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——電池儲能因其特殊的優(yōu)勢正在獲得領先發(fā)展。

1 儲能電池的類別

1）鉛酸電池

鉛酸電池的主要特點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，負極主要成分為絨狀鉛；放電狀態(tài)下，正負極主要成分均為硫酸鉛。到目前為止，鉛酸電池是技術最成熟、成本最低的化學蓄電池。鉛酸電池在交通運輸、通訊、國防、航空航海等領域應用廣泛，在電力系統(tǒng)中主要應用于備載容量、頻率控制、不間斷電源等。但其存在儲存能量密度低、循環(huán)壽命短、充電速度慢、過充電容易析出異常氣體、生產(chǎn)使用過程溢出的硫酸會污染環(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，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、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優(yōu)點。多應用于通訊、電子、電動汽車等方面，但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問題，在安全性、循環(huán)壽命和經(jīng)濟性方面需要改進。目前被應用于電力系統(tǒng)電池儲能電站的鋰離子電池為磷酸鐵鋰電池。日前有報道稱復旦大學已經(jīng)發(fā)明先進的水鋰電池，其性能比現(xiàn)有鋰電池有明顯提高，但尚未商業(yè)運用。

3）液流電池

液流電池適用于大規(guī)模電能儲存系統(tǒng)，當風能、太陽能發(fā)電裝置的功率超過電網(wǎng)吸納能力時，通過對液流電池充電，將電能轉化為化學能存儲在不同價態(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，使電功率輸出穩(wěn)定。

目前已在電力系統(tǒng)液流電池儲能中應用的是全釩液流電池。全釩液流電池由電解質溶液、碳素材料電極、導電塑料雙極板和離子交換膜等部件構成，通過流體輸送設備使電解液在電堆與儲槽之間循環(huán)流動，在充電/放電過程中完成不同價態(tài)的釩離子相互轉化及電能的儲存與釋放。

液流電池儲能系統(tǒng)所儲存的能量由儲能容器中的電解液容積決定，輸出功率由電池的反應面積決定。通過改變儲槽中電解液數(shù)量，能滿足大規(guī)模蓄電儲能需求；通過調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。在電池關鍵材料制備方面，如質子交換膜、導電雙極板等電池關鍵材料，通過實現(xiàn)國產(chǎn)化進行大規(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電源，適合于幾十千瓦至數(shù)兆瓦規(guī)模的場合使用。由于正負半電池電解液中的活性物質分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗，經(jīng)過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電能量效率高達80%。

4）鈉硫電池

鈉硫電池是一種二次電池，以金屬鈉作為負極，硫作為正極，電解質隔膜由陶瓷管制成。在工作溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與正極硫之間發(fā)生的可逆反應，形成了能量的釋放和儲存。鈉硫儲能電池能夠做到容量大、體積小，能量儲存和轉換效率高，壽命長，對環(huán)境影響小、無污染氣體、無振動、低噪聲，不受地域限制，故較適合電力儲能使用。鈉硫電池儲能電站在日本已經(jīng)成功地商業(yè)運行。目前鈉硫電池單體最大容量為650 Ah，標稱電壓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。設計為800次深度充放電，預期將來實現(xiàn)使用壽命為15年。直流充放電效率90%，儲能系統(tǒng)轉換效率75%，電池工作時需要加熱保溫（工作溫度在300～350℃）。鈉硫電池已經(jīng)成功地用于削峰填谷、應急電源和風力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出及提高電力質量等方面。

2 儲能電池的基本特性

各種電池的基本特性參見表1。上述三種電池綜合比較，參見表2。鈉硫電池的優(yōu)勢項較多；從實際安裝容量比較，鈉硫電池也處于遙遙領先地位。

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 電池儲能電站的應用領域

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完成的，電能不能大規(guī)模、長時間地存儲，而用電負荷是不均衡的，峰谷差大已成為電網(wǎng)運行中最突出的問題之一。目前我國電源結構仍以火電為主，電網(wǎng)中絕大部分的調峰任務依靠常規(guī)電廠承擔，其中絕大部分要由燃煤電廠負擔。為保持低谷負荷時候的電力平衡，大型火電機組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(jīng)濟性。以上海300 MW機組燃煤發(fā)電機組為例，出力為300 MW時，單位煤耗在320 g/kWh左右，而出力降低到120 MW時，單位煤耗率增加到400 g/kWh左右，電池儲能系統(tǒng)通過削峰填谷，可以改善部分火電機組的運行條件，使其從壓荷運行變?yōu)榉€(wěn)定出力運行，降低火電廠的運行費用和發(fā)電成本，減少運行事故。在低谷負荷情況下啟動儲能裝置進行儲能，火電機組運行在比較經(jīng)濟的出力區(qū)間，從而獲得較高的經(jīng)濟效益。電池儲能電站的投入運行可使電網(wǎng)負荷得到合理調整,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效率，即使考慮儲能系統(tǒng)的存儲效率，每噸標準煤還可多發(fā)電50～150 kWh。同時，相應減少煤炭燃燒對環(huán)境的污染，在相同發(fā)電量的情況下可促進其增效減排，提高了電廠的經(jīng)濟效益，也符合國家的能源政策。

電池儲能系統(tǒng)響應速度快，比火電機組更適合作為發(fā)電備用。如果能建設更大容量的儲能站，或者在全網(wǎng)分散布置大量小容量儲能站，當整體儲能容量達到一定規(guī)模時，就能逐步減少火電機組，就可替代部分火電機組的旋轉備用。

電池儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負荷低谷時充電，作為負荷從電網(wǎng)獲取電能，而在電網(wǎng)負荷峰值時轉換為發(fā)電機方式運行，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容量,優(yōu)化系統(tǒng)的電源結構。但與抽水蓄能或壓縮空氣蓄能技術比較，電池儲能的存儲容量相對較小，而削峰填谷需要較大的電能存儲容量，因此必須克服電池容量小及成本造價高的缺點。

2）抑制電網(wǎng)振蕩。

通過發(fā)電機附加勵磁控制可以有效地抑制由微小擾動引起的動態(tài)不平衡功率導致的機組間的振蕩。對于出現(xiàn)在大型復雜互聯(lián)電力系統(tǒng)中的區(qū)域間多模式低頻振蕩問題，最有效控制點可能位于遠離發(fā)電機組的某條輸電線路上，若通過遠離系統(tǒng)最有效控制部位的發(fā)電機組勵磁控制來抑制，往往難以達到滿意的控制效果。作用電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置的電池儲能電站不必和發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)共同作用，可方便地使用在系統(tǒng)中對于抑制振蕩來說最有效的部位。只要儲能裝置容量足夠大，而且響應速度快到向電網(wǎng)提供1～2秒鐘有功功率補償，就能在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時快速地吸收/釋放功率，減小和消除擾動對電網(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,并在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài),提高系統(tǒng)運行的可靠性。

3）負荷跟蹤。

電池儲能系統(tǒng)用于快速負荷跟蹤，將根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化調整自身出力，以維持系統(tǒng)發(fā)電和用電的瞬時平衡。儲能系統(tǒng)可在輕載狀態(tài)高性能經(jīng)濟運行，從而高效地滿足負載需求?；痣姍C組從冷態(tài)到滿載需要5～8小時，而電池儲能系統(tǒng)以毫秒級的速度啟停，改變工況容易，且調節(jié)方便，并通過充電和放電模式，滿足負荷上升和下降的雙向需求，以實現(xiàn)快速負荷跟蹤。

4）大規(guī)模新能源發(fā)電。

目前大規(guī)模的新能源發(fā)電主要為風電和太陽能發(fā)電。以風電為例，眾所周知，風力資源是難以控制的，當風電發(fā)電功率超過電網(wǎng)接納能力時，將導致電網(wǎng)運行安全問題。同時風電發(fā)電高峰多為夜晚負荷低谷時，電網(wǎng)容納能力相對更小，往往發(fā)生“棄風”情況。在風電場中配置電池儲能系統(tǒng)，便可儲存夜間多余的風電，實現(xiàn)儲能時移，同時能有效改善風電品質，解決低電壓穿越問題及無功補償問題。從國外的儲能技術發(fā)展看，多采用風電場結合釩電池儲能系統(tǒng)的運行模式。接入配網(wǎng)的分布式發(fā)電逐漸增加，對配電網(wǎng)負荷側運行控制提出了更高的要求，采用電池儲能技術可以對分布式發(fā)電進行調控。

3.2 輸配電網(wǎng)方面

1）削峰填谷。

電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)將電池儲能電站直接接入城市配網(wǎng)，在用電低谷時作為存儲電能量，用電高峰時作為電源釋放電能，可在一定程度上負荷轉移、減小負荷峰谷差，有效變相地削減峰值負荷。對電網(wǎng)而言，相當于改善了負荷特性,實現(xiàn)電力系統(tǒng)的負荷水平控制；減少了系統(tǒng)備用容量的需求，減少了系統(tǒng)中的調峰調頻機組的需求，減輕了高峰負荷時輸電網(wǎng)的潮流，減少了系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡的損耗及輸電網(wǎng)的設備投資，由此提高輸配電設備的利用率。

2）推遲配網(wǎng)升級。

在城市電網(wǎng)中，當某一線路負荷增長將要超過配電線路負載能力時，電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)就需要對配電網(wǎng)進行升級或者增容,傳統(tǒng)的措施包括對變電站變壓器、輸配電線路等設備升級或者增容。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)境保護或市容市貌等多種因素的制約，電網(wǎng)升級擴建成本很高。在電池儲能電站技術產(chǎn)業(yè)化、實用化程度不斷提高的以后，電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)可以利用安裝在過負荷節(jié)點的儲能裝置來推遲配電網(wǎng)升級所帶來的較大的資金投入。

