大规模电化学储能系统发展现状及示范应用综述

书书书第!卷第#期$%&!年#月电力建设发电技术!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!#!0)!$!1.2!%&’(!###基金项目!国家自然科学基金青年科学基金项目$%%&!%’(#$国家电网公司科技项目!!%)%’)&%’#%!#$%&’()*+,-./012345!#$%&’$()中国电力科学研究院!北京市%&&%*’#摘#要!随着储能技术的飞速发展!大规模储能系统已经成为保证电力系统可靠供电的一个重要手段!其中电化学储能系统因其独特的性能已成为优先发展方向之一%为推动储能技术的发展!加快大规模储能系统的高效利用!国内外相继开工并已建成了若干大规模电化学储能系统示范电站并应用于电网%介绍了电化学储能技术分类及其各自的工作原理!总结了近年来国内外建设的大规模电化学储能系统示范电站!并指出电化学储能系统的安装地点&储能规模和在电网中所发挥的功能!比较全面地阐述了铅酸电池&液流电池&钠硫电池和锂离子电池等主要电化学储能系统的主要特征%最后!对大规模电化学储能系统存在的问题&技术方向和未来发展趋势进行了探讨和展望%关键词!电化学储能$大规模储能系统$铅酸电池$液流电池$钠硫电池$锂离子电池!#$%#&’()#$#*’+,#-./-0)#,’-1.2/.%’-!++*%3/.%’-’(4/25#613/*#7*#3.2’38#,%3/*7-#259:.’2/5##$%&’()*+,!-.#*/+,0(+!1$.!’+,2&*+/345678*69’:58;55/86&.+7*7(75!=5*0*+,%&&%*’!2&*+/#!;:!=’*7&7&58/)*??5@54’)A5+7’B5+58,C7’8/,5756&+’4’,C!7&54/8,5D6/455+58,C7’8/,5C75A&/,8/?(/44CE56’A5/F5CA57&’?7’5+(85)’:58C75A854*/E*4*7C/+?/B57C!’B:&*6&545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5&/E55+’+5’B7&5?*8567*’+’B)85B585+7*/4?5@54’)A5+7?(57’*7(+*G(5)58B’8A/+65H.+’8?587’)8’A’757&5?5@54’)A5+7’B5+58,C7’8/,5756&+’4’,C/+?)55?()7&55BB*6*5+7(5’B4/8,5D6/455+58,C7’8/,5C75A!5@58/44/8,5D6/45545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5?5A’+78/7*’+)8’0567&/@5E55+(665*@54C7/875?/+?6’A)4575?*+7&5:’84?HI&564/*B*6/7*’+/+?:’8F*+,)8*+6*)45’B545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5756&+’4’,*5/85*+78’?(65?!7&5A/*+?5A’+78/7*’+)4/+7’B4/8,5D6/455+58,C7’8/,5C75A*+2&*+//+?/E8’/?/85(AA/8*J5?!/:544/7&5*+7/44/7*’+*75!6/45/+?B(+67*’+*+,8*?’B545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5/85)’*+75?’(7HI&5+!7&56&/8/6758*7*6’BA/*+545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5!(6&/45/?D/6*?E/7758C!85?’KB4’:E/7758C!’?*(AD(4B(8E/7758C!4*7&*(AD*’+E/7758C/+?’’+!