2020储能系统运行特性.docx

储能系统运行特性供需瞬时平衡是电力系统运行的基本原则，而储能技术的引入，彻底颠覆了电力系统的运行规则。储能技术在电力系统的应用贯穿其发、愉、配'用各个环节，在不同场合均起到了不同的技术补充作用.储能技术在发电环节的应用，目前多以与间歇式电源的联合应用为切入点。在众多储能技术中，电池储能方式凭借其响应速度快、能量密度大、规模灵活、易维护、寿命长等特点成为规模化普及的首选.电池储能系统应用于间歇式电源发电，有助于平滑功率输出，缩减其功率预测误差，并降低能源丢弃率，显著提高了间歇式电源的并网能力。了解电池储能系统运行特性.主要从储能电池本体、电池管理系统(BMS)、能量转换系统(PCS)拓扑结构等方面着手，1概述现代储能技术殖着材料科学的进步得到一定程度的发展，在电力系统中发挥着重要作用，电力系统引入储能环节后.可以有效地实现需求侧管理消除昼夜峰谷差，实现负荷调平，不仅可提高电力设备利用率.降低供电成本，还可以促进可再生能源的并网应用，也可作为提高系统运行稳定性、改善供电质量、调整频率、补偿负荷波动的一种手段同时，移动式储能技术还可为电动汽车应用提供动力能源电力系统负荷的峰谷特性，使得采用储能系统调节电力负荷很有必要，可以在电力充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。在新能源技术快速发展的大背景下，储能用于风力发电、太阳能光伏发电等新能源发电，通过储能元件对电能的储存与释放，可平滑新能源发电出力波动，解决新能源发电自身出力Sfi机性'不可控的问题，减小新能源出力变化对电网的冲击.使得廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品，目前，储能系统在提升电网接纳间歇电源能力、提高电网安全可靠运行能力、改善电能质量等诸多方面的显著作用，已逐步得到国内外业界的普遍认同"储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分，国内已有相关风电设备厂商通过与国际储能技术企业合作生产风储联合应用设备，储能技术的发展伴随着电力工业发展中存在的问题而发展起来。电能本身不能储存，然而将电能转化为机械能、化学能或电磁能等形态即可实现存储根据能量存储方式的不同可将储能方式分为机械储能（如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等）、电化学储能（如锂离子电池、钠硫电池、液流电池、铅酸蓄电池等）、电磁场储能（如超导储能、超级电容器储能等和相变储能（如熔融盐储能、冰蓄冷储能等）四大类型储能技术以其特有的优势成为了国内外研究的热点，世界各国都投入了大量人力、物力、财力进行储能技术的研发与示范应用.但大规模储能技术在全球都还处于发展初期，尚未形成主导性的技术路线，无论哪一种储能电池，其单体能量、功率等性能参数都不能满足大规模储能的要求：在实际应用中均采用系统集成的方式，电池储能系统正逐步向智能化、模块化、集成化、标准化方向发展，一些影响储能技术现模化应用的技术瓶颈还有待突破，包括储能技术的效率、安全性、可靠性.循环使用寿命和动态响应等除电池储能技术外，超级电容器储能、超导储能.压缩空气储能等储能技术正在研究当中.各种储能技术在其能量密度、功率密度、响应速度和储能系统容量规模等方面均具有不同的表现，而同时电力系统也对储能系统各方面应用也提出了不同的技术要求，很少能有一种储能技术可以完全胜任在电力系统中的各种应用.因此，必须兼顾双方需求，选择合适的储能方式与电力应用.储能技术在电力系统能否得到大规模应用和推广，首先应该考虑基于该技术的储能系统的造价成本、运行及维护成本、运行中安全和可靠性以及规模能力等因素此外，还需要考虑储能系统的能量转换效率、系统寿命、动态性能和冗余调节能力等多方面因素.表4T分别从典型额定功率、持续时间、特点及应用场合详细比较了抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、超级电容储能、锂寓子电池储能、液流电池储能和钠硫电池储能等在电力系统中的应用，表41应用于电力系统的储能技术比较储能类型典型额定功率持统时间优势劣势应用方向抽水储能1002000MW4-IOh大功率、大容、低成本受地理条件限制辅助削峰填谷、调频，黑启动和备用电源等压缩空气储能10-300MW1-20h大功率、大容量，低成本受地理条件限制备用电源、黑启动等飞轮储能5kW-IOMWIs-30rn-11高功率密度、长寿命低能量密度提高电力系统稔定性.