電池儲能電站專欄 電池儲能 城市電力儲能的最佳選擇 電池儲能電站發(fā)展扶持政策研究課題組 在城市里。作為電化學儲能技術的代表一電 通過對液流電池充電，將電能轉化為化學能存儲在 池儲能因其特殊的優(yōu)勢正在獲得領先發(fā)展。 不同價態(tài)的離子中；當發(fā)電裝置低于電網(wǎng)吸納能力 時，液流電池放電將儲存的化學能轉化為電能，使 1儲能電池的類別 電功率輸出穩(wěn)定。 1)鉛酸電池 目前已在電力系統(tǒng)液流電池儲能中應用的是 鉛酸電池的主要特點是采用稀硫酸為電解液。其 全釩液流電池。全釩液流電池由電解質溶液、碳素 電極由鉛及其氧化物制成。鉛酸電池荷電狀態(tài)下，正 材料電極、導電塑料雙極板和離子交換膜等部件構 極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為絨狀鉛；放 成，通過流體輸送設備使電解液在電堆與儲槽之間 電狀態(tài)下，正負極主要成分均為硫酸鉛。到目前為止。 循環(huán)流動，在充電／放電過程中完成不同價態(tài)的釩 鉛酸電池是技術最成熟、成本最低的化學蓄電池。鉛 離子相互轉化及電能的儲存與釋放。 酸電池在交通運輸、通訊、國防、航空航海等領域應用 液流電池儲能系統(tǒng)所儲存的能量由儲能容器 廣泛，在電力系統(tǒng)中主要應用于備載容量、頻率控制、 中的電解液容積決定，輸出功率由電池的反應面積 不間斷電源等。但其存在儲存能量密度低、循環(huán)壽命 決定。通過改變儲槽中電解液數(shù)量，能滿足大規(guī)模 短、充電速度慢、過充電容易析出異常氣體、生產使用 蓄電儲能需求；通過調整電池堆中單電池的串連數(shù) 過程溢出的硫酸會污染環(huán)境等缺陷。 量和電極面積，能滿足額定放電功率要求。在電池 2)鋰離子電池 關鍵材料制備方面，如質子交換膜、導電雙極板等電 鋰離子電池的正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸 池關鍵材料，通過實現(xiàn)國產化進行大規(guī)模、低成本生 鐵鋰，具有高效率、高能量密度的特點，并具有工作電 產。全釩液流電池成本低于燃料電池等化學電源。 壓高放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲 適合于幾十千瓦至數(shù)兆瓦規(guī)模的場合使用。由于正 存壽命長、無記憶效應及無公害等優(yōu)點。多應用于通 負半電池電解液中的活性物質分別儲存在不同的 訊、電子、電動汽車等方面，但目前鋰離子電池在大尺 儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗， 寸制造方面存在一定問題，在安全性、循環(huán)壽命和經 經過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電能量效率高達80％。 濟性方面需要改進。目前被應用于電力系統(tǒng)電池儲能 4)鈉硫電池 電站的鋰離子電池為磷酸鐵鋰電池。日前有報道稱復 鈉硫電池是一種二次電池，以金屬鈉作為負 旦大學已經發(fā)明先進的水鋰電池，其性能比現(xiàn)有鋰電 極。硫作為正極，電解質隔膜由陶瓷管制成。在工作 池有明顯提高，但尚未商業(yè)運用。 溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與正極硫之間發(fā)生 3)液流電池 的可逆反應，形成了能量的釋放和儲存。鈉硫儲能 液流電池適用于大規(guī)模電能儲存系統(tǒng)，當風 電池能夠做到容量大、體積小，能量儲存和轉換效 能、太陽能發(fā)電裝置的功率超過電網(wǎng)吸納能力時， 率高，壽命長，對環(huán)境影響小、無污染氣體、無振動、 洲刪臟舊…堿黛網(wǎng) 萬方數(shù)據(jù) 電池儲能電站專欄 低噪聲，不受地域限制，故較適合電力儲能使用。鈉 3電池儲能電站的應用領域 硫電池儲能電站在日本已經成功地商業(yè)運行。目前 3．1發(fā)電方面： 鈉硫電池單體最大容量為650Ah，標稱電壓2V，功 1)削峰填谷。 率約120W，額定放電電流為80A，能量體積比約 發(fā)電、供電和用電是瞬間同時完成的，電能不能 為40．8kWh／m3。設計為800次深度充放電，預期大規(guī)模、長時間地存儲。而用電負荷是不均衡的。峰谷 將來實現(xiàn)使用壽命為15年。直流充放電效率 差大已成為電網(wǎng)運行中最突出的問題之一。目前我國 90％，儲能系統(tǒng)轉換效率75％，電池工作時需要加電源結構仍以火電為主，電網(wǎng)中絕大部分的調峰任務 熱保溫(工作溫度在300～350。Co鈉硫電池已經 依靠常規(guī)電廠承擔。其中絕大部分要由燃煤電廠負 成功地用于削峰填谷、應急電源和風力發(fā)電等可再 擔。為保持低谷負荷時候的電力平衡，大型火電機組 生能源的穩(wěn)定輸出及提高電力質量等方面。 