大规模电化学储能系统发展现状及示范应用综述

许守平，李相俊，惠东

（中国电力科学研究院，北京市 100192）

0 引言

储能技术是智能电网、可再生能源接入、分布式发电系统及电动汽车发展必不可少的支撑技术之一，不但可以有效地实现需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷，而且可以提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性和可靠性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段，此外储能技术还可以协助系统在灾害事故后重新启动与快速恢复，提高系统的自愈能力［1－4］。一直以来，在电力系统中都是采用抽水蓄能的方式来解决电力储能应用上的问题，但随着智能电网的构建和电动汽车的大力推进，世界各国对储能技术的研究越发重视，电化学储能技术发展迅速，已从小容量小规模的研究和应用发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用。电化学储能是指通过发生可逆的化学反应来储存或者释放电能量，其特点是能量密度大、转换效率高、建设周期短、站址适应性强等。根据化学物质的不同可以分为铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等储能形式。目前，围绕电化学储能系统的研究主要集中在储能配置方式和容量优化等方面［5－10］，而对电化学储能系统的发展现状、应用示范以及在电网中的功能尚缺少较为系统的论述。因此，本文对国内外的大规模电化学储能系统的发展现状和示范应用进行总结和阐述，并对其技术方向和未来发展趋势进行探讨和展望，以期为我国电力系统安全高效运行提供新的技术支持，并为未来智能电网中的的储能系统建设提供参考建议。

1 铅酸电池储能

铅酸电池是以二氧化铅和海绵状金属铅分别为正、负极活性物质，硫酸溶液为电解质的一种蓄电池，已经有140多年的历史。铅酸电池具有自放电小、电池寿命长、抗震动、比容量高、大电流性能好、高低温性能较好、价格低廉、制造及维护成本低、无“记忆效应”、电池失效后的回收利用技术比较成熟及回收利用率高等优点［3，5］，因此在近几十年中，随着铅酸电池性能的改进和成本的降低，其作为电动车用电源、不间断电源、军用电源、电力系统负荷均衡的储能电源等，已经在各个行业得到了广泛应用。

在用作储能技术方面，目前世界各地已经建立了许多基于铅酸电池的储能系统。早在1986年，德国就在柏林BEWAG 建成了1 套基于铅酸电池的8.5 MW×1h电池储能系统并投入商业运营，用于电力调峰和电网调频。1988年，美国在加利福利亚洲建立了10MW×4h铅酸电池储能系统，用于电力调峰和电能质量控制。1996年，美国在阿拉斯加的Metlakatla岛上建立了另外1 套基于铅酸电池的1.4 MW·h电池储能系统，作为离网式水力发电系统的后备电源，能够以800kW 的功率提供90 min的应急电能。2011年，美国在夏威夷又兴建了3 座铅酸电池储能系统，用于当地光伏和风电场的爬坡出力控制和备用电源。在20世纪90年代初期，西班牙首都马德里建立了1MW×4h的铅酸电池储能系统ESCAR，用于电力调峰，是欧洲首个用于电网调峰用途的铅酸电池储能系统，在用电高峰时段，该系统能够以1.2 MW 的功率提供2 MW·h的电能。国外基于铅酸电池的大型储能系统如表1所示。

中国加入世界贸易组织后，由于看好中国蓄电池市场的巨大潜力以及发达国家对铅酸电池行业的限制政策，越来越多的国外大型电池厂商选择在中国建厂或合资生产制造。目前，中国铅酸电池产量超过世界电池产量的1／3，成为世界电池的主要生产地，生产研发技术与国际先进水平差距已不明显。国内基于铅酸电池的大型储能电站很少，典型的有中国电力科学研究院电工所于2012年在河北省张北县国家风电检测中心建立的储能实验室，包含有100 kW×6 h的铅酸电池储能系统，主要功能是跟踪风电计划出力，削峰填谷，改善电能质量；浙江温州市洞头县鹿西岛并网型微网示范工程中的2 MW×2 h铅酸电池储能系统，主要功能是改善电网质量，提高电网可靠性。