电能质量调节等储能类型典型额定功率持续时间优势劣势应用方向锂禹子电池100kW-100MW数小时大容、高能密度、高功率密度.高能转换效率安全性.陋环寿命及规模化平滑可再生能源功率输出、辅助削峰填谷.电能质量调节等全甄氧化还原液流电池5kW100MW120大容、长寿命低能量密度，效率不高辅助削峰填谷、平滑可再生能源功率输出等袖曰电池100kW100MW数小时大容量、高能密度、高能量转换效率安全廖虑平滑可再生能源功率输出、辅助削修填谷等超导储能IOkW50MW2s5n响应速度快低能密度，高制造成本电能质调节、提高系统稳定性和可"性等超级电容器IOkW-IMW130s高能量转换效率、长寿命.高功率密度低能密度短时电能质量调节、平滑可再生能源功率输出等在上述储能技术中，尚没有一种非常完美的储能技术可用于电力系统的各个环节。根据储能技术特点、技术成熟度及其产业化程度，现阶段电池储能系统是一种比较适合电力系统应用的储能电源，电池储能系统具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、无污染、噪声低、环境适应性强、便于安装等优点:锂离子电池、全机液流电池、钠硫电池为其三大主流技术，其中，锂离子电池储能技术发展最快，逐步成为主力军，现已形成成熟的产业链.随着纳米技术、新材料合成技术的发展,锂离子电池价格下降空间较大，在储能系统规模化应用中.锂离子电池逐步成为首针对大规模储能技术应用.国内外已相继开展200多项示范工程，确立了以储能方式提高间歇电源可控性的有效途径一同时在日夜峰谷差调节、电能质量调节与改善等领域也展开了实验测试，并将大规模储能系统应用于了电力系统调频，提高可再生能源并网等方面目前，国内外均有兆瓦级电池储能系统的示范应用，此外，国内外部分机构对混合储能方式进行了研究.建立了兆瓦级混合储能系统的示范工程.根据储能技术在电力系统发、输'配、用各环节的典型应用，结合实际电力系统现状及相关政策，分析储能技术具有前景的应用方向如下：1）储能技术应用于新能源发电，可以平抑风能、太阳能等新能源发电的随机性和间歇性功率波动，增加风电的置信度，提高风能使用价值，增强电网对新能源发电的接纳能力。在国内外已有的储能示范工程中，新能源发电配套的储能系统的容量约为新能源发电装机容量的10%30%。根据规划，到2020年我国风电装机容量将达到200GW.预计将会有大量储能设备配合风电接入电网2）储能系统用于电网削峰填谷，可以蝮解供需矛盾.应对高峰负荷供电需求，提高现有电网设备的利用率和电网运行效率，实现更加灵活的能源和资源配置随着储能成本持续下降和峰谷电价政策的实施，利用储能设备降低能源成本的需求比例会逐渐增加，借助储能技术，减小峰谷差，大幅提升电力现有资产利用率，是未来电网发展的技术方向.3）储能应用于分布式电源及微网，可以提高微网稳定性和电能利用效率。在系统黑启动或分布式发电单元检修期间，储能将起到过渡作用，保障供电的连续性和可靠性：储能系统使得微网系统在负荷波动较快和较大的情况下能够运行在一个稳定的输出水平.通过储能系统充放电控制，还可以调节微网系统中不同类型分布式电源的发电计划，提高能源利用效率«储能系统应用于电能质量调节与改善.可以作为备用电源和应急电源，保证重要负荷供电安全.解决诸如电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题.满足敏感负荷对电能质量的严格要求.2典型储能系统及组成方式2.1电池储能系统的结构储能系统一般由储能电池、电池管理系统BatteryManagementSystem.BMS：',能量转换系统PowerConversionSystem.PCS）及升压变压器.中央监控系统组成.如图IT所示。储能电池中的电能经过PCS完成交直流变换，经升压变压器升压后与电力系统相连。电池储能电流变流器的实质是大容量的电压逆变器.它是连接储能电池和接入电网之间的接口电路，基本功能是实现直流储能电池与交流电网之间的双向能量传递，即储能系统的充放电在充电状态.PCS作为整流装置将电能从交流变成直流储存到储能系统中；在放电状态，PCS作为逆变器将储能系统中储图4T典型储能系统拓扑结构存的电能从直流变为交流，输送到电网，BMS负责管理电池堆中的所有电池，保障电池安全，监控电池的运行状态.2.2储能系统的关键技术1.