電池儲(chǔ)能電站發(fā)展扶持政策研究課題組

在城市里，作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的代表——電池儲(chǔ)能因其特殊的優(yōu)勢(shì)正在獲得領(lǐng)先發(fā)展。

1 儲(chǔ)能電池的類別

1）鉛酸電池

鉛酸電池的主要特點(diǎn)是采用稀硫酸為電解液，其電極由鉛及其氧化物制成。鉛酸電池荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為絨狀鉛；放電狀態(tài)下，正負(fù)極主要成分均為硫酸鉛。到目前為止，鉛酸電池是技術(shù)最成熟、成本最低的化學(xué)蓄電池。鉛酸電池在交通運(yùn)輸、通訊、國(guó)防、航空航海等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用于備載容量、頻率控制、不間斷電源等。但其存在儲(chǔ)存能量密度低、循環(huán)壽命短、充電速度慢、過(guò)充電容易析出異常氣體、生產(chǎn)使用過(guò)程溢出的硫酸會(huì)污染環(huán)境等缺陷。

2）鋰離子電池

鋰離子電池的正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰，具有高效率、高能量密度的特點(diǎn)，并具有工作電壓高放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)。多應(yīng)用于通訊、電子、電動(dòng)汽車(chē)等方面，但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問(wèn)題，在安全性、循環(huán)壽命和經(jīng)濟(jì)性方面需要改進(jìn)。目前被應(yīng)用于電力系統(tǒng)電池儲(chǔ)能電站的鋰離子電池為磷酸鐵鋰電池。日前有報(bào)道稱復(fù)旦大學(xué)已經(jīng)發(fā)明先進(jìn)的水鋰電池，其性能比現(xiàn)有鋰電池有明顯提高，但尚未商業(yè)運(yùn)用。

3）液流電池

液流電池適用于大規(guī)模電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電裝置的功率超過(guò)電網(wǎng)吸納能力時(shí)，通過(guò)對(duì)液流電池充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)的離子中；當(dāng)發(fā)電裝置低于電網(wǎng)吸納能力時(shí)，液流電池放電將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，使電功率輸出穩(wěn)定。

目前已在電力系統(tǒng)液流電池儲(chǔ)能中應(yīng)用的是全釩液流電池。全釩液流電池由電解質(zhì)溶液、碳素材料電極、導(dǎo)電塑料雙極板和離子交換膜等部件構(gòu)成，通過(guò)流體輸送設(shè)備使電解液在電堆與儲(chǔ)槽之間循環(huán)流動(dòng)，在充電/放電過(guò)程中完成不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化及電能的儲(chǔ)存與釋放。

液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所儲(chǔ)存的能量由儲(chǔ)能容器中的電解液容積決定，輸出功率由電池的反應(yīng)面積決定。通過(guò)改變儲(chǔ)槽中電解液數(shù)量，能滿足大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能需求；通過(guò)調(diào)整電池堆中單電池的串連數(shù)量和電極面積，能滿足額定放電功率要求。在電池關(guān)鍵材料制備方面，如質(zhì)子交換膜、導(dǎo)電雙極板等電池關(guān)鍵材料，通過(guò)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。全釩液流電池成本低于燃料電池等化學(xué)電源，適合于幾十千瓦至數(shù)兆瓦規(guī)模的場(chǎng)合使用。由于正負(fù)半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)槽中，完全避免電解液保存過(guò)程的自放電消耗，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電能量效率高達(dá)80%。

4）鈉硫電池

鈉硫電池是一種二次電池，以金屬鈉作為負(fù)極，硫作為正極，電解質(zhì)隔膜由陶瓷管制成。在工作溫度下，鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與正極硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成了能量的釋放和儲(chǔ)存。鈉硫儲(chǔ)能電池能夠做到容量大、體積小，能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境影響小、無(wú)污染氣體、無(wú)振動(dòng)、低噪聲，不受地域限制，故較適合電力儲(chǔ)能使用。鈉硫電池儲(chǔ)能電站在日本已經(jīng)成功地商業(yè)運(yùn)行。目前鈉硫電池單體最大容量為650 Ah，標(biāo)稱電壓2 V，功率約120 W，額定放電電流為80 A，能量體積比約為40.8 kWh/m3。設(shè)計(jì)為800次深度充放電，預(yù)期將來(lái)實(shí)現(xiàn)使用壽命為15年。直流充放電效率90%，儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率75%，電池工作時(shí)需要加熱保溫（工作溫度在300～350℃）。鈉硫電池已經(jīng)成功地用于削峰填谷、應(yīng)急電源和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出及提高電力質(zhì)量等方面。