表1 国外大型铅酸电池储能系统一览表Tab.1 Large－scale lead－acid battery energy storage system in foreign countries

2 液流电池储能

液流电池是正负极活性物质均为液态流体氧化还原电对的电池，最早由美国航空航天局资助设计，1974年由Thaller H.L.公开发表并申请了专利。液流电池具有循环寿命长、储能容量大、可超深度放电等优点，主要包括全钒液流电池（all－vanadium redox flow battery，VRB）、锌溴液流电池和多硫化钠／溴液流电池等。

2.1 VRB

VRB以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为电池充、放电时正、负极电极反应的活性物质，根据电解液的浓度及电池的充放电状态，电解液中的钒离子的存在形式会产生一些变化，从而对电池正极电对的标准电极电位产生一些影响，实际使用时电池的开路电压一般为1.5～1.6 V。VRB 除具有液流储能电池的优点外，由于电解质金属离子只有钒离子一种，还能够避免充放电时因为离子互串而导致的电解液污染问题，并且钒电解质溶液可循环使用和再生利用，节约资源，因此在太阳能、风能等可再生能源利用、电力系统用户端“调峰填谷”、应急和备用电源以及军事领域有着广泛的应用前景［11－13］。

VRB由澳大利亚新南威尔士大学发明［14］，从20世纪80年代中期开始，日本有多个机构参与了VRB的研发工作，并成功开发出多种不同规模的VRB 储能系统。1985年，日本住友电工与关西电力公司合作进行VRB 的研发工作，并于1996年用24个20 kW的电池组（实际功率18.8 kW）通过模块化方式串、并联连接组成了450 kW 的VRB电池组，作为子变压电站的1个基本单元进行充放电试验。2000—2002年，日本住友电工分别完成了多项各种储能容量的VRB电池组的建设，其中北海道的1套功率为4 MW×1.5 h的VRB 储能系统用于对当地30 MW 风电场的调频和调峰。目前，在日本共有15套VRB储能系统示范运行［15－16］。

澳大利亚的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型全钒液流电池储能系统（VRB－ESS）的开发上也走在世界前列［17］。2004年2月，VRB Power Systems 公 司 又 为Castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了输出功率为250 kW，储能容量为2 MW·h 的全钒液流储能电池系统，这是北美地区第1座大型商业化VRB 储能系统，主要用于电厂的削峰填谷、平衡负载。

于2000年成立的奥地利Cellstrom GmbH 公司在2008年成功开发出10 kW／100 kW·h 的VRB储能系统，系统的能量转换效率可达到80%。他们与Solong AG 光伏公司合作将该系统与太阳能光伏电池配套，用作城市电动车的充电站，在奥地利维也纳进行应用示范。

在我国，VRB研究始于20世纪90年代，中国科学院大连化物所、中国地质大学、中国工程物理研究院电子工程研究所、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先后加入到VRB的研究中来［18－19］。2008年，中国电力科学研究院电工所与中国科学研究院大连化物所合作建成当时国内最大的100 kW×2 h的VRB储能系统，在中国电力科学研究院开展试验示范。2009年7月，大连化物所又与西藏太阳能研究示范中心合作，在西藏成功安装了1套“太阳能光伏发电—5 kW／50 kW·h液流电池储电”联合供电系统。产业化方面，北京普能公司由于购买了加拿大VRB 公司，成为目前世界上唯一能够提供商业化VRB的公司。