储能电池的大容量化技术储能标准电池模块是组成大规模储能系统的基本单元，标准电池模块的使用寿命直接决定了储能系统的使用寿命.提高模块使用寿命的关键在于电池动态一致性问题.涉及电池及电池组一致性影响因素的机理、电池动态均衡的判据方法、电池组的管理及保护技术、储能标准电池模块的设计、模块的集成技术以及电池模块的特性检测技术等关键技术，(1)储能电池及电池组一致性影响因素的机理储能电池及电池组内阻和容量受温度、电流倍率、充放深度以及循环周次等因素影响，分析各因素对电池一致性的影响水平，可以为得出电池模块可用功率预测和能量控制方法，以及电池组实际运行控制策略提供依据.(2)储能电池动态均衡策略均衡是电池管理技术的关键性技术，是防止并纠正电池一致性差异的主要技术手段，在电池成组的使用寿命指标上有决定性的作用:其主要包括被动式均衡和主动式均衡.被动式均衡主要利用旁路电阻在电池单体出现过充时对电池充电电流进行旁路，但存在均衡电流小，热耗散大的问题而主动式均衡其工作原理与被动式均衡有本属区别，其主要机理是在电池间进行能量搬移来完成电池均衡充放电.由于没有热耗散问题，所以系统的均衡电流可以比较大。(3)储能电池组的管理及保护系统电池组热管理技术是储能电池组管理保护技术领域的核心内容.电池间温度场均匀度差是导致电池衰减出现雷散差异的主要原因可采用绝热量热仪对锂离子单体电池在各种应用情况下的比热.放热量和放热功率进行测量.基于数值模拟对电池及电池组模型进行求解.进而对电池组进行模拟工况实验，并根据测试结果对电池箱及温度控制系统设计进行优化，实现电池模块的安全防护:H）储能标准电池模块储能标准电池模块的核心在于单体电池的串并联组合方式，涉及电池之间连接件的材料、结梅、连接方式、连接处的接触电阻等因素.基于改善的电池连接工艺，可降低接触电阻，实现标准储能电池模块.（5）基于标准电池模块的电池系统规模化集成技术在标准电池横块研究开发的基础上，对标准电池模块进行串并联，通过分析模块串联支路间的并联对电池性能的影响，以及电池系统内各个模块的电流不一致和容量不均衡的分布规律.可得出大容量储能单元内电池系统的运行和维护方法.（6）储能电池模块及系统的特性检测技术储能电池模块的特性检测技术，主要包括模块的容量、功率、效率、安全性、寿命特性、动态工况性能.温度特性等方面的性能检测。2.电池储能系统规模化集成技术电池储能系统规模化集成技术主要包括储能变流器与电池系统匹配技术,标准化储能单元的研制、大容量储能规模化集成设计、储能系统冗余及扩容方法、大容量储能系统的监控及保护平台和储能装置的特性检测技术等关键技术，（1）储能变流器与电池系统匹配技术大容量储能单元的系统拓扑结构大致可分为单级变流器拓扑结构、两级变流器拓扑结构（集中DC/DC变流器：、两级变流器拓扑结构（分散DC/DC变流器一从几种拓扑结构对比来看.采用单级变流器以及分散DC/DC变流器的两级变流器这两种拓扑结构有各自的优势和特点因此，应根据实际需求.得出兼倾可靠性.效率和成本的变流器与储能电池模块匹配技术方案（2）标准化储能单元的研制标准化储能单元的研制需要开发储能单元综合监控系统，建立多级电池管理系统的软硬件控制构架，在标准化、模块化、可扩展的前提下，实现储能单元内各标准电池模块、监控保护装置的检测与控制.其基本构架如图1-2所示.电池管理单元负责管理多个串联电池单元，电池簇管理系统负责管理一个串联回路中的全部电池管理单元，同时检测本串联回路的电流，在必要时采取保护措施同时上报本簇电池的全部信息到电池阵列管理系统，电池阵列管理系统负责管理一个储能单元双向变流器下的全部电池族管理系统.负责与变流器和后台电池JtCAN BUS图4-2储能单元综合监控系统构架监控系统通信，根据电池状态调整电池系统充放电功率,(3)大容量储能系统集成设计储能系统规模化集成设计涉及多储能单元同步控制技术、储能电站故障检测、储能单元标准化接口等储能系统集成关键技术:M)储能系统冗余及扩容方法基于电池系统成本、可靠性及电池系统投资回报率，储能系统冗余及扩容方法主要包括分析储能单元电池系统使用全寿命范围内总处理能量与充放电区间的关系、储能单元的充放电使用工况对电池系统寿命的影响规律、储能系统合理的冗余热备容量设计方法、大容量储能单元电池系统容量和总处理能量的优化组合。(5)大容量储能系统的监控和保护平台大容量储能系统的监控和保护平台主要包括储能单元与储能电站监控管理系统间的高速通信方法、规约、标准，监控系统控制策略，以及储能系统保护策略。监控系统控制策略基于储能系统峰谷调节算法，储能系统保护策略基于能量流动状况和系统的功率平衡，保护平台的示意图如图4-3所示,性能监视器图1-3监控和保护平台示意图16）储能装置的特性检测技术储能系统作为一项新的技术，其应用和推广离不开技术规范和性能检测技术的支撑主要包括电网接入系统技术标准和产品规范、储能单元关键部件（储能电池、电池模块、电池单元、储能单元综合监控系统、双向变流器）技术规范和试验测试标准、储能单元的技术规范和检测标准等4.3液流电池储能系统氧化还原液流电池IRedoxFlowBattery）简称液流电池，对于组成液流电池电化学体系的正负极电对，要求其电极电位适宜，正负极电对电位差大，可逆性良好，不受析氢、析氧副反应影响，溶解度高且稳定，价格便宜等.几十年来，各国学者通过变换氧化-还原电对，提出了多种液流电池体系，大致分为沉积型液流出能和液相储能两类，例如有固相沉积的锌澳、全铁、铅酸.柳锌等液流电池：全液相的铁信、多硫化钠漠（PSB）,柿机体系、全铀体系、全机体系等液流电池，就无沉积的全液相储能体系而言，其重要特征在于活性物质完全溶于正负极电解液中，电极反应无固相及形貌改变，从而更易保证成组电池的一致性，均匀性并延长其循环寿命。因此液相体系优于沉积型体系而得到广泛研究和应用一液流电池的活性物质可溶解分装在两个储存槽中，溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与制化反应：此化学反应是可逆的，因此可达到多次充放电的能力。此系统的储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积.由于两者可以独立设计，因此系统设计的灵活性大，受设置场地限制小.在众多液流电池体系中.由于全钢制化还原液流电池VanadiumRedoxFlowBattery.以下简称VRB或全例电池；系统的正、负极活性物质为价态不同的狙寓子，可避免正、负极活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，属于全液相、正负极电对为同一元素变价的双流动电解液无沉积反应体系.其反应较快，优势明显，是目前主要的液流电池产业化发展方向。I.技术特性全机电池具有其他固相化学电池所不具备的特性与优势.在美日等国家已经实现商业化运作.但因全机电池仍存在环境温度适用范围窄、能量转换效率不高等问题而尚未普及推广，其特点简述如下：I）能量与功率独立设计，输出功率取决于电堆体积，储能容量取决于电解液储量和浓度，并且易扩容、易维护：2）活性物质存放于电堆之外的液罐中，自放电率低.理论储存寿命长；3）响应速度快，支持充放电频繁切换以及深度放电：«安全系数稳定，支持正、负极电解液混合，且电解液可重复循环使用：5）特有液路管道结构.导致支路电流损耗显著.影响储能系统效率，2.应用领域根据全狙电池运行特性，其应用领域多涉及辅助调峰、平滑风电和光伏系统输出功率边远地区供电.工厂及办公楼供电、不间断电源（UPS）等场合.如图4-4所示。1技术成熟度1991年澳大利亚新南威尔士大学（UNSW.!开发出的IkW全机电池电堆.其直流侧能量效率达到90%,为全狙电池的实用化提供了可靠依据，标志着全狙电池开始走出实验室.迈向工程化研发阶段；2001年，日本住友电工（SUmit-omoElectricIndustriesLtd,简称SEI）己具备完整的生产和组装全tfl电池系统的全套技术，并将全机电池储能系统投入商业运营。此外，德国、奥地利、英国和图4-4日本L5MWh电网调峰储能系统（左图）和17OkW并网风电全机液流电池储能系统（右图）泰国等国家也在开展全机电池系统研究并取得显著成果。国内，中国科学院大连化学物理研究所研发成功了22kN级电堆的全狙电池系统，掌握了具有自主知识产权的百千瓦级全帆液流储能电池系统的设计、集成技术，并成立了大连融科储能技术发展有限公司（简称大连融科公司），将全机电池生产推向市场化。北京普能世纪科技有限公司（简称普能公司）于2009年收购加拿大VRBPOWRESYSTEMS公司，由此掌握全钢.电池的核心专利权，目前普能公司已经在全机电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术三方面取得重大成果，并占据国际领先地位.清华大学在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得了一定的研究成果，成功研发出了全狙电池测试平台并与承德万利通实业集团有限公司合作，实施500MW全狙氧化还原液流储能电池-VRB"项目.研究开发全狙电池及其相关设备中国工程物理研究院电子工程研究所、中国地质大学、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也先后开展了全狙电池研究并取得初步成果.4产业化进程目前在世界范围内，已进入产业化研发和应用的全狙电池生产商主要有日本SEl和北京普能世纪科技有限公司及大连融科储能技术发展有限公司。2005年日本SEl在日本北海道苫前町建立了4MW6MWh全机电池储能系统用于平滑36MW风电场的功率输出.是目前国际上容量规模最大的全倒电池储能系统应用工程，2003年全球原料甄的价格暴涨10倍.日本政府因本土缺乏钢矿资源而取消对SEl的财政支持，SEl曾被追停止全钢电池技术研发随着近年来储能技术的兴起.SEl重新推广全机电池储能系统的应用：图4-5所示为日本Tomamae32MW风电场/4MWX1.5h全机电池系统.“-廿 UiT3P图4-5日本TOmamae32MW风电场4MWXL5h全机电池系统澳大利亚的PinnacleVRB公司及加拿大前VRBPowerSystems公司在大型全狙电池储能系统的开发上也走在世界前列。2003年PinnacleVRB公司建成了800kWh储能系统并接入混合电站应用：2004年VRBPowerSystems建成的2MWh大型VRB-ESS（EnergyStorgeSystem.是北美地区第一座大型商业化VRB储能系统.美国政府资助PaineSViue电力公司与俄亥俄州市电力管理局合作，在某32MW火电厂建设IMW8MWh储能电池示范项目，成为美国首个兆瓦级全机电池储能系统项目欧洲各国同样热衷于液流电池储能技术的研究和应用.2010年6月，第一届国际液流储能电池会议在奥地利维也纳召开，会议深入研讨了液流储能电池技术的发展趋势及市场需求：西班牙REDES2025项目主攻智能电网用IMW2MWh液流储能电池系统：德国Fraunhofer研究机构投资15亿欧元用于研究离网可再生能源发电配套储能IokW级液流电池储能系统，以及大型风电场用兆瓦级以上液流电池储能系统奥地利Cellstrorn公司研制的IOkW100kWh全机电池储能系统用于新能源电动车快速充电站电源系统，可以实现充电站独立于市电稳定工作。国内，中国电力科学研究院于2008年与中国科学院大连化学物理研究所合作建成了100kW200kWh的全钢电池储能测试系统.并于中国电力科学研究院电池特性实验室开展全面基础测试实验，为后续大规模储能系统的试验示范提供了大量数据参考与理论支持.2010年，中国电科院在张北国家风电研究检测中心储能实验基地开展0.5MWIMW，h全钢电池储能系统（见图46）与风力发电机组的联合运行实验，以评估全机电池在可再生能源发电并网方面的作用.全机电池储能系统典型应用案例见表4-2。图I-6张北储能实验基地O.5MWIMWh全帆电池系统表4-2全机电池储能系统典型应用案例项目名称地点应用领域产品规格投运时间年KashinaKitaPS.日本削峰填谷20OkWX4h1996Officebuilding.日本削峰填谷100kW×8h2000Sanyofactory削峰填谷3MWXI.5sI5MWEIh2001Windpower.日本平滑风电功率输出17OkWX8h2001University.日本削峰填谷500kWXIOh2001PacificCorp.美国电网增容50OkWX8h2004KingIsland澳大利亚平滑风电功率输出250kW×8h2004TomilmUeW;ndfarm-日本平滑风电功率输出4MWM1.5h2005TapburySomeHill.Ireiand平滑风电功率输出2MWX6h2006中国电科院风电研究检测中心平滑风电功率椅出50OkWX2h2011国家风光储输示范工程一期中国平滑可再生能源功率输出2MW×4h2011废水处理厂，美国削峰填谷IMWX6h20124钠硫电池储能系统钠硫电池<SodiumSulfurBattery)是一种以金属钠为负极.硫为正极，以Na-beta-A)O,为电解质和隔膜的二次电池在一定的工作度下.钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。钠硫电池原材料丰富，能量密度和转换效率高：但因钠和硫两种元素的大量聚集将存在安全隐患，且其运行温度高达28035（C,启停周期较长，同时因垄断造成成本高且降价空间小，因此尚未普及推广.图4-7所示为容量为18OAh的钠硫电池单体实物照片。图4-7商用硫电池系统<左图）和容量为180Ah钠硫单体实验电池（右图）I.应用领域目前钠硫电池储能系统已经成功应用于平滑可再生能源发电功率输出、削峰填谷、应急电源等领域图4-8所示为日本Wakkanai1.5MW钠硫电池5MW光伏电站.图1书日本Wakkanai1.5MW衲硫电池5MW光伏电站通过在用电需求小于发电量时储存多余电能，而在用电需求大于供给时释放已储存电能的手段，钠硫电池储能系统可以有效解决因供需不平衡而造成的电力紧张现象，从而实现削峰填谷，提高现有设备利用率。2.技术成熟度1983年起，日本东京电力公司与NGK公司合作开展储能型钠硫电池技术的研究，随后NGK公司在高纯度ALO,陶瓷管研制、大容量钠硫电池单体结构与封装、钠硫电池模块化组装等关键技术上获得巨大突破，成功研制出了钠硫电池系统样机，并于1992年在东京电力公司开展试验测试和示范，进而，NGK公司着手解决AIa陶密管的一致性大容量单体电池封装批量化工艺等技术难题陆续推出性能稳定且一致性好的电池单体，并最终实现规模化生产。20世纪90年代中后期，NGK公司成功解决模块组装技术，建立了电池模块安全试验平台，支持点火.燃烧.挤压和跌落等试验检测2003年.NGK公司在Komaki建立模块生产线.提供商业化电池产品，为全球供应钠硫电池装置,而东京电力负责其业务范围的工程应用。中国科学院上海硅酸盐研究所致力于钠硫电池技术研究多年，于2007年与上海电力公司合作，并成功研制出了650Ah钠硫电池单体，建立起了2MW电池单体中试线.取得了钠硫电池研发的重要阶段性成果；但在钠硫电池性能的提升、产品一致性的提高、成本的降低以及现模化生产工艺和装备技术的研发方面与日本还存在较大差距，在达到钠硫电池产品化的指标上还有待继续突破.另外，对于钠硫电池模块还需要进行更深入的实验测试，以对其综合性能进行全面的评价，可见，国内的钠硫电池技术当前正处于由样机向产品化转化的阶段.3.产业化进程（1）日本日本NGK公司和东京电力公司合作于1983年成功开发出用于电网储能的大容量钠硫电池；1992年日本第一个示范储能电站投入试运行，并于2003年投入商业化运营：2004年7月当时世界上最大的钠硫电池储能电站（9.6MW57.6MWh在日本正式投入运行；NGK公司的钠硫电池技术经过20多年研发和示范，目前已能提供IOMW以上钠硫电池储能系统.目前日本的钠硫电池储能电站一半以上用于电力平衡，其应用覆盖商业、工业、电力、水处理等各个行业：钠硫电池储能电站也被应用于风力发电.例如在日本Rokkasho,某34MW钠硫电池储能系统与51MW的风力发电系统配套，用于平滑风电功率输出，如图4-9所示.（2）美国美国从2002年9月开始运行第一个IOokW级钠硫电池试验站，2006年开始运行第一个1.2MW级钠硫电池示范电站.目前.美国己投运的钠硫电池容量共计9MW.还将有9MW于近两年投运图4T0为印第安纳州楚鲁巴斯科2MW钠硫电池系统实景图。图1-9日本RokkaSho34MW钠硫电池与51MW风电场配套图4-10印第安纳州楚鲁巴斯科2MW钠硫电池系统（3）国内我国自2006年起邀请日本专家学习并开展钠硫电池技术研究,中国科学院上海硅酸盐研究所和上海市电力公司于2007年8月建立了上海钠硫电池研制基地，着手从事大容量城网储能电池模块、电网接入系统和储能系统的研制.并于2009年10月在大容量钠硫储能电池研制方面获得重要突破，成功研制出了具有自主知识产权的容量为650A*h的衲硫储能单体电池，并建成2MW大容量硫单体电池中试生产示范线，使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家，图4-11与图4-12为中国科学院上海硅酸盐研究所研制成功的100kW800kWh钠硫电池储能系统实物图三1-11中国科学院上海硅酸盐研究所100kW800kWh钠硫电池储能系统图112100kW80OkWh钠硫电池储能系统内部结构5锂离子电池储能系统锂离子电池(Lithium-ionBattery)在充电时.锂寓子从正极脱嵌.穿过电解质和隔膜，嵌入到负极材料之中，放电时则相反.近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池，它的研究和开发已取得重大进展.但由于锂离子电池是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等多学科的交叉领域，研制中还存在许多问题运用传统的电化学研究方法结合现场、非现场的谱学方法等多种检测手段，对锂离子电池体系进行评价、优化设计，将会有力地推动锂寓子电池的研究和应用一锂离子电池具有单体电压水平高、比能量大、比功率大、效率高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等特点，是具有实现规模化储能应用潜力的二次电池；但锂离子电池在过充、短路'冲压、穿刺'振动、高温热冲击等条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全情况.其中，过充电是引发锂离子电池不安全行为的最危险因素之一。1.应用领域近年来，锂寓子电池各项关键技术尤其是安全性能方面的突破以及资源和环保方面的优势，使得锂寓子电池产业发展速度极快，在新能源汽车、新能源发电、智能电网、国防军工等领域的应用越来越受到关注.大规模锂离子电池可用于改善可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、调节电能质量以及用作备用电源等随着锂寓子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能将具有良好的应用前2.技术成熟度对电极新型化学材料的研究是锂盅子电池技术的研究重点。近年来国际上锂离子电池重要部分（如电极.电解液和隔膜）的关键材料都有很大程度的改进和提高锂庚子电池负极材料主要是石墨、电解液和隔膜，选择比较单一,因此主要通过正极材料名称区分锂寓子电池类型.其中，正极的改进经历了从较昂贵的钻酸锂到较便宜、也较稳定的磷酸铁锂和锦酸锂的变化.磷酸铁锂以其结构稳定、成本低、安全性能好、绿色环保等优势成为近年来研究的热点。此外，具有较高充放电速率的纳米磷酸铁锂技术美国A123公司I及钛酸锂技术（Altairnano公司）的研究已获得突破，并实现了商业化运作.国内锂离子电池产业的发展得益于手机、笔记本电脑市场的蓬勃发展.随着新材料技术的突破与制造工艺技术的进步，以及电动交通运输工具的兴起与推广，也将继续推动了锂寓子电池技术的商业化发展.3.产业化进程目前已实现产业化的锂离子电池包括钻酸锂电池、锦酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元材料电池等，它们的主要参数见表1-3。表4-3产业化锂离子电池参数骷酸锂电池候酸Il电池磷酸铁fl电池三元材料电池比能(Whkg13015080-10090130120200比功率wkgI130025001200J2000900130012003000循环次数SOO100030003000安全性差良优良单体一致性优优差优第4章储能系统运行特性船酸锂电池猛酸锂电池磷酸铁锂电池三元材料电池效率：%195295295295支持放电倍率C101515201010-15成本I元kWh)30003500200025J300030003500当前已趋于成熟的小型锂盅子电池产业，多服务于小型电器、电动工具以及电动交通工具.而规模化储能型锂离子电池的研发规模离产业化还有一定距寓，正逐渐成为当前电池产业领域关注的焦点：目前，美国、日本、中国等国家均已建成兆瓦级锂离子电池储能应用示范项目.(1)美国美国电力科学研究院EPRI)于2008年进行了磷酸铁锂电池储能系统的相关测试工作；2009年开展了锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，包括2kW4kWh.50kW2OOkWh,100kW400kWh的锂离子电池储能系统：同年还开展了兆瓦级锂离子电池储能系统的示范应用，主要用于电力系统频率和电压控制以及平滑风电功率输出.2008年11月美国A123公司率先开发出了2MW锂离子储能电池,见图413),并应用于AES公司的H-APU(Hybridancillarypowerunit)系统，实现了电能质量调节并充当备用电源，其电池效率可达90%.2011年1月.