电力储能技术发展和应用

张 翼

(江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

2011年3月11日发生在日本本州岛以东的大地震引发的核泄漏事故，使得人们清醒地认识到推动更加安全的可再生能源发展的必要性，但是可再生能源发电，特别是风能发电具有明显的间歇性、随机性和可调度性低的特征，随着风能发电的大规模并网应用，将对电力系统的安全稳定运行产生较大影响。因此，通过发展储能技术来平抑可再生能源发电的不稳定性已在世界范围内形成共识。储能技术，尤其是大规模储能技术可以减轻昼夜间电网峰谷差，平滑负荷，不仅可以提高电力设备运行效率，降低供电成本，还能促进可再生能源的应用，提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动等。储能技术对于实现电网运营的安全可靠、经济高效是不可或缺的。全球大容量储能技术呈现多元化发展格局，储能技术主要有化学储能（如锂离子电池、钠硫电池、液流电池等）、物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）和电磁储能（如超导储能、超级电容器等）三大类。

1 化学储能

1.1 锂离子电池

锂离子电池的阴极材料为锂金属氧化物，具有高效率、高能量密度的特点，并具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无环境污染性等优点。锂离子电池在电动汽车的应用方面有望成为后起之秀。另外，大容量锂电池储能电站正逐渐兴起，美国在锂离子电池的应用方面领先，美国电科院在2009年开展了MW级锂离子电池储能系统用于平滑风电场功率波动的示范应用，但目前锂离子电池在大尺寸制造方面存在一定问题，过充控制的特殊封装要求高，价格昂贵，所以尚不能普遍应用。目前世界上运行的最大锂离子储能系统是A123公司投资建设的，装机容量为2 MW[1]。

1.2 钠硫电池

钠硫电池是以Beta-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。钠硫电池储能密度为140（kW·h）/m3，体积减少到普通铅酸蓄电池的1/5，系统效率可达80%，单体寿命已达15年，且循环寿命超过6000次，便于模块化制造、运输和安装，建设周期短，可以根据用途和建设规模分期安装，很适用于城市变电站和特殊负荷[2]。钠硫电池最早发明于上世纪60年代中期。早期的研究主要针对电动汽车的应用目标，但长期的研究发现,钠硫电池用作电动汽车等移动器具的电源时，其安全可靠性问题难以解决，而用作固定的电池储能站更具有优势。日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制、发展和应用的主要机构。2002年NGK公司开始了钠硫电池的商业化生产和供应。2004年7月当时世界上最大的钠硫电池储能站（9.6 MW/57.6 MW·h）在日本 Hitachi自动化系统工厂正式投入运行。目前，在全球NGK已有100余座钠硫电池储能站正在运行[3]。

国内钠硫电池的研究始于上世纪六十年代末，在初期其发展几乎与国外先进水平同步，研究单位也很多，但在随后的二十余年中，国内钠硫电池的研究仅局限于电动车动力用蓄电池。直到2005年上海硅酸盐研究所与上海市电力公司合作，开展大容量钠硫电池的研究。2009年11月，成功地研制出具有自主知识产权的容量为650 A·h的钠硫储能单体电池，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。现已建成2 MW大容量钠硫单体电池中试生产示范线，并成功研制100 kW级的钠硫电池储能系统，进入2010年上海世博会展示。但至今尚未实现大容量钠硫储能电池的产业化发展。

1.3 液流电池

液流电池，与通常蓄电池的活性物质被包容在固态阳极或阴极之内不同，液流电池的活性物质以液态形式存在，既是电极活性材料又是电解质溶液，它可溶解于分装在两大储液罐的溶液中，由各个泵使溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。其中全钒氧化还原液流电池是通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，是众多化学电源中惟一使用同种元素组成的电池系统，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透的产生，污染小；它将正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解液保存过程的自放电消耗，效率高；电池正负极反应均在液相中完成，充放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态，没有外界离子参与电化学反应，理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，寿命长。此外，全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、可实现快速充放电等优点。