2.2 锌溴液流电池储能

锌溴液流电池发明于19世纪70年代早期，是一种内有液体流动的电池，包含了1个电化学反应器，通过该反应器，电解液从外部储罐流入电池槽里的锌反应堆板，形成循环系统。该电解液包含了以一种盐复合物形式存在的溴，由泵输送，该复合物降低了溴的蒸汽压力，使存储和系统操作更安全，同时电解液的变化可以调整电池能量特性。锌溴液流电池理论开路电压1 182 V，总效率为75%，理论能量密度430 W·h／kg，电池可以100%深度放电，具有较高的能量密度和功率密度以及优越的循环充放电性能［20］。锌溴电池在近常温下工作，不需要复杂的热控制系统，其大部分构件由聚乙烯塑料制成，便宜的原材料和较低的制造费用使其在成本上具有竞争力。

美国Exxon和Gould公司最早介入锌溴液流电池工程化研究，而ZBB 公司后来居上，并于2001年在美国底特律1个乡间电站安装400 kW·h的锌溴电池储能系统，主要用于负荷管理。2008年ZBB 公司向爱尔兰提供了1套500 kW·h锌溴液流电池储能系统，用作储能与风能发电技术联用，在商业化进程中迈出坚实的一步。2012年，澳大利亚分别在昆士兰岛和南威尔士兴建了3座锌溴液流电池储能电站，用于对当地的可再生能源发电进行削峰填谷，进而提高本地电力系统的稳定性，改善当地电能质量。

2.3 其他液流电池储能

1984年，美国人Remick发明了多硫化钠／溴氧化还原液流储能电池，是分别以多硫化钠和溴化钠的水溶液为电池负、正极电解液及电池电化学反应活性物质的液流电池体系。20世纪90年代初，英国Innogy公司开始工程研发，2002年在英国南威尔士Aberthaw 电站安装15 MW／120 MW·h 的多硫化钠／溴储能系统开始示范运行，用于当地调峰填谷；2004年在美国密西西比的哥伦比亚空军基地建造了世界上第2 座多硫化钠／溴储能系统，规模达12 MW／120 MW·h，可为该空军基地在非常时期提供24 h储能。但是，由于无法解决电池设备中溴汽蒸发问题，目前这2个示范系统已经停运。

近年，美国又开发出氯化锌液流电池，并于2012年在加利福尼亚州 Modesto 建立 1 座25 MW／75 MW·h的示范储能电站，对当地风场和光伏电站进行调峰填谷，参与当地电能管理，延缓电网升级，降低电力成本，改善当地的电能质量。国内外基于液流电池的大型储能系统如表2所示。

3 钠硫电池储能

钠硫电池以钠和硫分别用作钠硫电池阳极和阴极，Beta－氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。钠硫电池具有原材料丰富，容量大、体积小、能量密度和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点，是一种能够同时适用于功率型储能和能量型储能的储能电池［21］。

钠硫电池最早发明于20世纪60年代中期。从1983年开始日本NGK 公司和东京电力公司合作，成功开发了用于电网储能的大容量钠硫电池。2004年7月，日本投运了1 座9.6 MW／57.6 MW·h 的钠硫蓄电池储能电站，该储能电站设计的最大功率达到20 MW，是当时世界上最大的钠硫储能电站［22］。目前运行的钠硫电池储能站大多用于电力平衡，其应用覆盖了商业、工业、电力、水处理等各个行业。此外，钠硫电池储能站还被应用于风力发电的储能，对风力发电的输出进行稳定。目前，全球已有100余座钠硫电池储能站在运行中。

美国从2002年9月开始运行第1座100 kW 试验站，2006年在西维吉尼亚州的Chemical电站开始运行第1座1.2 MW／7.2 MW·h示范站，主要用于削峰填谷，延缓了输变电设备的投资，提高了电网资产的利用率。2008年，NGK 公司在美国明尼苏达州Luverne投资兴建了1 座1 MW／7 MW·h 的钠硫电池储能系统，用于对当地11 MW 风电场的电压支持，爬坡控制和调频。目前，美国已投运的钠硫电池容量达到9 MW，还将有9 MW 于近2年投运。2009年，NGK 公司还与法国EDF公司签署为期5年的购货合同，提供150 MW 的钠硫电池系统。

