也使我國繼日本之后，成為世界上第二個擁有鈉 硫電池自主知識產(chǎn)權(quán)的國家。短期的研究目標(biāo)是 研制兆瓦級的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，能儲存 8000 度電，放電 8 小時。另外，中國電力科學(xué)研究院、 中科院電工所和華北電網(wǎng)公司等單位也在積極地 推進鈉硫電池儲能系統(tǒng)的研究和示范應(yīng)用工作。 1.2 液流電池 氧化還原液流儲能電池（Redox Flow Battery for energy storage，簡稱液流儲能電池）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)進行氧化—還原反應(yīng)， 實現(xiàn)充、 放電過程的單電池按照特定要求串、并聯(lián)而成， 結(jié)構(gòu)與燃料電池的電堆有類似之處。 圖 4 給出了液流電池的原理圖，正極和負(fù)極 電解液分別裝在兩個儲罐中，利用送液泵使電解 液通過電池循環(huán)。電池內(nèi)正、負(fù)極電解液用離子 交換膜分隔開，電池外接負(fù)載和電源。電池組和

　　Systems 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 800kW ， 輸 出 功 率 為 250kW。 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、電壓波動和閃變、供電中斷等， 會給敏感負(fù)荷擁有者造成不可避免的損失。根據(jù) 美國電力公司統(tǒng)計，大約 90%以上的電能質(zhì)量問 題持續(xù)時間不超過 30 秒， 因此在發(fā)生短期電能質(zhì) 量問題時，利用電池儲能系統(tǒng)為負(fù)荷提供脈沖功 率來應(yīng)對電能質(zhì)量問題是切實可行的。電池儲能 系統(tǒng)在短時間內(nèi)可以輸出數(shù)倍于其額定功率的脈 沖功率， 以抑制電壓的短時間波動、 跌落等問題。

　　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。鈉硫儲能電池已被國家和上海市列為儲 能領(lǐng)域的重點發(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 安時，

　　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 (Vanadium Redox Flow Battery， VRB)是將具有不同價態(tài)的釩 離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別 儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、 放電實驗時，電解液通過泵的作用，由外部貯液

　　電解液儲罐可以分別放置，因此可以因地制宜安 排相對位置。在液流電池充、放電過程中，僅電 解液中的離子價態(tài)發(fā)生變化，從理論上講，具有 可變離子價態(tài)的離子對可以組成多種氧化還原液 流電池。

　　將多個單體電池依規(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 千瓦。 圖 3 為鈉硫電池模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，維持 真空熱保溫箱內(nèi)的溫度在 300 C 附近且比較均勻 是一個難點。

　　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)荷突然增大時短時間內(nèi)大 功率輸出的需要。在并網(wǎng)運行時，電力變流系統(tǒng) 要滿足電網(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 [16-17]。

　　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)，實現(xiàn)對電池的充放 電。 液流電池的儲能容量取決于電解液容量和密 度，配置上相當(dāng)靈活，只需增大電解液容積和濃 度即可增大儲能容量， 并且可以進行深度充放電。 由于全釩液流儲能電池的開發(fā)時間比較短， 技術(shù)上還沒有成熟，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。 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所從 2002 年 開始全釩液流儲能電池的研究開發(fā)。2006 年，通 過國家 863 計劃后續(xù)能源領(lǐng)域的支持，開發(fā)出高 效 10 kW 級全釩液流儲能電池系統(tǒng)試驗樣機。目 前，液流儲能電池絕大多數(shù)關(guān)鍵材料可基本實現(xiàn) 國產(chǎn)化。 1.3 鋰離子電池 鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高、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 1000 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)壽命已基本滿足儲能 應(yīng)用需求。在鋰離子的應(yīng)用方面，美國處于領(lǐng)先 地 位 ， 美 國 電 科 院 （ EPRI ） 在 2009 年 開 展 2kW/4kWh、 50kW/200kWh 和 100kW/400kWh 鋰 離子電池用于分布式儲能的研究和開發(fā)，并開展 兆瓦級鋰離子電池儲能系統(tǒng)的示范應(yīng)用，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。 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。

