝置高；同時超導儲能系統(tǒng)釋能速度快，能實現(xiàn)快速的有功、無功功率補償，對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制低頻振蕩、改善供電品質(zhì)都有良好的應(yīng)用前景，也能應(yīng)用于太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等功率輸出不穩(wěn)定的系統(tǒng)以提高其并網(wǎng)性能。但是和其他儲能裝置相比，超導磁儲能十分昂貴，且維持超導體低溫所需要的費用也相當可觀，因此僅在國外得到了初步應(yīng)用。目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導磁儲能工程正在進行或者處于研制階段。

（4）鈉硫和液流電池

鈉硫和液流電池被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池在300℃左右的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫（S）；負極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點是能量密度大、充電效率高、循環(huán)壽命長等；然而鈉硫電池在工作過程中需要保持300～350℃的高溫，有一定安全隱患，需要設(shè)置防爆和防腐安全保護[10]。一般用于負荷調(diào)峰、可再生儲能、電能質(zhì)量等需要大容量儲能的場合。

鈉硫電池在國外發(fā)展相對成熟，日本在2002年就已進入商業(yè)化實施階段，2007年日本年產(chǎn)鈉硫電池量已超過100 MW，并開始向海外輸出。在國內(nèi)，國家電網(wǎng)同中科院上海硅酸鹽研究所合作，2008年完成了電池模塊研制、2009年度攻關(guān)百萬千瓦級儲能設(shè)備、2010年實現(xiàn)世博會示范應(yīng)用，到2011年進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。

液流電池是利用可溶解的活性物質(zhì)，分裝在兩大儲存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。此化學反應(yīng)為可逆的，因此可達到多次充放電的能力。此系統(tǒng)之儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積。由于兩者可以獨立設(shè)計，因此系統(tǒng)設(shè)計的靈活性大而且受設(shè)置場地限制小[11]。

目前液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系，液流電池電化學極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實現(xiàn)快速充放電，且壽命長等優(yōu)點，全釩液流電池已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運作，一般用于風力發(fā)電儲能，能夠有效平滑風能發(fā)電功率。

2.2 儲能裝置在變電站中的應(yīng)用展望

變電站用儲能裝置目前來看主要有兩個用途：（1）用作變電站的后備電源和電力UPS的儲能；（2）用于裝設(shè)有風力/光伏等發(fā)電設(shè)施的變電站儲能系統(tǒng)。第一種儲能裝置用途的要求比較低，一般免維護、使用壽命長，能滿足變電站運行環(huán)境的儲能裝置都能勝任；第二種要求較高，在第一種要求的基礎(chǔ)上還要滿足動態(tài)循環(huán)壽命長，動態(tài)響應(yīng)能力好，倍率特性優(yōu)秀等特點。儲能裝置是否適合用于變電站，需要知道各自的特性能否滿足變電站用的要求。表1給出了目前常見及上述新型的儲能裝置特性。

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綜合文章上面的描述和表1來看，未來幾年到十幾年內(nèi)鋰電池將在變電站中發(fā)揮極大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：（1）鋰離子電池是目前轉(zhuǎn)換效率最高的儲能裝置；（2）鋰離子電池已經(jīng)形成規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，而液流電池和鈉硫電池目前還是少數(shù)幾家壟斷技術(shù)局面；（3）鋰離子電池性能具有巨大提高的空間，循環(huán)壽命、動態(tài)響應(yīng)能力、倍率特性、成組規(guī)模均不斷提高；（4）鋰離子電池成本具有巨大下降空間，且鋰離子電池材料和成品制造過程不高耗能，也不借助于貴重金屬屬于環(huán)保類產(chǎn)品。

此外，超級電容由于其技術(shù)成熟、能夠真正的免維護、使用壽命長，很適合變電站的第一種需求。但是超級電容的價格比較高，從經(jīng)濟性考慮目前很少用于變電站中，未來若是超級電容的成本下降，它也將成為變電站用儲能裝置的可選方案。

鈉硫和液流電池作為近年來新興的高效儲能裝置，是未來風力/光伏發(fā)電中儲能系統(tǒng)的絕佳選擇，所以它們能很好的滿足變電站的第二種需求。但是鈉硫和液流電池目前還在快速的發(fā)展中，國內(nèi)制造廠商少，使用也處于剛剛起步的階段，用作變電站儲能裝置的條件還不成熟，需要進一步完善其研究，加快其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。飛輪和超導磁儲能由于自身的特性：飛輪儲能的安全性維護、超導磁儲能的低溫保持等，不適合用于變電站這種較小的場合。

3 儲能裝置在智能變電站中的應(yīng)用實例

為了改善新能源發(fā)電特性，提高源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能，以形成完整的新能源接入解決方案，在國家科技部、財政部和能源局的支持下，國家電網(wǎng)公司啟動實施了風光儲輸示范工程的建設(shè)。2011年12月25日，國家風光儲輸示范工程在河北省張北縣建成投產(chǎn)，總體系統(tǒng)如圖1所示。

國家風光儲輸示范工程中包含一座220 kV智能變電站，該站屬我國新能源領(lǐng)域示范變電站，一期已經(jīng)接入100 MW風電，40 MW光伏發(fā)電，20 MW儲能裝置包括：14 MW磷酸鐵鋰電池、4 MW鈉硫電池和2 MW液流電池。該站集風力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲能裝置為一體，實現(xiàn)世界首創(chuàng)的風、光、儲、輸聯(lián)合運行模式，并可根據(jù)需要實現(xiàn)電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動。該電站的投運，為儲能提高可再生電源接入能力的應(yīng)用和多種類型電池儲能裝置的并網(wǎng)特性提供了試驗平臺，也為我國儲能技術(shù)的發(fā)展起到示范引領(lǐng)作用。

圖1 國家風光儲輸示范工程系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

本文回顧了變電站站用儲能裝置的發(fā)展歷程，綜述了目前各種新型儲能技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了變電站站用儲能裝置未來的發(fā)展趨勢。近年來，由于智能電網(wǎng)建設(shè)的大力發(fā)展，智能變電站作為智能電網(wǎng)不可分割的一部分也迅速的推廣開來。站用儲能裝置作為變電站的一個重要環(huán)節(jié)，擔負著提供變電站的事故后備電源、為風光發(fā)電變電站提供儲能、維持變電站的安全和穩(wěn)定運行的職責，也得到了長足的發(fā)展。隨著國家風光儲輸示范工程220 kV智能變電站的順利投運，新型的儲能裝置在智能變電站中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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