浅谈电化学储能技术在电力系统用户侧的应用

凌震宇

上海电力绿色能源有限公司 上海 200126

引言

自20世纪90年代起，我国已经逐渐针对电力需求侧管理技术进行大力推广，而电力需求侧在管理工作中主要是针对企业或者是终端用户实现的精细化管理以及对企业用电进行全方位管理。在当前电力系统节能服务工作中，企业越来越重视用户侧的节能手段，在该过程中逐渐产生可观的收益。并且作为以节能服务为主的相关企业，以用户侧作为节能工作的重心逐渐成为当前新兴行业的重要节点。通过对用户当前节能状况，以及用户潜在的节能潜力，提出更加高效的节能减排方案。过去在电力系统中，发电、用电可以同时进行，如此导致在用电高峰的时候所造成的发电压力是非常大的，但是在用电低谷的时候往往又出现大量的电力被闲置，导致大量电力资源被浪费。电力系统中储能技术的应用可以帮助电力系统中生产调动更加顺利，可以有效地提高电力设备利用率，降低电网压力，在电力系统应用中更好的保证用电安全，降低故障发生的概率，如此不仅可以降低电网建设以及电网维护的资金投入，并且可以实现现有的外延扩张性的发展模式逐渐转变为内涵增效型，在电力系统用户侧的应用更加广泛、高效。

1 电化学储能技术的意义与作用

在传统电力系统能源供应中主要以煤炭能源为主，但是目前世界上煤炭能源逐渐匮乏，并且生态环境也在不断的恶化之中，所以新能源技术的研究与发展是必然趋势，新能源发电系统规模正在不断的扩大，在当前电力应用中所发挥的角色越来越重要。在传统的发电模式中，比如火力发电，一般根据电网的用电需求整个过程需要进行发电、输电、配电以及用电等几个步骤进行电力的调度和调整；而新能源，例如风能、太阳能等为基础的新能源技术更多的是依赖自然资源，所以受自然环境的影响比较大，整个发电过程的波动性和间歇性比较明显，因此在发电过程中想要进行合理的调节控制比较困难，并且将此类电力发电并网之后所带来的不利影响也是巨大的。而电化学储能技术的应用对于新能源发电的波动性以及间歇性可以起到很好的缓解作用，从而使得电网的运行更加安全稳定，尤其是在用户侧应用中更加稳定，大大提高用电效率，降低自然环境对新能源发电的影响，让其优势更加突出。

在传统的电网发电中，电网负荷始终处于动态平衡状态，也不会发生储能问题，但是电力的动态平衡状态所带来的问题是用电高峰会面临巨大的用电压力，而在用电低谷会造成大量的电力资源被浪费，所以这种供电模式已经逐渐不适用于当前新兴社会发展模式，尤其是对于之后的电力调度管理以及安全维护等工作带来了更多的不便之处。同时伴随着电力系统的应用越来越重要，想要维持用电高峰期的用电稳定性，必然需要投入大量的资金用于输电设备购置，导致电力设备的总利用降低，提高用电成本。而电化学储能技术的引入，不仅有效的提高电力应用率，供电用电不会在同一时段产生波峰，因此对维持电力平衡状态有着极为重要的意义。在这种新的储能理念的推动之下电网的结构、规划设计、输配电调度等也将发生根本性的变革。

2 电化学储能技术的应用现状

所谓的电化学储能技术实际上就是通过化学反应实现化学能和电能之间的转换，借此进行能量存储。电池是在电化学储能中最常用的载体之一。而电池发展至今种类众多，并且其内部材料以及工作原理都存在非常大的区别，但是其内部核心大同小异，基本都是由正极、负极、隔膜以及电解质组成。其储能的过程为化学反应正极失去电子发生氧化反应，负极得到电子发生还原反应。电化学储能技术是当前一种被广泛关注的储能形式，使用该储能方法的优势是根据不同的应用需求自由的进行配置，受地理因素的限制非常小，在大规模实际应用中非常适合，但是使用电化学储能的缺点是使用寿命比较短，并且成本比较高，这是目前电池在实际应用中的最大阻碍。目前锂离子电池、铅酸电池等相关研究逐渐趋于成熟，而大规模储能电池如钠硫电池、全钒液流电池等也取得了一定的研究成果。

3 用户侧储能应用

3.1 充电站

目前在用户侧储能应用中比较常用场景为光储充一体化应用，使用该体系的主要优势为不仅可以有效缓解在充电高峰期充电桩在大量应用时所产生的大电流充电区域对于电网所造成的冲击，另一方面可以通过电力应用峰谷差价为充电站的应用带来较大的经济效益，目前充电站已经在各大区域试点建设。