通常要減至最低出力，部分機組需日開夜停。實行兩 班制運行，影響機組運行的安全性、經濟性。以上海 2儲能電池的基本特性 各種電池的基本特性參見表1。上述三種電池 時，單位煤耗在3209／kWh左右，而出力降低到 綜合比較，參見表2。鈉硫電池的優(yōu)勢項較多；從實 120MW時，單位煤耗率增加到4009／kWh左右， 際安裝容量比較，鈉硫電池也處于遙遙領先地位。 電池儲能系統(tǒng)通過削峰填谷?？梢愿纳撇糠只痣?機組的運行條件，使其從壓荷 表1主要電池種類的基本特性 運行變?yōu)榉€(wěn)定出力運行，降低 單體 比容量 比功率 常溫循環(huán) 充放電 自放電 火電廠的運行費用和發(fā)電成 電池種類 電壓(V)(Wh／kg)(W／kg) 壽命(次) 效率(％)(％／月) 本，減少運行事故。在低谷負荷 鉛酸 2．0 35-50150～350500～1500O～80 25 鎳鎘 1．25 45～80150～500500～1000O一705～20 情況下啟動儲能裝置進行儲 鎳氫 1．25 80～90500～1000400～5000～705～20 能，火電機組運行在比較經濟 鋰離子 3．6 110～0O～95 0～1 的出力區(qū)間。從而獲得較高的 鈉硫 2．08 150～24090～230 2500 0～90 0 全釩液流 1．4 80～13050—140 13000 0～80 0 經濟效益。電池儲能電站的投 注：循環(huán)壽命為降至初始容量80％時的壽命，使用循環(huán)次數(shù)會因充放電方式、放電 入運行可使電網(wǎng)負荷得到合理 深度、環(huán)境溫度而有較大變化。 調整，使承擔調峰任務的火電 機組可更多地承擔系統(tǒng)的基荷 表2鈉硫電池、液流電池和鋰電池的綜合比較表 和腰荷。一旦儲能系統(tǒng)形成規(guī) 模，提高了低谷負荷時的機組 綜合性能、＼ 鈉硫電池 液流電池 鋰電池 裔≯芝 效率，即使考慮儲能系統(tǒng)的存 ．一 低 ．一 能量密度 局 同 儲效率，每噸標準煤還可多發(fā) 應用場合 能量管理、功率調節(jié) 能量管理、功率調節(jié) 能量管理、功率調節(jié) 布置方式 戶外／戶內，地下 戶內 戶內，車載 電50～150kWh。同時。相應減 -～ ．一 環(huán)境要求 低 同 局 少煤炭燃燒對環(huán)境的污染，在 資源制約 低 高(釩) 中(鋰) 相同發(fā)電量的情況下可促進其 原材料成本 低 高(釩、隔膜) 高(隔膜) 知識產權情況 全部自主 有糾紛可能 有糾紛可能 增效減排，提高了電廠的經濟 制造工藝 較復雜 一般 一般 效益，也符合國家的能源政策。 ．一 產品成本，kW 高 同 低 ．一 由 電池儲能系統(tǒng)響應速度 產品成本／kWh 低 咼 安裝容量／套數(shù) 多 由 少 快。比火電機組更適合作為發(fā) CONSER… 圈藏期ENERGY 萬方數(shù)據(jù) 電池儲能電站專欄 電備用。如果能建設更大容量的儲能站，或者在全 4)大規(guī)模新能源發(fā)電。 網(wǎng)分散布置大量小容量儲能站，當整體儲能容量達 目前大規(guī)模的新能源發(fā)電主要為風電和太陽能 到一定規(guī)模時，就能逐步減少火電機組，就可替代 發(fā)電。以風電為例，眾所周知。風力資源是難以控制 部分火電機組的旋轉備用。 的。當風電發(fā)電功率超過電網(wǎng)接納能力時，將導致電 電池儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負荷低谷時充電。作 網(wǎng)運行安全問題。同時風電發(fā)電高峰多為夜晚負荷 為負荷從電網(wǎng)獲取電能，而在電網(wǎng)負荷峰值時轉換 低谷時，電網(wǎng)容納能力相對更小，往往發(fā)生“棄風”情 為發(fā)電機方式運行。向電網(wǎng)輸送電能。在一定程度 況。在風電場中配置電池儲能系統(tǒng)，便可儲存夜間多 上減小發(fā)電峰谷差，可減少火電或其它類型電源的 余的風電，實現(xiàn)儲能時移，同時能有效改善風電品 裝機容量，優(yōu)化系統(tǒng)的電源結構。但與抽水蓄能或 質，解決低電壓穿越問題及無功補償問題。從國外的 壓縮空氣蓄能技術比較，電池儲能的存儲容量相對 儲能技術發(fā)展看，多采用風電場結合釩電池儲能系 較小，而削峰填谷需要較大的電能存儲容量，因此 統(tǒng)的運行模式。接入配網(wǎng)的分布式發(fā)電逐漸增加。對 必須克服電池容量小及成本造價高的缺點。 配電網(wǎng)負荷側運行控制提出了更高的要求，采用電 2)抑制電網(wǎng)振蕩。 池儲能技術可以對分布式發(fā)電進行調控。 通過發(fā)電機附加勵磁控制可以有效地抑制由微 3．2輸配電網(wǎng)方面 小擾動引起的動態(tài)不平衡功率導致的機組間的振蕩。 1)削峰填谷。 