/856’A)85&5+*@54C5K)’(+?5?HL*+/44C!7&55K*7*+,)8’E45A!756&+*6/4?*8567*’+/+?B(7(85?5@54’)A5+7785+?’B4/8,5D6/455+58,C7’8/,5C75A/85?*6(5?/+?)8’)5675?H7?@A):’545678’6&5A*6/45+58,C7’8/,5$4/8,5D6/455+58,C7’8/,5C75A$45/?D/6*?E/7758C$85?’KB4’:E/7758C$’?*(AD(4B(8E/7758C$4*7&*(AD*’+E/7758C中图分类号!’(#&)*****文献标志码!+*****文章编号!&%%%,#$$-$%&!#%#,%%#!,%.!M.!&%/!-0-N0H*+/&%%%,#$$-/$%&!/%#/%&%*引*言储能技术是智能电网&可再生能源接入&分布式发电系统及电动汽车发展必不可少的支撑技术之一!不但可以有效地实现需求侧管理&消除峰谷差&平滑负荷!而且可以提高电力设备运行效率&降低供电成本!还可以作为促进可再生能源应用!提高电网运行稳定性和可靠性&调整频率&补偿负荷波动的一种手段!此外储能技术还可以协助系统在灾害事故后重新启动与快速恢复!提高系统的自愈能力(%+,)%一直以来!在电力系统中都是采用抽水蓄能的方式来解决电力储能应用上的问题!但随着智能电网的构建和电动汽车的大力推进!世界各国对储能技术的研究越发重视!电化学储能技术发展迅速!已从小容量小规模的研究和应用发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用%电化学储能是指通过发生可逆的化学反应来储存或者释放电能量!其特点是能量密度大&转换效率高&建设周期短&站址适应性强等%根据化学物质的不同可以分为铅酸电池&液流电池&钠硫电池&锂离子电池等储能形式%目前!围绕电化学储能系统的发电技术电力建设$%&!年#月!,####!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!#!0)!$!1.2!%&’研究主要集中在储能配置方式和容量优化等方面($+%&)!而对电化学储能系统的发展现状&应用示范以及在电网中的功能尚缺少较为系统的论述%因此!本文对国内外的大规模电化学储能系统的发展现状和示范应用进行总结和阐述!并对其技术方向和未来发展趋势进行探讨和展望!以期为我国电力系统安全高效运行提供新的技术支持!并为未来智能电网中的的储能系统建设提供参考建议%&*铅酸电池储能铅酸电池是以二氧化铅和海绵状金属铅分别为正&负极活性物质!硫酸溶液为电解质的一种蓄电池!已经有%,&多年的历史%铅酸电池具有自放电小&电池寿命长&抗震动&比容量高&大电流性能好&高低温性能较好&价格低廉&制造及维护成本低&无*记忆效应+&电池失效后的回收利用技术比较成熟及回收利用率高等优点(!$)!因此在近几十年中!随着铅酸电池性能的改进和成本的降低!其作为电动车用电源&不间断电源&军用电源&电力系统负荷均衡的储能电源等!已经在各个行业得到了广泛应用%在用作储能技术方面!目前世界各地已经建立了许多基于铅酸电池的储能系统%早在%*-(年!德国就在柏林./012建成了%套基于铅酸电池的-3$405%6电池储能系统并投入商业运营!用于电力调峰和电网调频%%*--年!美国在加利福利亚洲建立了%&405,6铅酸电池储能系统!用于电力调峰和电能质量控制%%**(年!美国在阿拉斯加的4789:;:89:岛上建立了另外%套基于铅酸电池的%3,40,6电池储能系统!作为离网式水力发电系统的后备电源!能够以-&&;0的功率提供*&=的应急电能%’&%%年!美国在夏威夷又兴建了座铅酸电池储能系统!用于当地光伏和风电场的爬坡出力控制和备用电源%在’&世纪*&年代初期!西班牙首都马德里建立了%405,6的铅酸电池储能系统/?@1A!用于电力调峰!是欧洲首个用于电网调峰用途的铅酸电池储能系统!在用电高峰时段!该系统能够以%3’40的功率提供’40,6的电能%国外基于铅酸电池的大型储能系统如表%所示%中国加入世界贸易组织后!