我国的钠硫电池研究起步与国际同步，开始是针对电动汽车应用，90年代末被迫中止［23］。2005年9月，上海市电力公司与上海硅酸盐所联合对储能钠硫电池开展调研，于2006年8月21日，双方签订正式合作协议共同投资开发储能钠硫电池。2007年1月2日，第1 只容量达到650 Ah的单体钠硫电池制备成功，在同年5月开展钠硫电池工程化技术研究，同时成立上海钠硫电池研制基地，实行准公司化运行。2010年4月，在上海漕溪能源转换综合展示基地建成国内第1座100 kW／800 kW·h的钠硫储能电站，主要作为示范研究，为后续大规模化探索经验。

总的说来，从国际形势看，日本NGK 在钠硫电池研发、生产、商业运营和工程应用上取得了巨大的成功。从国内形势看，我国已在大容量钠硫电池关键技术和小批量制备上取得了突破，但在生产工艺、重大装备、成本控制和满足市场需求等方面仍存在明显不足，离真正的产业化还有一段较长的路要走。

4 锂离子电池储能

锂离子电池因为具有储能密度高、储能效率高、自放电小、适应性强、循环寿命长等优点，得到了快速发展。近年来，随着锂离子电池制造技术完善和成本不断降低，许多国家已经将锂离子电池用于储能系统，其研究也从电池本体及小容量电池储能系统逐步发展到应用于大规模电池储能电站的建设应用［24］。

在将锂离子电池应用于电力系统储能方面，美国处于领先位置。美国电科院在2008年已经进行了磷酸铁锂离子电池系统的相关测试工作，并在2009年的储能项目研究规划中，开展了锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，其中包括2 kW／4 kW·h、50 kW／200 kW·h、100 kW／400 kW·h 的锂离子电池储能系统；同时，美国电科院还在2009年开展了MW 级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。

表2 国内外大型液流电池储能系统一览表Tab.2 Flow redox battery energy storage system in China and abroad

目前，美国A123 Systems公司开发出2MW×0.25h的H－APU柜式磷酸铁锂电池储能系统。2008年11月，A123 Systems公司联合GE 公司，与美国AES公司与合作，于2009年在宾夕法尼亚州实施了2 MW 的H－APU 柜式磷酸铁锂电池储能系统接入电网［25］。同时，将类似的2个兆瓦级磷酸铁锂电池储能系统分别接入了加利福尼亚的2个风电场，其应用主要定位于为电力系统提供包括频率控制在内的辅助服务和新能源灵活接入。

中国是锂离子电池生产大国，以比亚迪公司为代表的电池企业十分注重锂离子电池储能的电力应用技术［26－28］。2008年，比亚迪公司开发出基于磷酸铁锂电池储能技术的200 kW×4 h 柜式储能电站，并于2009年7月在深圳建成我国第1座1 MW×4 h磷酸铁锂离子电池储能电站，其应用方向定位于削峰填谷和新能源灵活接入。

2011年，国家电网公司在张北投产运行国家风光储输示范工程，该工程项目一期配置了20 MW 的储能系统，总工程项目预计配置75 MW 储能系统，其中多数为锂离子电池储能系统，希望利用储能系统来解决在风电、太阳能发电并网过程中的几大问题：以储能平缓风电的波动；通过储能来矫正风电预测偏差；利用储能削峰填谷；通过储能调整新能源出力等。同年10月，中国电力科学研究院与福建电力科学研究院合作研制开发移动式储能电站样机，这是国内首套接入配电网末端的，将有效提高配供电能力的、功率最大的移动式储能电站。2012年6月，该移动式储能电站在福建安溪投入使用。该项目包含2套功率为125 kW×250 kW·h和1套125 kW×75 kW·h的移动式储能电站。2012年8月，辽宁锦州塘坊储能型风电场5 MW×2 h锂离子电池储能系统示范项目开始正式启动。塘坊储能型风电场项目是目前国内在电源侧建设的首批储能项目之一，也是国内发电集团建设的第1个储能型风电场项目。该储能示范项目的主要目的是提高风电场的风电电能品质、减少弃风、提高电网接纳风电能力。国内外基于锂离子电池的大型储能系统如表3所示。