2 儲(chǔ)能電池的基本特性

各種電池的基本特性參見(jiàn)表1。上述三種電池綜合比較，參見(jiàn)表2。鈉硫電池的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)較多；從實(shí)際安裝容量比較，鈉硫電池也處于遙遙領(lǐng)先地位。

表1 主要電池種類的基本特性

表2 鈉硫電池、液流電池和鋰電池的綜合比較表

3 電池儲(chǔ)能電站的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 發(fā)電方面：

1）削峰填谷。

發(fā)電、供電和用電是瞬間同時(shí)完成的，電能不能大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間地存儲(chǔ)，而用電負(fù)荷是不均衡的，峰谷差大已成為電網(wǎng)運(yùn)行中最突出的問(wèn)題之一。目前我國(guó)電源結(jié)構(gòu)仍以火電為主，電網(wǎng)中絕大部分的調(diào)峰任務(wù)依靠常規(guī)電廠承擔(dān)，其中絕大部分要由燃煤電廠負(fù)擔(dān)。為保持低谷負(fù)荷時(shí)候的電力平衡，大型火電機(jī)組通常要減至最低出力，部分機(jī)組需日開(kāi)夜停，實(shí)行兩班制運(yùn)行，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。以上海300 MW機(jī)組燃煤發(fā)電機(jī)組為例，出力為300 MW時(shí)，單位煤耗在320 g/kWh左右，而出力降低到120 MW時(shí)，單位煤耗率增加到400 g/kWh左右，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)削峰填谷，可以改善部分火電機(jī)組的運(yùn)行條件，使其從壓荷運(yùn)行變?yōu)榉€(wěn)定出力運(yùn)行，降低火電廠的運(yùn)行費(fèi)用和發(fā)電成本，減少運(yùn)行事故。在低谷負(fù)荷情況下啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能，火電機(jī)組運(yùn)行在比較經(jīng)濟(jì)的出力區(qū)間，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。電池儲(chǔ)能電站的投入運(yùn)行可使電網(wǎng)負(fù)荷得到合理調(diào)整,使承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的火電機(jī)組可更多地承擔(dān)系統(tǒng)的基荷和腰荷。一旦儲(chǔ)能系統(tǒng)形成規(guī)模，提高了低谷負(fù)荷時(shí)的機(jī)組效率，即使考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤還可多發(fā)電50～150 kWh。同時(shí)，相應(yīng)減少煤炭燃燒對(duì)環(huán)境的污染，在相同發(fā)電量的情況下可促進(jìn)其增效減排，提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，也符合國(guó)家的能源政策。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，比火電機(jī)組更適合作為發(fā)電備用。如果能建設(shè)更大容量的儲(chǔ)能站，或者在全網(wǎng)分散布置大量小容量?jī)?chǔ)能站，當(dāng)整體儲(chǔ)能容量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，就能逐步減少火電機(jī)組，就可替代部分火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)充電，作為負(fù)荷從電網(wǎng)獲取電能，而在電網(wǎng)負(fù)荷峰值時(shí)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送電能，在一定程度上減小發(fā)電峰谷差，可減少火電或其它類型電源的裝機(jī)容量,優(yōu)化系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)。但與抽水蓄能或壓縮空氣蓄能技術(shù)比較，電池儲(chǔ)能的存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，而削峰填谷需要較大的電能存儲(chǔ)容量，因此必須克服電池容量小及成本造價(jià)高的缺點(diǎn)。

2）抑制電網(wǎng)振蕩。

通過(guò)發(fā)電機(jī)附加勵(lì)磁控制可以有效地抑制由微小擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)不平衡功率導(dǎo)致的機(jī)組間的振蕩。對(duì)于出現(xiàn)在大型復(fù)雜互聯(lián)電力系統(tǒng)中的區(qū)域間多模式低頻振蕩問(wèn)題，最有效控制點(diǎn)可能位于遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)組的某條輸電線路上，若通過(guò)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最有效控制部位的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制來(lái)抑制，往往難以達(dá)到滿意的控制效果。作用電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置的電池儲(chǔ)能電站不必和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用，可方便地使用在系統(tǒng)中對(duì)于抑制振蕩來(lái)說(shuō)最有效的部位。只要儲(chǔ)能裝置容量足夠大，而且響應(yīng)速度快到向電網(wǎng)提供1～2秒鐘有功功率補(bǔ)償，就能在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)快速地吸收/釋放功率，減小和消除擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩,抑制同步振蕩和諧振,并在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài),提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3）負(fù)荷跟蹤。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于快速負(fù)荷跟蹤，將根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化調(diào)整自身出力，以維持系統(tǒng)發(fā)電和用電的瞬時(shí)平衡。儲(chǔ)能系統(tǒng)可在輕載狀態(tài)高性能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而高效地滿足負(fù)載需求?；痣姍C(jī)組從冷態(tài)到滿載需要5～8小時(shí)，而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以毫秒級(jí)的速度啟停，改變工況容易，且調(diào)節(jié)方便，并通過(guò)充電和放電模式，滿足負(fù)荷上升和下降的雙向需求，以實(shí)現(xiàn)快速負(fù)荷跟蹤。