3）調頻調壓。

由于系統(tǒng)負荷時刻都在變化，且變化幅度越來越大，以使系統(tǒng)頻率的變化加大。無論是電網(wǎng)系統(tǒng)最大運行方式，還是最小運行方式，都要求保持頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)調頻是為了平衡正常運行時有功功率，要求及時調整出力適應負荷瞬時變化。大型火電機組每分鐘的增荷速度僅為額定出力的1%～2%，達不到系統(tǒng)負荷劇烈變化時爬坡的要求。電池儲能系統(tǒng)負荷跟蹤控制性能好，可對電力系統(tǒng)負荷的瞬間及短時間變化迅速作出反應，能適應負荷的急劇變化，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)中無功電力不足會造成電網(wǎng)電壓的偏低，無功電力過剩，又會造成電網(wǎng)電壓過高，影響電能質量和電力系統(tǒng)的安全可靠運行。所以系統(tǒng)中無功電力不足時，需設置調相機或投入無功補償設備。而輕載時的無功過剩又需要切除無功補償設備，或投入電抗器消耗過剩的無功。電池儲能系統(tǒng)可以在充電/放電的任何時候吸收或者發(fā)出無功，調節(jié)系統(tǒng)無功，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，改善電網(wǎng)電能質量，同時可以減少電網(wǎng)的無功投資以及降低網(wǎng)損。

3.3 用戶側

對于從事高精密度產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，對電能質量和電壓波形要求較高，瞬間停電也會導致精密生產(chǎn)線上的產(chǎn)品報廢；對于醫(yī)院、大型商場、學校等公共場所，突然停電會造成意外的事故，導致不可預測的次生災害。所以對供電可靠性要求高、負荷峰谷差大的大用戶，例如電子芯片制造業(yè)，可在負荷側接入電池儲能系統(tǒng)，將電池儲能電站作為不間斷電源使用，在供電突然中斷時以毫秒級的切換速度切換，保證用電可靠。

3.4 變電側

國外的經(jīng)驗表明，安裝在變電站側的大容量電池儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)削峰填谷和電能質量維護的功能，改善電網(wǎng)的負荷曲線，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。電池儲能電站在變電側，電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)可獲得的收益包括：推遲變電站升級工作所獲得的收益、減少的客戶用電管理成本、與可再生能源發(fā)電相關的收益、減少的發(fā)電容量成本、減少的輔助服務費用、減少的與電能質量相關的收益損失、終端用戶的電力服務可靠性提高的收益，以及輸配電阻塞得到解所獲得的收益。

3.5 輔助服務方面

1）黑啟動及恢復狀態(tài)

電力系統(tǒng)一旦處于全部停電狀態(tài)，則通過儲存有電能的電池儲能系統(tǒng)帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大恢復范圍，最終恢復整個系統(tǒng)。所以電池儲能系統(tǒng)可為系統(tǒng)黑啟動提供電源。電池儲能電站因模塊化的設計可使其充分利用可移動性和靈活組配的特點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害后的恢復或特定時段的應用。

2）孤網(wǎng)運行

對于一些重要負荷或需要提高供電可靠性的地區(qū)，大容量電池儲能電站可作為備用電源，在其發(fā)生事故失去主網(wǎng)電源或輸配電設備檢修時獨立供電時實施孤網(wǎng)運行。由于孤網(wǎng)容量較小，要求發(fā)電機組的調速系統(tǒng)具有靈敏度更高和動態(tài)響應更快的特性，在實施中難度較高，而電池儲能系統(tǒng)可快速反應，及時采取控制措施，從而減少用戶停電時間，提高供電可靠性。

3.6 電動汽車充電站

國家電網(wǎng)公司在《電動汽車非車載充電機通訊協(xié)議》提出：單臺大型充電機最大功率為200 kW，單臺中型充電機最大功率為100 kW，且每次充電持續(xù)時間為10～15分鐘，充電站的負荷呈現(xiàn)斷續(xù)的脈沖負荷的特點。由于電動汽車充電站多采用快速大電流充電，充電瞬時功率大，對電網(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)模的電池儲能系統(tǒng)，可大大降低電網(wǎng)負荷高峰時充電站負荷對電網(wǎng)的沖擊，緩解電網(wǎng)的供電壓力。一方面可以共用充電機的變壓、整流和濾波設備，減少儲能系統(tǒng)的投資；另一方面可通過電池在谷荷時儲能，用于充電高峰時電動汽車充電，降低充電站的購電成本，同時可為充電站提供換電池業(yè)務。

隨著電池儲能電站技術的日臻成熟，其運用領域將會日益拓寬，效益將會更加明顯。