表3 国内外大型锂离子电池储能系统一览表Tab.3 Large－scale lithium－ion battery energy storage system in China and abroad

5 其他电池储能

除了上述电池，国内外对其他化学储能也进行了相关研究，并取得了很大的进展［29］。

早在2003年，法国Saft公司就在美国阿拉斯加州Fairbanks建设了1座储能规模为27 MW 的镍镉电池储能系统，主要用于对当地电力系统提供无功补偿，进而改善电能质量，提高供电稳定性。

2008年，中国第1 座以春兰高能动力镍氢电池为储能系统的100 kW 国家电网上海储能电站，成功实现商业运营，并投入上海世博会使用。该储能电站可将晚上电网上多余的电能储存，为白天用电高峰时供电，实现削峰填谷，而且还可以调压调频、稳定电网。

2012年，美国Aquion Energy公司宣布在宾夕法尼亚州的Pittsburgh建设1座钠离子电池储能系统，储能规模为14 kW×4 h，主要用于电能管理、当地电压支撑、可再生能源的调频和削峰填谷，改善当地电能质量。这是目前为止，钠离子电池用于储能系统示范电站的首次尝试。

2012年，加拿大Hydrogenics公司宣布与德国意昂集团合作，赢得了欧洲的1个氢储能项目，为德国北部Falkenhagen 小镇提供2 MW 的氢储能设备。该设备主要由1个350 bar的电化学压缩机、30Nm3PEM 电解系统、90 kW 燃料电池组成，将展示和验证将可再生能源发电与加氢设施连接后的氢储能系统在技术和经济上的可行性，增加可再生能源发电量，促进电网的平衡。

2012年，澳大利亚Ecoult公司在美国西宾夕法尼亚州Lyon Station建立的1座超级电池储能系统投入运行，该系统的储能规模为3 MW×15 min，主要用于对当地电网进行频率调节与出力爬坡控制，改善电能质量，提高供电可靠性。

6 结语

通过对各种电化学储能技术形式在当前国内外的实际应用进行总结，可以看到，电化学储能因为具有转换效率高、能量高密度化和应用低成本化等优点，正在成为大规模储能系统应用和示范的主要形式，在全球范围内已有不少的实际工程项目，成功应用于电力系统的各个领域，对解决可再生能源发电并网，改善电力系统的稳定性，提高供电质量提供了新的思路和有效的技术支持。因此，世界各国，特别是发达国家，都在积极开展这方面的研究。我们也应该充分利用电力体制改革的良好机遇.积极开展这一领域的研究，为我国电力系统安全高效运行提供新的技术支持。大规模的电化学储能技术市场潜力巨大，具有越来越重要的经济价值和社会价值，在未来智能电网的建设中必将起到越来越重要的作用。

但电化学储能也存在一些问题，从电化学储能电池本身来看，不同类型电池在功率、能量方面的性能各有侧重，相比于诸多其他储能类型，电池储能功能定位需要明确，要深入研究其在不同功能应用中的适用性并进行相关示范测试。

而且电力系统的复杂环境使得单一的储能技术很难满足所有的要求，目前还没有哪一种电化学储能技术能同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本性能等大规模应用的条件，在电力系统的实际应用中，必须根据实际要求，研究不同类型电池间、电池与其他储能介质间的组合运行，提高电池的功率性能和循环寿命。将不同的电化学储能技术结合使用，充分发挥各种储能技术的特点，使其优势互补，从而提高储能系统的灵活实用性和技术经济性。因此，未来大规模多类型混合储能系统有望在电力系统中得到大力的推广和发展。

［1］张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用［J］.电网技术，2008，32（7）：1－9.