4）大規(guī)模新能源發(fā)電。

目前大規(guī)模的新能源發(fā)電主要為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電。以風(fēng)電為例，眾所周知，風(fēng)力資源是難以控制的，當(dāng)風(fēng)電發(fā)電功率超過(guò)電網(wǎng)接納能力時(shí)，將導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行安全問(wèn)題。同時(shí)風(fēng)電發(fā)電高峰多為夜晚負(fù)荷低谷時(shí)，電網(wǎng)容納能力相對(duì)更小，往往發(fā)生“棄風(fēng)”情況。在風(fēng)電場(chǎng)中配置電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，便可儲(chǔ)存夜間多余的風(fēng)電，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能時(shí)移，同時(shí)能有效改善風(fēng)電品質(zhì)，解決低電壓穿越問(wèn)題及無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。從國(guó)外的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展看，多采用風(fēng)電場(chǎng)結(jié)合釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行模式。接入配網(wǎng)的分布式發(fā)電逐漸增加，對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)運(yùn)行控制提出了更高的要求，采用電池儲(chǔ)能技術(shù)可以對(duì)分布式發(fā)電進(jìn)行調(diào)控。

3.2 輸配電網(wǎng)方面

1）削峰填谷。

電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)將電池儲(chǔ)能電站直接接入城市配網(wǎng)，在用電低谷時(shí)作為存儲(chǔ)電能量，用電高峰時(shí)作為電源釋放電能，可在一定程度上負(fù)荷轉(zhuǎn)移、減小負(fù)荷峰谷差，有效變相地削減峰值負(fù)荷。對(duì)電網(wǎng)而言，相當(dāng)于改善了負(fù)荷特性,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平控制；減少了系統(tǒng)備用容量的需求，減少了系統(tǒng)中的調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組的需求，減輕了高峰負(fù)荷時(shí)輸電網(wǎng)的潮流，減少了系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的損耗及輸電網(wǎng)的設(shè)備投資，由此提高輸配電設(shè)備的利用率。

2）推遲配網(wǎng)升級(jí)。

在城市電網(wǎng)中，當(dāng)某一線路負(fù)荷增長(zhǎng)將要超過(guò)配電線路負(fù)載能力時(shí)，電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)就需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)或者增容,傳統(tǒng)的措施包括對(duì)變電站變壓器、輸配電線路等設(shè)備升級(jí)或者增容。但是在用地緊張的城市區(qū)域，由于城市市政規(guī)劃、線路走廊、環(huán)境保護(hù)或市容市貌等多種因素的制約，電網(wǎng)升級(jí)擴(kuò)建成本很高。在電池儲(chǔ)能電站技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化程度不斷提高的以后，電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)可以利用安裝在過(guò)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能裝置來(lái)推遲配電網(wǎng)升級(jí)所帶來(lái)的較大的資金投入。

3）調(diào)頻調(diào)壓。

由于系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)刻都在變化，且變化幅度越來(lái)越大，以使系統(tǒng)頻率的變化加大。無(wú)論是電網(wǎng)系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，還是最小運(yùn)行方式，都要求保持頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)調(diào)頻是為了平衡正常運(yùn)行時(shí)有功功率，要求及時(shí)調(diào)整出力適應(yīng)負(fù)荷瞬時(shí)變化。大型火電機(jī)組每分鐘的增荷速度僅為額定出力的1%～2%，達(dá)不到系統(tǒng)負(fù)荷劇烈變化時(shí)爬坡的要求。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷跟蹤控制性能好，可對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷的瞬間及短時(shí)間變化迅速作出反應(yīng)，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，提高電網(wǎng)頻率合格率，保持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)中無(wú)功電力不足會(huì)造成電網(wǎng)電壓的偏低，無(wú)功電力過(guò)剩，又會(huì)造成電網(wǎng)電壓過(guò)高，影響電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。所以系統(tǒng)中無(wú)功電力不足時(shí)，需設(shè)置調(diào)相機(jī)或投入無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。而輕載時(shí)的無(wú)功過(guò)剩又需要切除無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，或投入電抗器消耗過(guò)剩的無(wú)功。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在充電/放電的任何時(shí)候吸收或者發(fā)出無(wú)功，調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，同時(shí)可以減少電網(wǎng)的無(wú)功投資以及降低網(wǎng)損。

