电网大规模电池储能技术的发展机遇与挑战

张建兴，张 宇，曹智慧，陈世峰

（1.许继电源有限公司，许昌 461000；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074；3.上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）

风能和太阳能等可再生能源发电、燃气分布式电源、充电式电动汽车等新能源技术已成为我国能源领域的发展重点，这些新能源技术的推广应用必须有电网的支持，但是这些新能源设备的运行都具有不稳定和不连续，并网运行会给电网运行的安全和调度带来很大的负面影响。采用储能技术可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网；同样储能技术也可以解决电动汽车充电的随机性、波动性问题，有效调节电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，为新能源汽车的大规模推广提供基础。储能技术还可以将电网在负荷低谷时的电力储存起来到电网负荷高峰时放电，缓解目前电网目前面临的电力供应巨大的峰谷差压力。总之储能技术可以提高电网设备的利用效率，减少备用电厂的建设，为国家节约输配电设备巨额投资。

1 大规模电池储能技术简介

大规模储能技术主要有物理储能、电磁储能（包括超导储能等）和化学电池储能三大类，其中化学电池储能技术比较成熟，是目前大规模储能领域的主要研究和应用方向。目前适合作为大规模储能的蓄电池有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和矾液流电池等。其中铅酸电池的应用较早，并且技术成熟、价格低廉、安全可靠，但是使用寿命较短、功率密度低、运行维护费用高，很难满足大规模储能发展的要求，特别是铅酸电池的制造、使用和报废回收都可能造成环境污染，因此进一步发展的潜力不大。而锂离子电池、钠硫电池和钒液流电池及技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面已经取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟，被认为是未来储能技术发展的主要方向之一。

1.1 锂离子电池储能系统

与其他蓄电池相比，锂离子电池的储能密度高、储能效率高、循环寿命长，近年来发展很快，已经广泛地应用在各种手提移动设备例如手机、相机、笔记本电脑和平板电脑中，也是目前新能源汽车的电动汽车的主要电源。锂离子电池也非常适合作为大规模储能元件，美国较早开展了动力型磷酸铁锂电池的研究，并相继建设了兆瓦级的锂离子电池储能系统的示范应用，主要用于电力系统的频率和电压控制以及平滑风电等。我国是锂离子电池生产大国，近年来锂离子电池技术的研究及产品化速度加快，涌现出了中航锂电、天津力神、杭州万向、北京盟固利等一批锂动力电池生产企业，并相继建设了多个兆瓦级的锂电池储能电站。与其他一些大容量蓄电池相比，锂电池的技术相对成熟，因此我国近期内的大规模储能系统中锂电池的应用将会比较广泛。

1.2 钠硫电池储能系统

钠硫电池能量密度和转换效率高，是一种能够同时适用于功率型储能和能量型储能的蓄电池，自2003年起，日本和美国相继建设了多个兆瓦级的钠硫电池储能电站。不过钠硫电池的制造比较困难，对电池材料、电池结构要求高，因此制造成本较高。钠硫电池在使用时对运行条件的要求苛刻，必须维持在300～350℃，需要附加供热设备来维持温度。另外，电池运行的控制也比较困难，例如在线测量充放电状态不能做到很准确，必须周期性地进行离线度量；安全性相对也稍差。由于钠硫电池产品的制造比较困难，目前只有日本NGK公司的钠硫电池产品已经商业化。前几年，上海市电力公司与中科院上海硅酸盐研究所联合开发出大容量钠硫电池，其关键技术和关键工艺已取得重大突破，但是关键装备和工业化生产仍存在巨大差距，国内钠硫电池储能技术和应用在短期内还很难取得突破。

1.3 矾液流电池储能系统

全钒液流电池（VRB）系统由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）发明，20世纪末，日本住友电工（SEI）、加拿大VRB Power Systems等公司进行全钒液流电池储能系统的研究及商业化开发。全钒液流电池储能系统具有电池工作寿命长（充放电循环可以超过16 000次）、蓄电容量大、能量转换效率高，而且可以频繁充放电和深度放电，充放电的均匀性好，用于蓄能电站系统设计灵活、选址自由、安全环保，维护费用也比较低。全钒液流电池的功率容量理论可达百兆瓦级，理论储能容量可达到百兆瓦时级，并且功率响应速度为10 ms级。在输出功率为数千瓦至数十兆瓦，储能容量数小时以上级的规模化固定储能场合，液流电池储能具有明显的优势，已成为大规模储能领域的重要技术之一。不过，同钠硫电池相比，液流电池目前离大规模商用的目标更远。

2 应用需求及现状

随着智能电网的发展，电力系统的发电侧、电网侧、用户侧对都有应用大规模储能的需求。

2.1 发电侧

随着全球传统能源的日益紧缺及使用传统能源带来的生态环境巨大压力，以风力发电和光伏发电为代表的新能源可再生能源发电已经成为世界各国的发展重点，但是风力发电和光伏发电具有波动性和间歇性，大规模并网运行会对电网的稳定运行和负荷调配带来很多问题，特别是当并网运行的风力发电和光伏发电的规模超过一定比例以后，对局部电网产生明显冲击，严重时会引发大规模恶性事故。国外有关研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，还可以依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段保证电网安全；但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。

利用储能设备把不稳定的风能、太阳能发电储存起来然后平稳输出，可以消除风能、太阳能发电波动性对电网稳定性的危害，弥补风能、太阳能发电的间隙性对电网负荷调配的影响，还可以提供快速的有功支撑，增强电网调频能力，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。因此分布式发电站的储能已经成为新能源开发的核心技术之一。按2010年国家电网对清洁能源做出的预计，到2020年，我国风电装机和太阳能发电装机将分别达到150 GW和20 GW，按20%的容量配置储能，仅可再生能源发电领域就有34 GW的储能市场需求。

2.2 电网侧

电网侧安装储能系统可以平衡电网的供需，起到移峰填谷的作用。推广中的新能源电动汽车需要通过充电站从电网中补充电能，为了缓解电动汽车充电的不确定性，也需要在电网侧安装储能设备。

1）城市调峰储能电站 随着生活经济的发展和居民生活质量的提高，白天用电高峰和夜间用电低谷之间的负荷差，以及季节性的峰谷差也越来越大。特别是我国经济发达地区的大中型城市，到了夏天用电高峰季节电力供应的缺口大，电网不得不对一些企业进行限电，有些地方甚至要拉闸停电，给相关企业造成巨大的经济损失。由于发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，从建设成本和资源保护的角度出发，通过新增发、输、配电设备来满足日益增长的高峰负荷的需求变得越来越困难。随着峰谷差的加大发电设备的负荷率快速下降，谷期时间段上电力设备效率降低、产能闲置，企业的经济效益也受到严重影响。可以说，目前电力和能源的供需矛盾已成为制约我国国民经济稳定、可持续发展的重要因素之一。电网侧的储能电站，可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时向电网输送电能，有效缓解电网的供需矛盾，减少新建作为备用容量的发电厂的压力，满足日益增长的高峰负荷的需求。以上海市为例，2004～2006年间，全市每年尖峰负荷只有183.25 h，但是为了满足这么短时间的用电需要，电网侧的相关投资每年就超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。采用大容量储能技术应对同样的尖峰负荷投资会成倍减少，而且储能设施效率高不产生有害物质排放，因此节能减排效果显著。抽水蓄能电站也是目前电网侧常用的蓄能设施之一，但是抽水蓄能电站的建设必须受地理条件的限制无法普及，采用常用大容量蓄电池建设电网侧蓄能站占地少、建设规模灵活，其效果是其他调峰措施无法比拟的。

2）电动汽车充换储电站 随着社会经济发展，汽车已经作为居民最常用的交通工具，每年的用能和汽油消耗量不断增加，汽车运行的排放也已经成为很多城市的环境污染主要来源，因此采用清洁能源的新能源汽车替代传统燃油汽车势在必行。特别是近年来我国的汽车工业的飞速发展，家用汽车不断普及，但是我国的石油资源匮乏，石油供应对外依存度大并且还在逐年增长，因此必须发展新能源汽车特别是电动汽车。近年来我国政府相继出台了一系列政策大力支持发展清洁能源、推动新能源汽车的发展。电动车必须充电，电动车的普及必须依靠电网的电动汽车充电站的服务，电动汽车充电站可以为电动车提供充电或者更换电池服务。从换电站目前的试点运行来看，换电池模式可以大幅减少电动汽车的电能补充时间，可对电池的充放电进行优化控制，有效提高电池的使用寿命，降低车辆的购置成本。另外，电池使用一段时间后性能下降到一定程度后已不适合作为电动车的动力电池，但通过检测筛选并按一定规则进行分组辅以有效的充放电控制技术可以进行梯次利用用于储能。将储能电站与电动汽车充换电站统一建设，采用电动汽车的动力电池进行梯次利用，既可以满足电动汽车能源供给，提高电池利用效率，又可为电网提供增值服务，并节约占地及建设成本。可以预见，电动汽车充换储电站将是未来智能电网的重要组成部分。国家电网、南方电网和中石化均制定了相关规划，“十二五”期间年投资额度超过百亿元。

2.3 用户侧需求

电网供电的可靠性对于用户很重要，电网停电可能给用户带来巨大经济损失。2006年，上海电网用户平均用电可靠性为99.973%，即每户每年停电约2.324小时，按用户装接容量35 000 MVA，95%的停电电量转移到其他时段继续创造产值估算，上海电网2006年总停电电量约为400万kWh，减少GDP产值约1亿元（上海每1 k Wh电量约创造25元GDP）。为了提高用电的可靠性，电网的用户特别是大型企业或者对电力供应的可靠性要求特别高的单位例如医院、银行以及高档商业大楼和宾馆等，都有必要也有可能根据需要建设自己的储能站。储能单元在智能电网架构中将承担越来越重要的角色，未来在高新技术园区、大型居民小区将可能安装较多的储能设备以实现能源的高效利用。

微电网是集发电和用电为一体的微型配用电网；微电网采用就地发电就地使用的形式，不仅可以减少电力输配损耗提高能源利用效率，而且可以减少用户对电网的依赖性，提高用电的可靠性和安全性，是今后智能电网的又一个重要组成部分。不过，作为大电网的一种补充，微电网的运行必须依托大电网，因此实质上还是电网的一种特殊用户。微电网中主要能量来源为社区中的分布式燃气三联供机组，也可以包括小型风机、小型光伏等分布式小型电源。特别是这些小型的太阳能、风能或者生物质能发电设备不再与大电网直接联系，有利于推广应用。由于微电网中分布式电源的波动性和随机性，以及微电网内用户负荷的不确定性，微电网内也必须安装储能系统，用于平抑电源的波动，为用户提供平稳可靠的电源。微电网项目市场需求量非常巨大，尤其随着国家、企业对可再生能源发电的重视，微电网的建设将会逐步展开。根据派克研究的一份最新报告《微电网实现技术》，世界各地微电网中的分布式发电容量在未来6年将超5倍，从2012年的764 MW增至2018年的4 000 MW左右。

3 我国储能技术应用和产业发展现状

我国一些高校及科研院所很早就开展了储能技术的研究，但是受市场需求、成本及体制政策的限制，我国的储能技术发展不快，储能技术和产品不成熟，目前在建或规划的大多是电网公司或发电公司的示范工程，作为政府或公司的科研示范项目，集中在大型风储电站、电动汽车充换储电站、微电网等领域。在电力系统内，两大电网公司建设一些示范工程见表1。这些示范性储能电站主要采用锂离子动力电池，也有个别项目采用钠硫电池，不同电池均处于测试验证阶段。根据已经建设的储能示范功能及其运行经验，目前大规模储能系统的发展存在的主要问题，首先是技术路线不统一，各种储能技术都处于发展阶段，各种储能方案竞争激烈，储能设备缺乏产品技术标准，系统设计缺乏规范，系统拓扑、通信网络、电池成组等关键设备及系统的设计缺少统一标准，而且项目缺乏的可行评估方法，项目的验收困难。

我国目前从事储能电池研制的厂商较多，都比较看好储能产业的未来发展空间，但是储能产业与电动汽车产业前期的发展类似，储能产业明确还处于一个割裂发展的局面。电动汽车产业发展前期，电控、电池、电机分开研发，导致尽管各个企业级产品各自发展较好，但组装在一起时却出现问题，即没有一个较大的从事系统集成的企业进行整合。我国的储能产业目前也处于这个局面，从事动力电池的厂商一哄而上，项目招标电池厂商为主体，而缺乏熟悉电网和储能产品、能够针对电网需求对储能产品进行集成的系统集成商。

根据电力系统的特点，电网的储能技术规模应用还需要较长的时间，近期内的主要任务是示范应用，储能产品的市场需求有限，特别是目前许多储能产品和技术大多不成熟，产业化前景不明，项目的投资风险大。我国政府虽然也非常重视储能技术的发展，但是还没有出台具体政策支持储能行业，包括储能产业未来发展规划、运行监管和审查体系的缺失，投资主体尚不明确。

4 储能产业的发展前景和促进措施

美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术，在美国能源部制定的关于智能电网资助计划中，储能技术项目超过了其他所有项目，达19个，资金支持力度也最大，2010年上半年已拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发。根据2009年通过的《储能法案》，美国对大容量储能投资将提供20%的投资税抵扣。在奥巴马新颁布的新能源政策中要求所有新能源项目必须配备储能技术方案。加州对符合技术要求、与风电或燃料电池配套建设的储能系统提供2美元／瓦的额外补贴。日本政府为了鼓励大容量储能技术的推广应用，除直接支持前期研发外，近年来还扶持了大量示范性项目，欧盟各国、韩国等也都设立专项经费支持储能技术的研究与开发。

近年来我国的新能源特别是风力发电和光伏发电快速发展，同时也暴露出我国能源产业在接纳新能源方面准备上的很多不足，特别是电网规划与电源发展脱节、电网的发展跟不上新能源发展的需要；包括对储能技术进步以及储能在新能源发展中的特殊作用认识不足，储能技术的发展没有很好地体现在电网、电源的发展规划中，导致储能技术的发展远跟不上新能源的需要。随着可再生能源的普及应用、电动汽车产业的发展及智能电网的建设，电网侧、发电端、用户方面储能需求不断增加，各种储能技术都面临巨大的发展机遇。我国的十二个五年规划，已经把储能作为一种支撑电网建设的先进技术给予关注，明确了我国今后储能技术和产业的发展前景，储能产业也引起了诸多投资者的关注，业内专家预测“中国的储能产业将在5～10年之内出现爆炸性的增长”。

我国的储能产业有着较好的前景，建议相关部门尽早整合我国的储能技术和产品研发力量，引导相关企业进行有序研发，带领储能行业健康良性发展，为储能技术的大规模推广奠定良好的基础。为了加快储能行业产业化进程，政府应尽快完善和落实各种支持措施，包括制定产业规划、财税政策、电价政策、储能电价政策，帮助企业采用投资主体多元化方式组织融资。政府还可以组织相关部门成立行业监督管理机构，推进标准体系建设和制定配套标准规范，提高示范工程推广力度。企业应该进一步推进研发示范，通过示范项目积累技术经验，企业还要加快储能设备产品的产业化进程，努力创新提高设备国产化率，提高储能设备的质量降低储能系统的投资成本，提高电网储能的经济效益。

4 结论

储能技术作为智能电网的一个重要组成部分，在电网的发电侧、电网侧、用户侧都有巨大的应用需求。特别是世界目前正处在一个新能源革命时期，风力发电、光伏发电等可再生能源、新能源电动汽车的等都必须依靠储能技术的支撑才能的大规模利用和推广，因此储能产业有非常好的发展前景。但是目前电池储能行业的发展处于起步阶段，许多储能电池技术和产品还不成熟，产业的发展受到多种制约，政府必须进行积极引导和给予政策支持。与发达国家相比，我国的储能技术研发相对落后、产业发展无序、研发力量有待整合，特别是政府对储能技术和产业发展的促进措施不多。因此建议政府借鉴国外先行国家的经验和做法，加强发展我国蓄能技术和产业发展的支持力度，相关企业应当积极创新，努力实现产品的国产化，为我国智能电网建设和可再生能源利用提供更多更好的储能设备先进产品。