NAS电池储能装置及其应用

2010-08-01廖文俊黄建民曾乐才苏青上海电气集团股份有限公司中央研究院200070

装备机械 2010年2期

文/廖文俊，黄建民，曾乐才，苏青上海电气集团股份有限公司中央研究院 (200070)

近30年来，新能源发电技术发展迅速，产业规模和市场化进程逐年提高。截至2007年底，全世界风电累计装机总容量达到93849MW，太阳能电池累计产量达到12000MW，为人类提供了大量清洁电力。然而，限于资源的影响，风能和太阳能发出的电力具有不稳定性和不连续性，不利于大规模发展。所以，可以将不稳定的电力收集起来并在适当的时候将其平稳释放的储能装置，在新能源利用的广大领域具有不可替代的作用，显示出非常良好的发展前景。

储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。

表1 储能技术的应用领域

一、储能技术分类比较

目前储能方式主要分为四类:机械储能（抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能）、化学储能（钠硫、液流、铅酸、镍氢、锂离子、镍镉电池等）、电磁储能（超导电磁储能、超级电容器）和相变储能（冰蓄冷）。

在各种储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能比较适用于电网调峰；电池储能和相变储能比较适用于中小规模储能和用户需求侧管理；超导电磁储能和飞轮储能比较适用于电网调频和电能质量保障；超级电容器储能比较适用于电动汽车储能和混合储能。不同储能技术在技术成熟度、应用领域、产业化进程等方面存在差异。近年技术进步最快的是电化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破。

钠硫电池具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势，使得钠硫电池成为目前最具市场活力和应用前景的储能电池。表2比较了各种储能技术的优劣势及其适用的范围（数据来自美国能源部网站）。

表2 各种储能电池的比较

二、NAS储能系统的应用目的和意义

储能系统在电力系统中应用的目的主要有以下几方面:（1）为新能源的大规模开发并网应用提供保障；（2）电力调峰的作用；（3）提高系统运行稳定性；（4）提高供电质量。

三、钠硫电池（NAS）的原理和特性

1.钠硫电池工作基本原理

NAS电池是当前开发的一种高能蓄电池，它所贮存的能量为常用铅蓄电池的5倍（按相同质量计），且具有运行无声、无污染、价廉、安全、使用寿命长以及维修费低廉等优点。常用的电池是由一个液体电解质将两个固体电极隔开，而NAS电池正相反，它是由固体电解质将两个液体电极隔开:一个由Na－β－Al2O3固体电解质做成的中心管，将内室的熔融钠（熔点98℃）和外室的熔融硫（熔点119℃）隔开，并允许Na＋离子通过。整个装置密封于不锈钢容器内，此容器又兼作硫电极的集流器。在电池内部，Na＋离子穿过固体电解质和硫反应从而传递电流。

它的电池形式如下:

图1 钠硫电池的结构

图2 钠硫电池模块示意

钠硫电池的理论比容量可达760Wh/kg，实际已达到300Wh/kg，且充电持续里程长，循环寿命长。

2.钠硫电池特性

钠硫电池具有许多特色之处是其他电池难以比拟的:

(1)比能量高:钠硫电池的理论比能量（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）为760Wh/kg，实际已大于300Wh/kg，是铅酸电池的3～4倍。

(2)可大电流、高功率放电:其放电电流密度一般可达200～300mA·cm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量。

(3)充放电效率高:由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。

(4)大容量，结构紧凑:单体电池，串并联即成不同容量的模块，空间和重量是铅酸电池的1/3～1/4。

(5)长寿命和高安全性:2500次循环, 使用寿命长达15年，安全性过关。

(6)环境友好:全密封，无污染释放, 无振动,无噪声。

3.钠硫电池的不足之处

安全问题:钠硫电池仅只在达到320˚C左右的温度，即仅当钠和硫都处于液态的高温下才能运行。而如果陶瓷电介质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应。这种反应虽然不会产生气体发生爆炸，但会产生高达2000˚C的高温，相当危险。过度充电时也很危险。

保温与耗能问题:在高温下运行的另一个问题是保温耗能的问题。钠硫电池在300˚C下才能启动，电池工作时需要一定的加热保温，因此需要附加供热设备来维持温度等。而在钠硫电池生产过程中，涉及到陶瓷管的煅烧，耗能较大。

4.钠硫电池生产工艺

图3 钠硫电池生产技术路线

四、国内外NAS电池技术发展概况

1.国外钠硫电池发展情况

钠硫电池最早发明于20世纪60年代中期，早期的研究主要针对电动汽车的应用目标，美国的福特、日本的YUASA、英国的BBC以及铁路实验室、德国的ABB、美国的Mink公司等先后组装了钠硫电池电动汽车,并进行了长期的路试。但长期的研究发现，钠硫电池作为储能电池更具有优势，而用作电动汽车或其他移动器具的电源时，不能显示其优越性。且早期的研究并没有完全解决钠硫电池的安全可靠性问题，因此钠硫电池在车用能源方面的应用最终被人们放弃。