3.2 用户侧储能电池的选择

目前在用户侧储能电池选择中因为电化学储能技术比较成熟并且适用范围比较广，因此应用也相对比较广泛。综合电池各方面的指标以及用户侧使用的基本情况统计分析，不同电池的应用性能对比如下：首先全钒电池具有非常高的循环次数，但是全钒电池的能量密度低，需要维护的成本比较高，而锌镍电池其本身的性质存在问题，所以在实际应用中很难进行推广。而铅炭电池在初期使用中由于其成本相对较低，并且可以回收利用被广泛应用，通常铅炭电池的折旧回收率大约为30%，其成本优势还是十分明显的，但是在实际应用中铅炭电池的充放电倍率较低，每天仅能完成充放电一次，而且铅炭电池的占地面积比较大，造成的环境压力比较大。目前比较流行并且应用比较广泛的电池为锂电池，锂电池的优势为能量较高，尤其是近年来锂电池汽车的发展，使得锂电池的研究正在如火如荼的进行当中，在未来其成本的下降空间还是很大的，但是和磷酸铁锂电池相比较来说三元锂电池在应用中引发火灾的可能性较大，所以在大规模调峰储能电站中并不适用。

4 电化学储能效益分析

4.1 储能削峰填谷以及发电容量效应

理论上电力系统的最大装机量的判定标准是最大发电负荷进行，如果说负荷曲线的顶端尖峰部分负荷维持的时间比较短，也就是说可以通过削峰填谷的方式降低发电装机容量，以此来降低建设成本，通过该方法不仅可以有效提高整个电力系统的运行效率，同时也可以降低检修费用，提高使用寿命，提高经济效益。

4.2 提高紧急事故备用

伴随着用电需求的增加，超高压直流电大规模介入，而受端电网基本使用直流电取代大量常规机组，使得系统在运转时其转动惯量会出现大幅度的下降，电化学储能的优势在于可以快速启动，从空载到满载的时间可以控制在秒级，因此作为紧急事故备用再合适不过，可以有效防止电力系统崩溃。

4.3 提高新能源的发电渗透率

伴随着我国能源需求越来越大，传统发电模式受各种原因影响逐渐被新能源发电取代，但是光伏发电、风力发电受自然因素影响较大，间歇性和随机性是自身固有属性，无法向传统发电模式一样制定准确的发电计划，如此在电网运行的时候其压力可想而知。而电化学储能的应用可以有效弥补其间歇性和随机性，有助于平衡负荷波动，降低新能源在并网的时候对电网正常运行的影响，提高其发电渗透率。

5 实施案例

以国内某小镇为例：化学储能容量为1MW/6MWh，每250kW/1500kWh为一个单元，共计4个单元。每个单元电池分系统经过1台250kW变流器与微网直流配电系统换能柜相连，变流器可实现电能的双向转换：在充电状态时，变流器将电能从交流整流为直流储存到储能装置中；在放电状态时，变流器将储能装置储存的电能逆变为交流送进配电网。储能系统主要由储能电池组、电池管理系统（BMS）、储能双向变流装置（PCS）、储能监控系统等组成。在外部电源失电的情况下，储能系统还能作为后备电源为整个小镇的电网系统的重要负荷不间断电，同时在离网状态下，提供微电网电压电流支撑。通过本项目的建设可以探索储能电站交叉使用的模式，实现园区内电网及用户互利共赢局面。

6 总结

在传统电网的改造过程中储能产业的重要性在智能电网建设中的重要性愈发凸显，目前相对比较成熟的是抽水储能，但是发展前景最为广阔的便是电化学储能，电化学储能技术已经在电网稳定性的维持和微网可再生发电等领域得到了广泛的应用。对于电力用户来说，化学储能电池系统响应速度快，可以在电网常规电源故障情况下提供快速及时的电力响应，保障用户的用电可靠性。化学储能电池系统对园区电力缺口具有重要贡献意义，可以减少增加装机容量。在作为用户侧储能投入使用，同时还可起到兼顾电网侧储能调峰作用。

目前在电化学储能应用中最为广泛的就是锂离子电池，但是在实际应用中电池的使用安全性需要进一步提高，而成本需要进一步降低。在大规模储能系统应用中比较具有发展前景的是铅炭电池，但是其制作工艺和负极析氢问题还需要进一步优化和改进。

经济的发展和能源是息息相关的，伴随着我国经济社会的不断发展，传统能源供应已经逐渐无法满足当前社会发展能源需求，能源行业也在面临着行业改革，电力行业的发展速度直接影响其他行业的发展，在社会新形势发展背景之下电力行业想要得到长足发展，不需做到不断加强用户侧的服务，提高电化学储能技术在用户侧的应用，提高能源利用率，降低能耗成本，全面提高企业效益和社会效益，实现企业和用户双赢。