3.3 用戶側(cè)

對(duì)于從事高精密度產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，對(duì)電能質(zhì)量和電壓波形要求較高，瞬間停電也會(huì)導(dǎo)致精密生產(chǎn)線上的產(chǎn)品報(bào)廢；對(duì)于醫(yī)院、大型商場(chǎng)、學(xué)校等公共場(chǎng)所，突然停電會(huì)造成意外的事故，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的次生災(zāi)害。所以對(duì)供電可靠性要求高、負(fù)荷峰谷差大的大用戶，例如電子芯片制造業(yè)，可在負(fù)荷側(cè)接入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，將電池儲(chǔ)能電站作為不間斷電源使用，在供電突然中斷時(shí)以毫秒級(jí)的切換速度切換，保證用電可靠。

3.4 變電側(cè)

國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)表明，安裝在變電站側(cè)的大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷和電能質(zhì)量維護(hù)的功能，改善電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電池儲(chǔ)能電站在變電側(cè)，電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)可獲得的收益包括：推遲變電站升級(jí)工作所獲得的收益、減少的客戶用電管理成本、與可再生能源發(fā)電相關(guān)的收益、減少的發(fā)電容量成本、減少的輔助服務(wù)費(fèi)用、減少的與電能質(zhì)量相關(guān)的收益損失、終端用戶的電力服務(wù)可靠性提高的收益，以及輸配電阻塞得到解所獲得的收益。

3.5 輔助服務(wù)方面

1）黑啟動(dòng)及恢復(fù)狀態(tài)

電力系統(tǒng)一旦處于全部停電狀態(tài)，則通過(guò)儲(chǔ)存有電能的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大恢復(fù)范圍，最終恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)。所以電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可為系統(tǒng)黑啟動(dòng)提供電源。電池儲(chǔ)能電站因模塊化的設(shè)計(jì)可使其充分利用可移動(dòng)性和靈活組配的特點(diǎn)適用于不同地址條件、不同容量需求，特別是地震洪水等自然災(zāi)害后的恢復(fù)或特定時(shí)段的應(yīng)用。

2）孤網(wǎng)運(yùn)行

對(duì)于一些重要負(fù)荷或需要提高供電可靠性的地區(qū)，大容量電池儲(chǔ)能電站可作為備用電源，在其發(fā)生事故失去主網(wǎng)電源或輸配電設(shè)備檢修時(shí)獨(dú)立供電時(shí)實(shí)施孤網(wǎng)運(yùn)行。由于孤網(wǎng)容量較小，要求發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)具有靈敏度更高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快的特性，在實(shí)施中難度較高，而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可快速反應(yīng)，及時(shí)采取控制措施，從而減少用戶停電時(shí)間，提高供電可靠性。

3.6 電動(dòng)汽車(chē)充電站

國(guó)家電網(wǎng)公司在《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)通訊協(xié)議》提出：?jiǎn)闻_(tái)大型充電機(jī)最大功率為200 kW，單臺(tái)中型充電機(jī)最大功率為100 kW，且每次充電持續(xù)時(shí)間為10～15分鐘，充電站的負(fù)荷呈現(xiàn)斷續(xù)的脈沖負(fù)荷的特點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車(chē)充電站多采用快速大電流充電，充電瞬時(shí)功率大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很大，而且充電站的充電高峰多為白天峰荷期間。如果在充電站中配備一定規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可大大降低電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)充電站負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊，緩解電網(wǎng)的供電壓力。一方面可以共用充電機(jī)的變壓、整流和濾波設(shè)備，減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資；另一方面可通過(guò)電池在谷荷時(shí)儲(chǔ)能，用于充電高峰時(shí)電動(dòng)汽車(chē)充電，降低充電站的購(gòu)電成本，同時(shí)可為充電站提供換電池業(yè)務(wù)。

隨著電池儲(chǔ)能電站技術(shù)的日臻成熟，其運(yùn)用領(lǐng)域?qū)?huì)日益拓寬，效益將會(huì)更加明顯。