美国AES公司WeStOVer20MW储能项目一期8MW锂寓子电池储能系统建成(见图1-14).该项目是美国首个在公共设施应用并进行商业化运营的电池储能项目，主要用于削峰填谷，提高电网接纳可再生能源的能力。2011年图4-13美国123公司2MW锂寓子电池储能系统10月，美国西弗吉尼亚州Laurel山区97.6MW风电场配置的32MW怪寓子电池储能系统（A123公司提供，见图1-15）投入运营（运营方为美国区域电网运营商PJM公司），该系统主要用于平滑可再生能源功率输出图4T4Wcstovcr20MW储能项目一期工程电池储能系统3*aMa>图4T5美国西弗吉尼亚州LaUrel山区32MW锂离子电池风储项目（2）日本日本将磷酸铁锂电池作为能量型储能电池开展了大量研究与应用，并由日本东芝公司开发出可快速充放电的功率型锂寓子电池，主要用于大功率及长寿命的产业设备，特别是在需要快速功率切换的可再生能源发电市场"但目前该电池技术尚没有规模化应用的实例，技术上还有待完善和考验。（3）国内直属国家电网公司的中国电力科学研究院早于2007年即建立了锂寓子电池研究与测试平台（见图4-16）,能够对不同生产厂家、不同类型的锂富子电池进行全面的特性实验研究，并开展了20kW以下级别的锂离子电池成组的研发，为锂寓子电池大弱模成组真定了基础。同时，还提出了不同梯级应用场合对电池性能的要求、影响因素及相关表征量，建立了锂离子电池梯级利用的检测和评价体系.2008年，中国电力科学研究院在张北国家风电研究检测中心建立了电池特性实验室（张北储能实脸基地，见图1-17）,并重点围绕锂寓子电池成组技术、锂离子电池系统实验与测试技术、锂席子电池储能系统集成技术以及锂离子电池储能系统应用模式和接入条件开展工作：并于2010年开展了WW锂离子电池储能系统与风力发电机组的联合运行实验，以评估锂离子电池在可再生能源发电接入方面的应用。2011年国家电网公司建设了世界首个风光储输示范项目，规划建设风电500MW、光伏发电IOoMW、储能系统IIOMW,项目建成投产后将成为全世界最大的"风-光储输"示范基地，如图4T8所示。储能电站将示范不同技术路线的化学储能技术，以锂寓子电池为主，液流和钠硫电池为辅，同时预留空间，试验探索不同储能技术的性能，通过利用大规模储能监控系统对上述设施进行统-充放，实现平滑风光功率输出、跟踪风光计划发电、统调频四种功能.图I16中国电力科学研究院张北储能实唬基地2009年7月.比亚迪公司率先建成我国第一座兆瓦级锂寓子电池储能电站,该储能电站可采用削峰填谷模式运行，即在用电低谷期储能电池充电，在用电高图4-17中国电力科学研究院张北储能实验基地图1-18张北风光储输示范工程效果图峰期储能电池放电.2011年10月，南方电网公司建成了3MWX4h磷酸铁锂寓子电池储能示范电站（见图4-19）,以双回IOkV电缆分别接入深圳UokV碧岭站，主要功能定位为削峰填谷，以达到提高主变负荷率，降低峰谷差的目的。另外，东莞新能源科技有限公司（ATD.中航锂电，洛阳有限公司、万向电动汽车有限公司、天津力神电池股份有限公司也在进行锂离子电池储能系统的研发、测试及工程应用。图1-19南方电网兆瓦级宝清储能电站6电池储能系统用PCS技术功率转换系统(PowerConversionSystem.PCS)是电池储能系统中的核心部件，可以实现电池与电网间的交直流转换，完成两者间的双向能量流动，并通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、网侧负荷功率的跟踪、电池储能系统充放电功率的控制和正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等.6.1拓扑结构I.变流器()DC/DC+DC/AC储能系统中最常见的PCS拓扑结构如图4-20所示，双向DC/DC环节主要进行升、降压变换，提供稳定的直流电压.储能电池充电时，双向DC/AC变流器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC变流器降压得到储能电池充电