浅谈变电站中储能装置的应用与发展

王志斌，汪 毅，宋昭昭

（1.中国矿业大学应用技术学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221116）

在传统变电站中，储能装置主要指的是站用电源的核心设备——蓄电池，一般包括操作蓄电池组、通信蓄电池组、UPS蓄电池组（或者一体化电源的蓄电池组），主要用作后备电源。它们正常时处于备用状态，当交流电故障失电时，蓄电池迅速向事故性负荷供电，同时为停电时的自动控制装置、保护装置、信号及通信等负荷供电。

随着变电站的建设面向智能化，风力、太阳能以及燃料电池等发电的技术被用于变电站中，形成了不间断电力变电站这一新概念[1]。在不间断电力变电站中，原有的蓄电池储能已不能满足发展的需求，很多新型储能装置被引入变电站中。本文通过分析变电站用储能装置的发展历程和现状，详细对比分析了各种储能装置的优缺点，展望了未来变电站储能装置的发展趋势。

1 变电站站用蓄电池的发展与现状

我国的变电站（所）的发展要追溯到20世纪50年代，50年代到60年代期间，变电站（所）使用的蓄电池一般为固定型开口式铅酸蓄电池。这种蓄电池有两个主要缺点[2]：(1)电末期水会分解为氢、氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；

(2)气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。

到了60年代中期，变电站中的开口式铅酸蓄电池逐渐被GGF型防酸隔爆蓄电池所取代。防酸隔爆蓄电池是半密封式的，容器上部密封并装防酸雾隔爆帽，经过滤后，仅有少量酸雾及氧逸出。这种蓄电池有效的减少了酸雾溢出，但是仍有以下缺点[3]：

(1)使用前需要配置电液，初次充电周期长，充电时酸雾大；

(2)体积大、需定期添加蒸馏水，不利于维护。

80年代中期以后，由于电磁机构的开关的应用，镉镍碱性蓄电池因具有承受冲击负荷大、体积小和维护检修方便等优点，开始获得使用，到目前为止仍有一些对蓄电池容量要求较低的变电站采用镉镍碱性蓄电池。但是镉镍蓄电池有一个很大的问题：记忆效应严重。由于变电站使用的蓄电池时往往不会完全放电，很容易发生因记忆效应导致蓄电池过早失效，所以在变电站中镉镍蓄电池的寿命一般较短[4]。

随着阀控式密封铅酸蓄电池（也称为VRLA电池）的发展，在90年初期由于其“免维护性”开始用于变电站中。阀控式密封铅酸蓄电池基本上克服了一般铅酸蓄电池的缺点，具有常规性免维护功能，无需添加水、调酸比重等维护工作，而且不存在镉镍蓄电池的“记忆效应”[5]。由于它的这些优点，使其迅速在变电站中得到推广使用，并直到现在仍是变电站站用蓄电池的主流，约占市场80%的份额。随着阀控式密封铅酸蓄电池在变电站中的长期使用，其运行工况却并不乐观，同时“免维护”这一名词又给使用者带来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护管理，目前其缺陷也凸显出来[6]：

（1）温度对阀控式密封铅酸蓄电池特性影响大，且有电池鼓肚现象，真实的使用寿命偏短；

（2）可能出现隐蔽缺陷的情况，当站用交流失电时，短时间容量“跳水”崩溃；

（3）对过充电比较敏感，在过充的情况下可能出现燃烧或者爆炸；

（4）变电站大量使用铅酸蓄电池，蓄电池废弃处理，环保压力越来越大。

另外随着国家开展节能减排，工信部与环保部共同研究起草的《铅蓄电池行业准入条（征求意见稿）》正式发布，铅酸蓄电池的前景异常暗淡。这些问题的出现引起了很多工程师和学者的注意，他们努力寻找一种能在变电站中替代阀控式密封铅酸蓄电池的电池，磷酸铁锂电池的适时发展为这个问题提供了一个答案。

磷酸铁锂电池是近几年发展起来新型蓄电池，解决了钴酸锂、锰酸锂等锂电池的安全性问题，且与其他蓄电池相比主要优点是储能密度高（300～400 kWh/m3，130 kWh/t），储能效率高（接近100%）和使用寿命长（每次放电不超过储能的80%时可充3000次）[7]，是变电站站用蓄电池的理想选择。在变电站中利用磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池，将进一步提高直流系统在电力系统中的安全运行水平。目前已经有部分变电站采用磷酸铁锂电池进行试点，例如曲靖供电局110 kV城南变电站、上海电力公司10 kV配电站等。

2 新型储能装置及其在变电站中的应用展望

2.1 新型储能装置的现状

近几十年来，储能技术、储能装置的研究及发展一直受到各国能源、电力、交通、通信等部门的重视。各种新型的储能装置也不断的涌现出来，如超级电容、飞轮储能、超导磁储能、钠硫电池、液流电池等，下面介绍它们的详细特性。

（1）超级电容

超级电容器是根据电化学双电层理论研制而成的一种新型储能器件，所以称之为“超级”，是因为其容量可达到法拉级甚至数千法拉。其优点是：可提供强大的脉冲功率，充电速度较快，放电深度深，能量转换率很高，长期使用免维护，高低温特性好，没有“记忆效应”，循环使用寿命长，多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合[7]。超级电容历经纽扣型、卷绕型和大型三代的发展，作为产品目前已趋于成熟。

（2）飞轮储能

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能的效率可达90%以上，其突出优点是几乎不需要维护、循环使用寿命长达20年，无噪声、无污染，可连续工作；缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势[8]。飞轮储能分为低速飞轮、高速飞轮和磁悬浮飞轮储能，目前低速飞轮储能已经实现产业化，适用于电网调频和电能质量保障等要求较高的场合。