全钒液流电池是惟一成功通过了3年以上风能发电并网应用示范的兆瓦以上级电化学储能系统[4]，已经实现商业化运作，能够有效平滑风能发电功率,在日本运营的容量为4 MW的全钒液流电池为当地32 MW的风电场提供储能，并已运行27万次循环，世界上还没有任何其他储能技术能够实现这一要求。全钒液流电池系统研发的先驱为澳大利亚新南威尔士大学。日本住友电气工业公司、加拿大VRB Power Systems等公司进行全钒液流电池储能系统的商业化开发[5]。对于钒电池的研究，国内始于20世纪90年代末期，一些高校和研究所参与其中，但起初研究基本局限在用电化学手段进行相关机理及电池原理等方面的探讨方面。后来中科院大连化物所开发的100 kW/200 kW·h全钒液流储能电池系统是目前国内自主技术开发的最大一套液流储能电池系统。2008年10月，北京的普能公司收购了世界知名的储能公司加拿大VRB公司。从而拥有了VRB公司23年研发积累的所有专利、商标、技术秘密、设备等，VRB的核心技术团队也加入了合并后的公司，并第一次使得中国公司在全球储能商用技术领域走在全球最前沿。

2 物理储能

2.1 抽水蓄能

抽水储能是在电力系统中发展最成熟、应用最为广泛的一种储能技术，抽水储能电站投入运行时必须配备上、下游两个水库（上、下池），负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。抽水储能电站可以按照一定容量建造，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率在70%～85%。但抽水蓄能电站一次性投资费用巨大，建设受到地形制约，当电站距离用电区域较远时输电损耗较大。

日、美、西欧等国家和地区在20世纪60～70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期。到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上，其中美国约占3%，日本则超过了10%[6]。未来抽水蓄能电站的重点将着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。提高机电设备可靠性和自动化水平，建立统一调度机制以推广集中监控和无人化管理，并结合各国国情开展海水和地下式抽水蓄能电站关键技术的研究。

2.2 压缩空气储能

压缩空气储能电站（CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5 MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。CAES建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，建设受地形制约，对地质结构有特殊要求。CAES储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长。压缩空气蓄能发电系统的关键是气室的密封性、经济性、可靠性等。

世界上第一座商业运行的CAES是1978年投入运行的德国Huntorf电站，目前仍在运行中。机组的压缩机功率为60 MW，释能输出功率为290 MW，系统将压缩空气存储在地下600 m的废弃矿洞中。机组可连续充气8 h，连续发电2 h。1991年投入商业运行的美国Alabama州Mclntosh的CAES，其地下储气洞穴在地下450 m，压缩机组功率为50 MW，发电功率为110 MW，可以实现连续41 h空气压缩和26 h发电。另外日本、意大利、以色列等国也分别有CAES正在建设过程中[7]。我国对压缩空气储能系统的研发起步较晚，但对压缩空气储能系统的研究，逐渐受到相关科研院所、电力企业和政府部门的重视。

2.3 飞轮储能

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能-机械能的转换过程；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能-电能转换的释放能量过程。飞轮储能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超过 20 （W·h）/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为-40～50℃，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现MW级，主要用于不间断电源（UPS）/应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制[6]。

近年来人们对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转换系统进行了深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。机械式飞轮系统已形成系列产品，如Active Power公司 100～2000 kW CleanSource 系列、Pentadyne公司 65～1000kV·A VSS 系列、Beacon Power公司的25MWSmartEnergyMatrix和SatConTechnology公司315～2200kV·A系列。高温超导磁浮轴承摩擦系数达10-7量级，在此基础上，1 MW·h超导飞轮已于1997年研制成功。1999年欧洲Urenc Power公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速42000 rad/min，2001年1月系统投入运行，充当UPS，储能量达到18 MJ。美国波音公司Phantom工厂研制的高温超导磁浮轴承100 kW/5 kW·h飞轮储能装置，已用于电能质量控制和电力调峰。