由于看好中国蓄电池市场的巨大潜力以及发达国家对铅酸电池行业的限制政策!越来越多的国外大型电池厂商选择在中国建厂或合资生产制造%目前!中国铅酸电池产量超过世表BC国外大型铅酸电池储能系统一览表/DEBC4/25#613/*#*#/06/3%0D/..#29#-#2591.’2/5#191.#,%-(’2#%5-3’F-.2%#1第!卷第#期许守平$等!大规模电化学储能系统发展现状及示范应用综述发电技术!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!#!0)!$!1.2!%&’(!$###界电池产量的%N!成为世界电池的主要生产地!生产研发技术与国际先进水平差距已不明显%国内基于铅酸电池的大型储能电站很少!典型的有中国电力科学研究院电工所于’&%’年在河北省张北县国家风电检测中心建立的储能实验室!包含有%&&F5(&的铅酸电池储能系统!主要功能是跟踪风电计划出力!削峰填谷!改善电能质量$浙江温州市洞头县鹿西岛并网型微网示范工程中的’O5’&铅酸电池储能系统!主要功能是改善电网质量!提高电网可靠性%$*液流电池储能液流电池是正负极活性物质均为液态流体氧化还原电对的电池!最早由美国航空航天局资助设计!%*!,年由I&/44581H-H公开发表并申请了专利%液流电池具有循环寿命长&储能容量大&可超深度放电等优点!主要包括全钒液流电池/44D@/+/?*(A85?’KB4’:E/7758C!P;=#&锌溴液流电池和多硫化钠N溴液流电池等%$/&*G;P;=以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为电池充&放电时正&负极电极反应的活性物质!根据电解液的浓度及电池的充放电状态!电解液中的钒离子的存在形式会产生一些变化!从而对电池正极电对的标准电极电位产生一些影响!实际使用时电池的开路电压一般为%3$B%3(P%P;=除具有液流储能电池的优点外!由于电解质金属离子只有钒离子一种!还能够避免充放电时因为离子互串而导致的电解液污染问题!并且钒电解质溶液可循环使用和再生利用!节约资源!因此在太阳能&风能等可再生能源利用&电力系统用户端*调峰填谷+&应急和备用电源以及军事领域有着广泛的应用前景(%%D%)%P;=由澳大利亚新南威尔士大学发明(%,)!从’&世纪-&年代中期开始!日本有多个机构参与了P;=的研发工作!并成功开发出多种不同规模的P;=储能系统%%*-$年!日本住友电工与关西电力公司合作进行P;=的研发工作!并于%**(年用’,个’&F的电池组实际功率%-3-F#通过模块化方式串&并联连接组成了,$&F的P;=电池组!作为子变压电站的%个基本单元进行充放电试验%’&&&-’&&’年!日本住友电工分别完成了多项各种储能容量的P;=电池组的建设!其中北海道的%套功率为,O5%3$&的P;=储能系统用于对当地&O风电场的调频和调峰%目前!在日本共有%$套P;=储能系统示范运行(%$D%()%澳大利亚的9*++/645P;=-7?公司及加拿大的P;=9’:58%C75A公司在大型全钒液流电池储能系统P;=D3%%#的开发上也走在世界前列(%!)%’&&,年’月!P;=9’:58%C75A公司又为2/745P/445C!$7/&9/6*B*62’8)公司建造了输出功率为’$&F!储能容量为’O,&的全钒液流储能电池系统!这是北美地区第%座大型商业化P;=储能系统!主要用于电厂的削峰填谷&平衡负载%于’&&&年成立的奥地利254478’AAE1公司在’&&-年成功开发出%&FN%&&F,&的P;=储能系统!系统的能量转换效率可达到-&Q%他们与%’4’+,R光伏公司合作将该系统与太阳能光伏电池配套!用作城市电动车的充电站!在奥地利维也纳进行应用示范%在我国!P;=研究始于’&世纪*&年代!中国科学院大连化物所&中国地质大学&中国工程物理研究院电子工程研究所&广东工业大学&广西大学&东北大学&中国科学院金属研究所和中南大学等先后加入到P;=的研究中来(%-D%*)%’&&-年!中国电力科学