　　圖 6 中電池儲能系統(tǒng)等效為一個理想的電壓 源，其電壓的幅值為 U1 ，電壓相角為 ? ；串聯(lián)的 R、 L 代表總的功率損耗、線路損耗等；電池儲 能系統(tǒng)注入電力系統(tǒng)的電流幅值為 I L ，電流相角 為 ? ；電力系統(tǒng)的接入點的電壓幅值為 U s ，電壓 相角為 ? 。在電池儲能系統(tǒng)中，電壓幅值 U1 和電 壓相角 ? 都是可以控制的，當(dāng)需要向系統(tǒng)注入有 功功率時，可以控制 ? ? ? ，這時電池儲能系統(tǒng)的 電壓相角超前于系統(tǒng)接入點的電壓相角，有功功 率由電池儲能系統(tǒng)流入系統(tǒng)。反之，當(dāng)需要向系 統(tǒng)注入無功功率時，便可以控制 U1 ? U s ，這時電 池儲能系統(tǒng)的電壓幅值高于系統(tǒng)接入點的電壓幅 值，所以無功功率由電池儲能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反 之亦然。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 U1 和相角 ? ，便可以實現(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。 2.2 電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)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。 1） 削峰填谷(Peak Shaving and Load Leveling) 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)，可削減這種 隨時間變化的能量需求波動，從而提高現(xiàn)有發(fā)電 系統(tǒng)運行效率，降低運行成本，延緩電網(wǎng)建設(shè)投 資。 電池儲能系統(tǒng)在夜晚用電低谷期將電能吸收 進電池存儲起來， 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[18]：

　　王育飛[1]，符楊[1]，張 宇 [Байду номын сангаас]

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　　（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，上海 200122）

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　　以儲能電池為代表的儲能技術(shù)日新月異。 論文分析了電力 儲能系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，各種儲能技術(shù)的特點和適用場合； 全面介紹了電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；從削峰填 谷、 穩(wěn)定可再生能源輸出、 提高電能質(zhì)量等幾個方面對儲 能電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行綜述， 并對電池儲能技術(shù) 的研發(fā)與應(yīng)用前景進行展望。 電池儲能技術(shù)由于自身具有 的優(yōu)勢，必將能夠在未來的智能電網(wǎng)構(gòu)建中大顯身手。 關(guān)鍵詞：儲能電池；儲能技術(shù)；削峰填谷；可再生能源； 電能質(zhì)量

　　PD 是配電網(wǎng)額定功率， Kmax 是功率變動系 圖 7 為 1MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)在美國查爾 斯頓電網(wǎng)中實現(xiàn)削峰填谷功能示意圖。 由圖可見， 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 9.697MVA 削減為有電池儲能系統(tǒng)的 7.57MVA ， 最 高 負(fù) 荷 由 21.234MVA 降 低 為 20.305MVA ， 最 低 負(fù) 荷 由 11.537MVA 提 高 為 12.735MVA。

　　基金項目 : 上海市教委重點學(xué)科建設(shè)項目(J51301)，上海 市科委工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目（10DZ2251100）， 上海市科委地方能力建設(shè)項目（）資助

　　和電池儲能。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 于短時間儲能，如提高電能質(zhì)量等 [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[13-15]。

　　1.1 鈉硫電池 鈉硫電池具有能量密度大、運行壽命長（15 年以上） 、 效率高(約 89%)、 便于現(xiàn)場安裝與維護、 無自放電現(xiàn)象、能夠提供強脈沖功率、與外界環(huán) 境友好等優(yōu)點，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。截至 2009 年，世界各地共應(yīng)用了 200 多套鈉硫電池儲能系統(tǒng)，總?cè)萘砍^ 300MW， 2000MWh；美國投運 3 套共 9MW 鈉硫電池儲能 系統(tǒng)，另有 10MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)在建設(shè)中。 鈉硫儲能電池是在 300℃附近充放電的高溫 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，單體 鈉硫電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。目前單體鈉 硫電池最大容量達到 650 安時、功率 125 瓦。鈉 硫電池充放電原理示意圖如圖 2 所示。鈉硫電池 充放電反應(yīng)式為：

　　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，變流器主要采用電壓源型變流器，其基本 結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。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)之間雙向能量傳遞，其核心部 分是一個大容量電壓源逆變器。電力變流系統(tǒng)除

　　在放電過程中，鈉(Na)被電離，電子通過外 電路流向正極，鈉離子(Na)通過 β 氧化鋁電解

　　質(zhì)擴散到液態(tài)硫(S)正極， 并與硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生 成多硫化鈉(Na2Sx)。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)膜擴散到負(fù) 極，獲得電子(e-)形成鈉原子。

　　我國堅強智能電網(wǎng)的構(gòu)建對儲能系統(tǒng)有著現(xiàn) 實的大量需求。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擴大。以上 海市為例，預(yù)計 2010 年和 2015 年的用電峰谷差 分別高達 13000MW 和 16000MW； 用電低谷電力 平衡時，上海電網(wǎng)內(nèi)的大型火電機組出力大多要 減至最低， 小型機組更是需要視情況而日開夜停， 這對機組運行的安全性和經(jīng)濟性都十分不利 [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)生隨機的、間歇的波動。 隨著風(fēng)能等可再生能源在電力系統(tǒng)中占比的逐漸 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)中運用儲能技術(shù)，可以有效地實 現(xiàn)用戶需求側(cè)管理， 消除晝夜峰谷差， 平滑負(fù)荷， 能夠有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本；可以 促進可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn) 定性；可以提高電網(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