（3）超导磁储能

超导磁储能系统(SMES)利用超导体制成的线圈，将供电励磁产生的磁场能储存起来，需要时再将储存的能量送回电网或直接给负荷供电[9]。由于装置采用超导结构，储能状态下装置损耗很小，因而效率比常规的储能装置高；同时超导储能系统释能速度快，能实现快速的有功、无功功率补偿，对于提高电力系统稳定性、抑制低频振荡、改善供电品质都有良好的应用前景，也能应用于太阳能发电、风力发电等功率输出不稳定的系统以提高其并网性能。但是和其他储能装置相比，超导磁储能十分昂贵，且维持超导体低温所需要的费用也相当可观，因此仅在国外得到了初步应用。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。

（4）钠硫和液流电池

钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。钠硫电池在300℃左右的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫（S）；负极活性物质是液态金属钠（Na），中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池的主要特点是能量密度大、充电效率高、循环寿命长等；然而钠硫电池在工作过程中需要保持300～350℃的高温，有一定安全隐患，需要设置防爆和防腐安全保护[10]。一般用于负荷调峰、可再生储能、电能质量等需要大容量储能的场合。

钠硫电池在国外发展相对成熟，日本在2002年就已进入商业化实施阶段，2007年日本年产钠硫电池量已超过100 MW，并开始向海外输出。在国内，国家电网同中科院上海硅酸盐研究所合作，2008年完成了电池模块研制、2009年度攻关百万千瓦级储能设备、2010年实现世博会示范应用，到2011年进入大规模产业化阶段。

液流电池是利用可溶解的活性物质，分装在两大储存槽中，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氧化反应。此化学反应为可逆的，因此可达到多次充放电的能力。此系统之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而且受设置场地限制小[11]。

目前液流电池已有全钒、钒溴、多硫化钠/溴等多个体系，液流电池电化学极化小，其中全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实现快速充放电，且寿命长等优点，全钒液流电池已经实现商业化运作，一般用于风力发电储能，能够有效平滑风能发电功率。

2.2 储能装置在变电站中的应用展望

变电站用储能装置目前来看主要有两个用途：（1）用作变电站的后备电源和电力UPS的储能；（2）用于装设有风力/光伏等发电设施的变电站储能系统。第一种储能装置用途的要求比较低，一般免维护、使用寿命长，能满足变电站运行环境的储能装置都能胜任；第二种要求较高，在第一种要求的基础上还要满足动态循环寿命长，动态响应能力好，倍率特性优秀等特点。储能装置是否适合用于变电站，需要知道各自的特性能否满足变电站用的要求。表1给出了目前常见及上述新型的储能装置特性。

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综合文章上面的描述和表1来看，未来几年到十几年内锂电池将在变电站中发挥极大的优势，主要表现在：（1）锂离子电池是目前转换效率最高的储能装置；（2）锂离子电池已经形成规模的产业链，而液流电池和钠硫电池目前还是少数几家垄断技术局面；（3）锂离子电池性能具有巨大提高的空间，循环寿命、动态响应能力、倍率特性、成组规模均不断提高；（4）锂离子电池成本具有巨大下降空间，且锂离子电池材料和成品制造过程不高耗能，也不借助于贵重金属属于环保类产品。

此外，超级电容由于其技术成熟、能够真正的免维护、使用寿命长，很适合变电站的第一种需求。但是超级电容的价格比较高，从经济性考虑目前很少用于变电站中，未来若是超级电容的成本下降，它也将成为变电站用储能装置的可选方案。

钠硫和液流电池作为近年来新兴的高效储能装置，是未来风力/光伏发电中储能系统的绝佳选择，所以它们能很好的满足变电站的第二种需求。但是钠硫和液流电池目前还在快速的发展中，国内制造厂商少，使用也处于刚刚起步的阶段，用作变电站储能装置的条件还不成熟，需要进一步完善其研究，加快其产业化发展。飞轮和超导磁储能由于自身的特性：飞轮储能的安全性维护、超导磁储能的低温保持等，不适合用于变电站这种较小的场合。

3 储能装置在智能变电站中的应用实例

为了改善新能源发电特性，提高源网协调性能，以形成完整的新能源接入解决方案，在国家科技部、财政部和能源局的支持下，国家电网公司启动实施了风光储输示范工程的建设。2011年12月25日，国家风光储输示范工程在河北省张北县建成投产，总体系统如图1所示。

国家风光储输示范工程中包含一座220 kV智能变电站，该站属我国新能源领域示范变电站，一期已经接入100 MW风电，40 MW光伏发电，20 MW储能装置包括：14 MW磷酸铁锂电池、4 MW钠硫电池和2 MW液流电池。该站集风力发电、光伏发电及储能装置为一体，实现世界首创的风、光、储、输联合运行模式，并可根据需要实现电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动。该电站的投运，为储能提高可再生电源接入能力的应用和多种类型电池储能装置的并网特性提供了试验平台，也为我国储能技术的发展起到示范引领作用。

图1 国家风光储输示范工程系统总结构图

4 结语

本文回顾了变电站站用储能装置的发展历程，综述了目前各种新型储能技术的现状，分析了变电站站用储能装置未来的发展趋势。近年来，由于智能电网建设的大力发展，智能变电站作为智能电网不可分割的一部分也迅速的推广开来。站用储能装置作为变电站的一个重要环节，担负着提供变电站的事故后备电源、为风光发电变电站提供储能、维持变电站的安全和稳定运行的职责，也得到了长足的发展。随着国家风光储输示范工程220 kV智能变电站的顺利投运，新型的储能装置在智能变电站中将得到更加广泛的应用。

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