大容量電池儲能技術(shù)及其電網(wǎng)應(yīng)用前景

● 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 易江騰 陳 浩 郭慶紅

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)要求電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用同步進(jìn)行、實(shí)時平衡，這種特性決定了電力系統(tǒng)在規(guī)劃、建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行以及控制方式上，對安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)靈活都有較高要求。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與特高壓建設(shè)，國內(nèi)中東部地區(qū)逐步形成受端電網(wǎng)，表現(xiàn)為大容量、大機(jī)組、遠(yuǎn)距離輸送、負(fù)荷密集等特征，電網(wǎng)運(yùn)行管理與實(shí)時平衡的難度在增加。從用電結(jié)構(gòu)看，第三產(chǎn)業(yè)、居民用電比重有較大提升，最高用電負(fù)荷逐年攀升，電網(wǎng)峰谷差不斷拉大，電網(wǎng)運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn)。

電力儲能技術(shù)發(fā)展已有幾十年的歷史，包括抽水蓄能、飛輪、壓縮空氣、超級電容器、蓄電池等，常被用于電廠發(fā)電調(diào)壓、調(diào)頻，電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷或是用戶關(guān)鍵負(fù)荷供電可靠性保障等。一直以來，受制于技術(shù)瓶頸以及建設(shè)成本，電力儲能應(yīng)用范圍較小，作用有限。

電網(wǎng)大容量儲能技術(shù)的出現(xiàn)打破了發(fā)、用電實(shí)時平衡的限制，其大規(guī)模應(yīng)用可有效降低晝夜峰谷差，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性、靈活性和電能質(zhì)量水平，促進(jìn)新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，同時能有效延緩與降低電網(wǎng)投資成本。由此可見，大容量儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的一個必然趨勢。其中，大容量電池儲能電站，具備建設(shè)周期短、占地面積小、布點(diǎn)靈活等優(yōu)勢，且配備智能網(wǎng)荷互動終端、防孤島PCS等設(shè)備，可滿足調(diào)度毫秒級響應(yīng)需求，實(shí)現(xiàn)電力輔助服務(wù)、需求側(cè)管理等快速響應(yīng)與切除，在電網(wǎng)中具備廣泛的應(yīng)用前景。

1 電網(wǎng)儲能相關(guān)政策

2017年10月11日，國家發(fā)改委、財政部、科技部、工信部、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，該指導(dǎo)意見是我國大規(guī)模儲能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個指導(dǎo)性政策?；趯Α拔覈鴥δ芗夹g(shù)總體上已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)”的判斷，《指導(dǎo)意見》明確提出了下一階段的發(fā)展目標(biāo)，即“實(shí)現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡”，重點(diǎn)提出“推進(jìn)儲能提升電力系統(tǒng)靈活性、穩(wěn)定性應(yīng)用示范”，并明確了3個方面的意見。

1.1 支持儲能系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)

儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的地點(diǎn)和方式可以分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，不同的接入方式要求儲能接入容量、建設(shè)規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行模式不一樣。目前我國儲能系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營還存在一些障礙，包括主體資格認(rèn)定、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、電價政策等等。

1.2 建立健全儲能參與輔助服務(wù)市場機(jī)制

從電力輔助服務(wù)獲得收益，是當(dāng)前國外儲能技術(shù)主要的商業(yè)化運(yùn)行模式之一。我國目前各地執(zhí)行的輔助服務(wù)政策是由國家能源局及其派出機(jī)構(gòu)制定，主要是針對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組?！吨笇?dǎo)意見》里面明確提出要進(jìn)一步建立“誰受益誰付費(fèi)”的市場機(jī)制，這將有效推動儲能全面深入?yún)⑴c輔助服務(wù)市場。

1.3 探索建立儲能容量電費(fèi)和儲能參與調(diào)峰的規(guī)則機(jī)制

為儲能設(shè)立容量電費(fèi)是決定儲能系統(tǒng)能否在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)良性快速發(fā)展的核心機(jī)制。當(dāng)前提高我國電網(wǎng)的靈活性除了要增加調(diào)頻能力以外，更迫切的是提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力。一是西北地區(qū)由于調(diào)峰能力不足，近年導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象；二是根據(jù)2018年最新負(fù)荷預(yù)測，華北、華中、華東地區(qū)今年起2～3年內(nèi)電網(wǎng)將普遍出現(xiàn)負(fù)荷高峰缺口。

2 電池儲能技術(shù)主要類型

大容量電池儲能，目前技術(shù)發(fā)展較為成熟的主要有鉛酸（碳）電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩電池等。

2.1 鉛酸電池

在電池儲能技術(shù)中，鉛酸電池最成熟，成本最低，在發(fā)電廠、變電站廣泛充當(dāng)備用電源，在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用。鉛酸蓄電池存放28天剩余電量應(yīng)為85%左右，傳統(tǒng)固定型鉛酸電池循環(huán)壽命為500次左右，閥控式密封鉛酸電池循環(huán)壽命為1000次左右，全壽命周期度電成本約2～3元/Wh。由于鉛酸電池能量密度、功率密度均較小，充電時間長，循環(huán)壽命短，自放電率高，再加上容易造成環(huán)境污染，故不宜作為電池儲能的主要發(fā)展方向。

2.2 鉛碳電池

在鉛酸電池負(fù)極材料中加入活性炭就成為鉛碳電池。鉛碳電池與鉛酸電池相比能量密度雖然沒有變化（40～60Wh/kg），但功率密度大幅增加（300～400W/kg），可實(shí)現(xiàn)快速充放電，循環(huán)壽命可達(dá)4000次 （非深度充放，70%DOD），雖建設(shè)成本增加，但度電成本大幅下降（0.45～0.7元/Wh）。總體上來說，鉛碳電池因性能穩(wěn)定、可快速充放、循環(huán)次數(shù)多、性價比高，目前是電池儲能發(fā)展的重要類型之一。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池采用含有鋰元素的材料做電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表，常用于手機(jī)、筆記本電腦等日常電子產(chǎn)品。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)有：單體電池電壓高（3.2～3.7伏，鉛碳電池為2伏），能量密度高（130～200Wh/kg，鉛碳電池為30～60Wh/kg），體積小，可快速充放電，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%以上（鉛碳電池為85%左右），循環(huán)次數(shù)可達(dá)到2500～5000次，自放電少（室溫下30天自放電小于2%），全壽命周期度電成本約0.9～1.2元/Wh。鋰離子電池的缺點(diǎn)是：成本較高，且安全性不如鉛碳電池。

2.4 鈉硫電池

鈉硫電池是一種液態(tài)電池，硫與鈉都在300度高溫下呈液態(tài)流動運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)有：能量密度高（200Wh/kg）、可大電流放電，能量轉(zhuǎn)換效率接近100%，循環(huán)壽命可達(dá)5000次 （90%DOD），全壽命周期度電成本約0.9～1.2元/Wh。缺點(diǎn)是：電池需加熱保溫，并存在一定安全隱患。目前鈉硫電池主要是日本在應(yīng)用。

2.5 全釩液流電池

全釩液流電池以不同價態(tài)釩離子溶解于硫酸電解液中，來充放電能。優(yōu)點(diǎn)有：循環(huán)壽命可高達(dá)數(shù)萬次，反應(yīng)速度快（充放切換小于20ms），轉(zhuǎn)換效率高，安全性好等，全壽命周期度電成本約0.7～1.0元/Wh。缺點(diǎn)是能量密度低，占地面積大。

綜合而言，因鋰離子電池與鉛碳電池適用性更廣，成本下降較快，市場占有量快速上升。對電網(wǎng)而言，鋰離子電池與鉛碳電池在安全性、經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)周期、維護(hù)便捷性等方面具有綜合優(yōu)勢，因此更有可能被大規(guī)模應(yīng)用。

3 電池儲能技術(shù)的應(yīng)用前景

電池儲能具備快速響應(yīng)、精確控制、穩(wěn)定輸入輸出等特性，在發(fā)電優(yōu)化、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)峰、改善電能質(zhì)量、可再生能源并網(wǎng)、微網(wǎng)管理方面將發(fā)揮越來越重要的作用。尤其相對于傳統(tǒng)的抽水蓄能和火電機(jī)組，電池儲能技術(shù)在調(diào)頻、調(diào)峰上正在逐步表現(xiàn)出顛覆性的能力。

3.1 提高發(fā)電機(jī)組效率

在火力發(fā)電廠安裝電池儲能系統(tǒng)，可以在負(fù)荷快速波動時啟動儲能裝置，保持出力平穩(wěn)，使火電機(jī)組運(yùn)行在比較經(jīng)濟(jì)的出力區(qū)間，提高機(jī)組效率，在一定程度上降低煤耗，減少煤炭燃燒對環(huán)境的污染，在相同發(fā)電量的情況下可以促進(jìn)其增效減排，提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。另外可利用儲能裝置變流控制器設(shè)計(jì)虛擬同步機(jī)（AGC），方便發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)管理。

3.2 電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷

在電網(wǎng)接入電池儲能電站，可以在電源端供電和用戶端用電不均衡時提供額外電力消納和供應(yīng)，防止用電緊張或供電冗余。在用戶負(fù)荷側(cè)接入電池儲能電站，在節(jié)省容量投資的同時，確保電能質(zhì)量，提高用電可靠性。用戶利用峰谷價差，低谷充電、高峰放電，不僅可以減少購電費(fèi)用，客觀上也幫助電網(wǎng)降低了峰谷差，改善了負(fù)荷特性，減少了系統(tǒng)備用容量的需求與輸電網(wǎng)的潮流壓力，進(jìn)而提高輸配電設(shè)備的利用率，延緩或減少電網(wǎng)的設(shè)備投資。

3.3 優(yōu)化可再生能源并網(wǎng)

近年來，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電站建設(shè)快速推進(jìn)，但由于新能源發(fā)電的間歇波動特性以及電網(wǎng)消納能力限制，西北地區(qū)出現(xiàn)了大量的棄風(fēng)、棄光。僅2016年，國家電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光電量就達(dá)到465億kWh。電池儲能技術(shù)可以提高新能源發(fā)電輸出功率的可控性與穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量，從而幫助風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等能被電網(wǎng)平滑接入，全額消納。

3.4 參與電力輔助服務(wù)

大規(guī)模電池儲能（100MWh以上）因其響應(yīng)速度快和控制精準(zhǔn)以及具有雙向調(diào)節(jié)等特性，在電網(wǎng)調(diào)頻/調(diào)峰、改善電能質(zhì)量等電力輔助服務(wù)方面，具有巨大應(yīng)用前景與價值，獨(dú)立的可被電網(wǎng)直接調(diào)度的電池儲能電站不僅可以保證電網(wǎng)的供電安全，也可以提高局部地區(qū)電能質(zhì)量。大規(guī)模電池儲能應(yīng)用于電力輔助服務(wù)將可能顛覆傳統(tǒng)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)理念和運(yùn)行規(guī)則。開放的電力市場（包括電力輔助服務(wù)市場）是電池儲能參與電力輔助服務(wù)的前提，2017年11月，國家能源局發(fā)布了《完善電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制工作方案》，是電池儲能發(fā)展的政策利好，如落地實(shí)施，儲能參與輔助服務(wù)的回報將非常豐厚（如調(diào)頻服務(wù)費(fèi)、容量服務(wù)費(fèi)等），必將推動電池儲能技術(shù)的快速發(fā)展。

3.5 優(yōu)化分布式發(fā)電及微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)

分布式發(fā)電及微電網(wǎng)系統(tǒng)具有能獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)或者并網(wǎng)、接近電力消費(fèi)終端、容量相對較小(家用kW級別到園區(qū)幾十MW級別)等特點(diǎn)。近年來家用分布式光伏發(fā)電快速發(fā)展，園區(qū)微網(wǎng)建設(shè)逐步啟動，電池儲能單元可起到抑制系統(tǒng)和輸出功率的擾動、用于短時過渡供電、調(diào)峰填谷、保持電壓頻率穩(wěn)定、提供可靠備用電源、提高系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行可靠性和靈活性等作用。

3.6 電動汽車電池響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)用

由于電動汽車較長時間地處于停止?fàn)顟B(tài)，車載動力電池作為儲能單元，與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)建立通信，可實(shí)現(xiàn)電動汽車與智能電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換互補(bǔ)，簡稱V2G技術(shù)。隨著電動汽車規(guī)模不斷擴(kuò)大，V2G技術(shù)將使電動汽車有可能在電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、電能質(zhì)量保證和備用電源等應(yīng)用上發(fā)揮不可忽視的作用。

4 電池儲能電站示范工程

目前國內(nèi)已有一些建成的儲能示范工程，在電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮著良好作用。

4.1 華潤廣東海豐電廠儲能AGC項(xiàng)目

華潤電力2015年在廣東投資建設(shè)的海豐電廠，在發(fā)電機(jī)組高廠變側(cè)配套建設(shè)了30MW/14.93MWh磷酸鐵鋰電池儲能項(xiàng)目，為廣東電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效的AGC調(diào)頻服務(wù)，并獲取調(diào)頻補(bǔ)償。