［2］程时杰.大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析［J］.电力系统自动化，2013，37（1）：3－8.

［3］俞恩科，陈梁金.大规模电力储能技术的特性与比较［J］.浙江电力，2011，35（12）：4－8.

［4］骆妮，李建林.储能技术在电力系统中的研究进展［J］.电网与清洁能源，2012，28（2）：71－79.

［5］张翼.电力储能技术发展和应用［J］.江苏电机工程，2012，31（4）：81－84.

［6］International Electrotechnical Commission Market Strategy Board.Grid integration of large－capacity renewable energy sources and use of large－capacity electrical energy storage［R］.2012.

［7］刘胜永，张兴.新能源分布式发电系统储能电池综述［J］.电源技术，2012，36（4）：601－605.

［8］田军，朱永强，陈彩虹.储能技术在分布式发电中的应用［J］.电气技术，2010（8）：35－38.

［9］秦筱迪，谢宝强，李臻，等.光储联合并网发电系统的设计与研究［J］.低压电器，2011（3）：31－35.

［10］王圆圆，谷山强，刘飞，等.光储联合电站建模与仿真［J］.水电能源科学，2012，30（5）：196－199.

［11］朱华琴，李伟善.全钒氧化还原液流电池关键材料研究现状［J］.电池工业，2008，13（1）：65－67.

［12］丁明，陈中，林根德.钒液流电池的建模与充放电控制特性［J］.电力科学与技术学报，2011，26（1）：60－66.

［13］Barote L，Weissbach R，Teodorescu R，et al.Stand－alone wind system with vanadium redox battery energy storage［C］／／2008 11thInternational Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment，Brasov，Romania：IEEE.2008：407－412.

［14］陈金庆，汪钱，王保国.全钒液流电池关键材料研究进展［J］.现代化工，2006，26（9）：21－24.

［15］张华民，张宇，刘宗浩，等.液流储能电池研究进展［J］.化学进展，2009，21（11）：2333－2339.

［16］胡国珍，段善旭，蔡涛，等.基于液流电池储能的光伏发电系统容量配置及成本分析［J］.电工技术学报，2012（5）：260－267.

［17］周筝.一种环保化学储能电池：钒氧化还原液流电池［J］.成都电子机械高等专科学校学报，2006（2）：34－36.

［18］常芳，孟凡明，陆瑞生.钒电池用电解液研究现状及展望［J］.电源技术，2006，30（10）：860－862.

［19］陈永翀，武明晓，任雅琨，等.锂离子液流电池的研究进展［J］.电工电能新技术，2012，31（3）：81－85.

［20］周德璧，于中一.锌溴液流电池技术研究［J］.电池，2004，34（6）：442－443.

［21］温兆银，俞国勤，顾中华，等.中国钠硫电池技术的发展与现状概述［J］.供用电，2010，27（6）：25－28.

［22］丁明，张颖媛，茆美琴，等.包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化［J］.中国电机工程学报，2011，31（4）：7－13.

［23］董晓文，何维国，蒋心泽，等.电力电池储能系统应用于展望［J］.供用电，2011，28（1）：5－7.

［24］甄晓亚，尹忠东，孙舟.先进储能技术在智能电网中的应用和展望［J］.电气时代，2011，1：44－47.

［25］Vartanian C，Bentley N.A123 systems advanced battery energy storage for renewable in tegration［C］／／2011 IEEE／PES Power Systems Conference and Exposition（PSCE），Phoenix，AZ，USA：IEEE.2011：1－7.

［26］沈晓彦，黄钟琪，周建新.锂电池在风光发电储能系统中的应用分析［J］.电源技术，2011，35（5）：602－604.

［27］Kim T，Qiao W，Qu L Y.Power electronics－enabled selfxmulticell batteries：a design toward smart batteries［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2012，27（11）：4723－4733.

［28］王育飞，王辉，符杨，等.储能电池及其在电力系统中的应用［J］.上海电力学院学报，2012（5）：417－422.