(1) 日本钠硫储能电池应用情况

日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制、发展和应用的标志性机构。20世纪80年代中期，NGK公司开始与日本东京电力公司合作开发储能钠硫电池，1992年第一个钠硫电池储能系统开始在日本示范运行，至2002年已有超过50座钠硫电池储能站在日本示范运行中。2002年NGK公司开始了钠硫电池的商业化生产和供应。2002年9月，在美国AEP主持下，由NGK提供的钠硫电池储能站在美国示范运行。2003年4月开始，NGK开始了储能钠硫电池的大规模商业化生产，产量达到30MW，2005年达到48MW（960个模块），2008年达到90MW的规模（1800个模块）。2004年7月9.6MW/57.6MWh 的NAS储能站在日本正式投入运行。目前NGK已建成34MW的用于风力发电厂的钠硫储能站。NGK公司2010年的发展计划是年产150MW。目前，NGK已有100余座钠硫电池储能站在全球运行中。

按应用类型分类，钠硫电池可用于负荷平衡、应急电源以及不间断电源等。目前钠硫电池主要应用于负荷平衡，表3是几种应用的分布情况。

表3 钠硫电池的储能应用分布情况

表4 钠硫电池的应用行业分布情况

在上述钠硫电池的应用中，作为应急电源和UPS使用的钠硫电池约占37%。若按现有的生产能力计算，相应的电池容量超过50MW。

截至2004年7月初，TEPCO装配的商业NAS电池系统运行在27个场所，累计容量超过40MW/300MWh，这些商业系统见表5。

表5 TEPCO公司安装的商业NAS系统

(2) 美国钠硫电池应用情况

美国电力公司（AEP）投资2700万美元购买固定钠硫电池系统，布置在西弗吉尼亚州和俄亥俄州服务地区，以增加供电可靠性和储藏容量。在西弗吉尼亚州的查尔斯顿市安装了美国历史上第一套基于钠硫电池的储能系统。该1.2MW（7.2MW·h）钠硫电池储能系统于2006年6月26日实现商业运行，短期目标是减轻当地电力容量饱和的压力和提高供电的可靠性。

目前AEP已向日本NGK公司订购三套新电池系统(日本该公司与东京电力公司共同开发和制造产品)。工程完成后AEP公司系统将增加6MW储藏能力。该公司目标是到本世纪前10年底完成布置25MW的目标。未来10年将有1000MW先进储藏系统加入公司系统。在西弗吉尼亚和俄亥俄州1MW电力可供800户人家使用。AEP在明尼苏达州的卢温建造1MW的风力发电用钠硫储能系统。AEP公司计划在西弗吉尼亚增加2MW电池容量，俄亥俄州也增加相等数量。

2.国内状况

中科院上海硅酸盐研究所长期从事二次电池的研究工作，“七五”及“八五”期间获得了中国科学院重大项目、国家863等项目的大力支持，研制成功了基于30Ah单体电池的6kW车载钠硫储能电池。2006年8月，上海市电力公司与上海硅酸盐研究所合作开展了钠硫单体电池的攻关项目，于2007年1月试制成功大容量650Ah的钠硫单体电池，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。上海市电力公司和上海硅酸盐所于2007年8月投资共建了“上海钠硫电池研制基地”，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，研制基地目前承担了国家科技支撑、上海市科委重大项目以及国家电网、中国科学院的钠硫储能电池科研项目。2009年2月贯通了钠硫储能电池中试线，形成了年产2MW钠硫储能电池的生产能力；已成功研制了功率为10kW的子模块并稳定运行；2010年上海世博会已展示100kW级的钠硫电池储能系统。计划在未来几年形成几十MW的生产能力。

图4 β－Al2O3陶瓷管

图5 钠硫电池单体

芜湖海力实业有限公司已与清华大学合作，开发生产大功率钠硫电，逐步建立研发中心和生产基地。海力公司从20世纪80年代初就开始研究钠硫电池，于2007年4月申请并获得了大功率钠硫动力电池的国家发明专利。为加快大功率钠硫电池生产步伐，海力公司投资2000万元与清华大学达成长期合作协议，依托清华大学强大的科研力量和先进的仪器设备，在芜湖机械工业开发区建立国内一流的大功率钠硫电池生产线，从而打造全国钠硫电池生产基地。