4.2 國網(wǎng)江蘇公司鎮(zhèn)江電網(wǎng)側(cè)儲能項(xiàng)目

為填補(bǔ)鎮(zhèn)江地區(qū)度夏高峰電網(wǎng)缺口，2018年4月起，國網(wǎng)江蘇公司在鎮(zhèn)江啟動建設(shè)8個電網(wǎng)側(cè)磷酸鐵鋰電池儲能電站，總規(guī)模101MW/202MWh，6月21日已投運(yùn)1個，其余也將在近期投運(yùn)，以應(yīng)對今年夏季電網(wǎng)負(fù)荷高峰。

4.3 江蘇無錫星源新加坡工業(yè)園客戶側(cè)儲能項(xiàng)目

由星源新加坡工業(yè)園管委會與南都電源聯(lián)合投資建設(shè)，項(xiàng)目規(guī)模20MW/160MWh，采用鉛碳電池，用低谷充電、高峰放電降低電費(fèi)支出，在夏季高峰參與需求側(cè)響應(yīng)獲取政府補(bǔ)貼，并成為工業(yè)園區(qū)微網(wǎng)供電的重要后備。2017年12月投運(yùn)以來已實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)行效益。

4.4 張北風(fēng)光儲輸示范工程

由國家電網(wǎng)公司建設(shè)，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模風(fēng)力發(fā)電500MW、光伏發(fā)電100MW、儲能70MW，是目前全球最大的風(fēng)光儲輸工程，其中電池儲能裝置50MW。2011年第一期項(xiàng)目中已建成電池儲能16MW/71MWh，包含磷酸鐵鋰、全釩液流兩種電池儲能。

4.5 浙江上虞分布式能源接入交直流混合微電網(wǎng)示范工程

工程接入分布式光伏發(fā)電1.4MW，風(fēng)力發(fā)電10kW，鉛酸儲能250kW/800kWh，包含1套交直流微電網(wǎng)功率變換與網(wǎng)架系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)交流最高負(fù)荷1.2MW，直流最高負(fù)荷0.9MW。

4.6 大連全釩液流電池儲能調(diào)峰電站

由大連熱電集團(tuán)和大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司共同承建，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模200MW/800MWh，為全球最大的全釩液流電池儲能電站。2017年已建成投運(yùn)第一期100MW/400MWh，有效提高了大連電網(wǎng)調(diào)峰能力。

4.7 上海世博園鈉硫電池儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)建設(shè)在110kV博世地下變電站內(nèi)，系統(tǒng)容量總共為1MW/8MWh。儲能系統(tǒng)接入博世站的必要設(shè)備包括：儲能電池4組(每組容量為250kW)、PCS屏4面、箱式變壓器一臺(容量為1250kVA)及其相應(yīng)二次設(shè)備。

4.8 智能電網(wǎng)汽車儲能電池應(yīng)用項(xiàng)目

在江蘇南京，正在建設(shè)的“居民小區(qū)電動汽車有序充電”項(xiàng)目，主要針對臺區(qū)范圍內(nèi)同時充電電動汽車數(shù)量較多時，如何采用時序性的充電策略確保臺區(qū)變壓器不過載。在日本Keihanna，通過系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測100輛電動汽車充電狀況以開展需求響應(yīng)的驗(yàn)證項(xiàng)目正在進(jìn)行。通過V2G技術(shù)，電動汽車大容量儲能電池，還可以反向用于電力峰值轉(zhuǎn)移或用作應(yīng)急電源。

5 結(jié)束語

作為智能電網(wǎng)發(fā)展中的重要支撐技術(shù)，電網(wǎng)儲能可作為優(yōu)化發(fā)電自動控制、實(shí)現(xiàn)快速可靠調(diào)頻調(diào)峰、提高系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性的技術(shù)手段，提高供電可靠性和供電質(zhì)量；可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，減小晝夜間峰谷差，平滑電網(wǎng)負(fù)荷；可以提高電力設(shè)備利用率，降低供電成本；可以促進(jìn)新能源的消納利用。由于具有技術(shù)特性優(yōu)、適用范圍廣、應(yīng)用前景寬等特點(diǎn)，可以預(yù)見下階段電網(wǎng)儲能發(fā)展將以大規(guī)模電池儲能為重點(diǎn)，并有望在5～10年內(nèi)在政策鼓勵下，利用電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈良性迭代發(fā)展，通過更大規(guī)模的工程應(yīng)用，不斷積累技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)突破電池制造成本、環(huán)境友好管理、儲能系統(tǒng)集成調(diào)度三大關(guān)鍵問題，從而在將來給智能電網(wǎng)帶來革命性的變化?！?/p>