對于出現(xiàn)在大型復雜互聯(lián)電力系統(tǒng)中的區(qū)域間多模 電網(wǎng)經營企業(yè)將電池儲能電站直接接入城市配 式低頻振蕩問題，最有效控制點可能位于遠離發(fā)電機 網(wǎng)，在用電低谷時作為存儲電能量，用電高峰時作為 組的某條輸電線路上，若通過遠離系統(tǒng)最有效控制部 電源釋放電能，可在一定程度上負荷轉移、減小負荷 位的發(fā)電機組勵磁控制來抑制。往往難以達到滿意的 峰谷差，有效變相地削減峰值負荷。對電網(wǎng)而言，相當 控制效果。作用電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置的電池儲能電 于改善了負荷特性，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的負荷水平控制； 站不必和發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)共同作用，可方便地使用 減少了系統(tǒng)備用容量的需求。減少了系統(tǒng)中的調峰調 在系統(tǒng)中對于抑制振蕩來說最有效的部位。只要儲能 頻機組的需求，減輕了高峰負荷時輸電網(wǎng)的潮流。減 裝置容量足夠大，而且響應速度快到向電網(wǎng)提供1— 少了系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡的損耗及輸電網(wǎng)的設備投資，由此 2秒鐘有功功率補償，就能在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾 提高輸配電設備的利用率。 動時快速地吸收／釋放功率。減小和消除擾動對電網(wǎng) 2)推遲配網(wǎng)升級。 的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，抑制同步 在城市電網(wǎng)中，當某一線路負荷增長將要超過 振蕩和諧振，并在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使 配電線路負載能力時，電網(wǎng)經營企業(yè)就需要對配電 系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)運行的可靠性。 網(wǎng)進行升級或者增容，傳統(tǒng)的措施包括對變電站 3)負荷跟蹤。 變壓器、輸配電線路等設備升級或者增容。但是在 電池儲能系統(tǒng)用于快速負荷跟蹤，將根據(jù)系統(tǒng) 用地緊張的城市區(qū)域，由于城市市政規(guī)劃、線路走 負荷的變化調整自身出力，以維持系統(tǒng)發(fā)電和用電 廊、環(huán)境保護或市容市貌等多種因素的制約，電網(wǎng) 的瞬時平衡。儲能系統(tǒng)可在輕載狀態(tài)高性能經濟運 升級擴建成本很高。在電池儲能電站技術產業(yè)化、 行，從而高效地滿足負載需求?；痣姍C組從冷態(tài)到 實用化程度不斷提高的以后，電網(wǎng)經營企業(yè)可以利 滿載需要5—8小時。而電池儲能系統(tǒng)以毫秒級的 用安裝在過負荷節(jié)點的儲能裝置來推遲配電網(wǎng)升 速度啟停，改變工況容易，且調節(jié)方便，并通過充電 級所帶來的較大的資金投入。 和放電模式。滿足負荷上升和下降的雙向需求。以 3)調頻調壓。 實現(xiàn)快速負荷跟蹤。 由于系統(tǒng)負荷時刻都在變化，且變化幅度越來 s洲㈨…啪V嘴；蠢麟網(wǎng) 萬方數(shù)據(jù) 電池儲能電站專欄 越大。以使系統(tǒng)頻率的變化加大。無論是電網(wǎng)系統(tǒng)最 的電力服務可靠性提高的收益，以及輸配電阻塞得 大運行方式，還是最小運行方式，都要求保持頻率穩(wěn) 到解所獲得的收益。 定。電力系統(tǒng)調頻是為了平衡正常運行時有功功率。 3．5輔助服務方面 要求及時調整出力適應負荷瞬時變化。大型火電機 1)黑啟動及恢復狀態(tài) 組每分鐘的增荷速度僅為額定出力的1％～2％，達 電力系統(tǒng)一旦處于全部停電狀態(tài)，則通過儲存有 不到系統(tǒng)負荷劇烈變化時爬坡的要求。電池儲能系 電能的電池儲能系統(tǒng)帶動無自啟動能力的發(fā)電機組， 統(tǒng)負荷跟蹤控制性能好，可對電力系統(tǒng)負荷的瞬間 逐漸擴大恢復范圍，最終恢復整個系統(tǒng)。所以電池儲 及短時間變化迅速作出反應，能適應負荷的急劇變 能系統(tǒng)可為系統(tǒng)黑啟動提供電源。電池儲能電站因模 化。提高電網(wǎng)頻率合格率，保持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。 塊化的設計可使其

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