国内在飞轮研究方面,上世纪80年代初期,中国科学院电工研究所就开始飞轮储能系统研究探索，之后从90年代中期，国内飞轮储能技术逐步兴起，研究的单位也随着新能源的需求不断地增加，在飞轮储能的各个领域内也取得了一些进展。与国外相比，国内在复合材料性能、轴承技术和电能转换效率和实验研究方面存在明显的差距，总的来说，国内理论研究较多，工程实践和实验较少；理论分析与计算较为充分，实验研究数据欠缺；国内在飞轮储能的产品投入不足，开发还处于初级阶段，目前国内只有样机的问世，一直没有产品进入市场[8]。

3 电磁储能

3.1 超导储能技术

超导储能系统（SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施，它是一种新型高效的蓄能技术。超导蓄能系统主要由电感很大的超导蓄能线圈、使线圈保持在临界温度以下的氦制冷器和交直流变流装置构成。当储存电能时，将发电机组（如风力发电机）的交流电，经过交-直流变流器整流成直流电，激励超导线圈。发电时，直流电经逆变器装置变为交流电输出，供应电力负荷或直接接入电力系统[8]。由于采用了电力电子装置，这种转换非常简便，转换效率高（≥96%）、响应极快（毫秒级），并且比容量（1～10 （W·h）/kg）、比功率（104～105kW/kg）大，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿[6]。它的储能效率高达90%以上，远高于其他储能技术。和其他储能技术相比，超导磁储能仍很昂贵，除了超导本身的费用外，维持系统低温导致维修频率提高以及产生的费用也相当可观。目前，在世界范围内有许多超导磁储能工程正在进行或者处于研制阶段。

现世界上1～5 MJ/MW低温SMES装置已形成产品，100 MJ SMES已投入高压输电网中实际运行，5GW·h SMES已通过可行性分析和技术论证[1]。SMES的发展重点在于基于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本，结合实际系统探讨分布式SMES及其有效控制和保护策略[6]。SMES在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面发挥了极其重要的作用。

3.2 超级电容器

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容[6]。超级电容器的电荷储存发生在电极/电解质形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移。与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点。但超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平[1]。在风力发电系统直流母线侧并入超级电容器，不仅能像蓄电池一样储存能量，平抑由于风力波动引起的能量波动，还可以起到调节有功无功的作用。另外，超级电容器也正在作为电动汽车的新型储能装置。

国外对于超级电容器的研究起步比较早，在超级电容的研究及应用方面，美国、日本和俄罗斯走在世界的前列[9]。美国已有Maxwell Technology公司、加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）、Auburn大学、Los Alamos National Lab.（LANL）等单位在研制超级电容器。Maxwell公司生产的Power Cache超级电容器，已由通用汽车公司Allison Transmission Division组成并联混合电源系统和串联电源系统用于货车和汽车上[10]。美国在2002年曾报道已制成270 V，534 F的 电 容 存 储 系 统 （Capacitor bank system），通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使电脉冲推进器 （Pulsed electric thruster）、电弧喷气式伺服器（Arc jet actuator）等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。

日本的NEC/Tokin公司、松下公司均有系列超级电容产品，本田公司在其开发的第三代和第四代燃料电池电动车FCX2V3和FCX2V4分别使用了自行开发研制的超级电容器来取代二次电池，减少了汽车的重量和体积，使系统功率增加，同时可在刹车时回收能量[11]。

俄罗斯ECOND公司对超级电容已有20多年的研究历史，该公司代表着俄罗斯的先进水平，其产品以大功率超级电容产品为主，适用于作动力电源，且有价格优势。早在1996年俄罗斯Eltran公司就已研制出了采用纯电容器作电源的电动汽车样品，采用300个超级电容串联，可载20人，充电一次可行驶12 km，时速25 km/h[12]。我国对超级电容器的研究起步比较晚，但是也取得了一定的成果，主要作为电动汽车的储能装置。

4 结束语

随着风能、太阳能等可再生能源使用的日益普及，以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求，电力储能系统的重要性日益凸显。因此，电力储能技术的应用前景非常广阔。电力储能技术为实现电网安全可靠、稳定运行的目标、解决风电等可再生能源发电并网对电网的影响和供用电不平衡等难题提供了解决方案。

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