3.行业动向

其他公司正在尝试用新的技术撼动NGK Insulators 的地位。例如，通用电气公司（General Electric Co.）已投资约1亿美元，在纽约州Niskayuna建立电池研发机构，目标就是钠硫电池。

风险投资者也在开始涉足储能领域，现在有三家最大的美国风险投资公司正在投资北美和中国的电池项目。Draper Fisher Jurvetson投资于总部位于中国的Prudent Energy Inc.，英特尔投资部（Intel Capital）已投资于中国电力公司Net Power Tech Co.，而Vantage Point Venture Partners已投资于北美电池生产商Premium Power Corp。

五、NAS电池储能系统运行与控制

NAS电池储能系统根据不同应用场合及用户需要，可设定有多种运行模式。控制系统应该根据预设的运行模式以及电池和电网侧的情况，决定PCS 传递功率的方向与大小，产生有功和无功输出指令。

NAS系统可以实现的运行模式以及控制策略分析如下:

1.储能削峰模式

(Peak Shaving或Load Leveling）

在电力需求的增长逐年增加情况下，较大负荷中心配电网中普遍存在负荷因数（Load Factor）偏低问题。例如在一天当中，白天与夜晚之间其对电力的需要存在很大差异。新建能支持负荷用电峰值需要的发电厂和输电系统，无论从成本上还是运行效率的角度上讲均不理想。利用高能量密度和高效率的NAS电池组的电能储存系统，可削减这种随时间变化的能量需求波动，从而提高电站的运行效率、减少运行成本以及实现能量储存。

PCS 通过控制NAS 电池储能系统的工作模式，使之能够像一座分布式发电站那样，在夜晚用电低谷时将电能吸收入电池内部并在白天用电高峰时将电能释放，以减弱对电网的功率要求，应用于用户侧也可节省用户电费，根据电池对负荷提供能量水平，可分为 LL（Load Leveling ）方式以及PS（Peak Shaving）方式。

2.储能削峰+ 电能质量模式（PS+PQ）

在配电系统中存在的另一大类问题是包括有电压跌落、浪涌电压、电压谐波、电压闪变、供电中断等在内的电能质量（PQ）问题，对敏感负荷用户往往造成不可避免的损失。根据美国电力公司（AEP）的统计，大约有90%以上的电能质量问题持续时间均不超过30s，因此在发生短期电能质量问题时，利用NAS 电池储能系统为负荷提供脉冲功率来应对电能质量问题是切实可行的。NAS电池组具有优良的输出特性，在较短时间内可以输出5倍于额定功率的瞬时功率。

同时实现削峰（Peak Shaving）和电能质量（Power Quality）控制模式的基本思想是:利用NAS电池优良的输出特性，在实现对配电网削峰调节即PS工作模式同时，处理出现的PQ问题，如图6 所示。电网电压正常情况下，与单一的PS工作模式相同，PCS控制NAS电池系统按照本地或远程的设定进程工作，当中包括电池充电、电池放电（PS）和备用阶段共三个状态，期间由双向可导通SCR 实现的电子开关始终闭合。

3.NAS系统在新能源发电中的运行模式

研究开发风力发电、太阳能发电等新型清洁可再生能源具有十分重要的商业及社会价值。其中太阳能利用的光伏发电研究内容主要包括变换器设计、最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）。由于风能和太阳能的变化是随机的，当容量较大的此类发电装置直接并网运行会对现有电网带来稳定干扰等问题，利用电池储能装置与新能源发电装置联合运行，对其进行稳定干预，可使随机变化输出的能量转换为稳定输出的能量而解决上述问题。

如图7所示，NAS电池组安装在风力发电机WT（Wind Turbine）接入电网节点的附近，通过吸收该发电机输出功率的变化量来抑制输出的波动。由于风力发电机输出功率波动包括短期波动和长期波动（可从s级到h级），因此PCS应控制电池系统具有良好的动态响应特性，使之能同时处理长期和短期波动。

六、钠硫电池（NAS）应用前景

钠硫电池项目在未来的储能调峰、稳定风能等新能源输出、特种领域应用等方面有着极其重要的作用。

据专家测算:1kW功率的储能电池可节省电网投资1.3万元，通过“削峰填谷”，可使每吨标准煤所发的电多利用100kW·h，可带来经济效益480元。预计到2015年，上海电网峰谷差可达16000MW，即使只将20%的“谷电”存储起来，用于高峰时段，其经济效益就超过70亿元——而建设储能电站的投资，仅需20亿元左右。

此外，由于使用了分散式储能电池，可以完全避免突发停电事故可能造成的巨大经济损失。实现钠硫储能系统的商业化，其经济效益和社会效益将十分显著。

上海市2004～2006年最高用电负荷和用电高峰的时间统计如下: