锂电池储能技术及其在电力系统中的应用研究

锂电池储能技术及其在电力系统中的应用研究陈蓓李劲齐亮上海电气集团股份有限公司中央研究院（200070）陈蓓（1985年11月~），女，华东理工大学控制科学与工程专业毕业，博士。从事储能技术、电力电子方面的探索研究工作。联系邮箱：[e-mail]摘要：本文首先介绍了储能产业的国内外发展情况，然后对锂离子电池储能技术的研究现状进行了重点阐述，并对储能技术在电力系统中的应用情况进行统计，分析了锂离子电池储能技术的优势应用领域，列举了国内外较具代表性的锂离子电池储能示范工程。综合考虑规模等级、设备形态、技术水平和经济成本，锂离子电池储能技术具备大力推广的潜力，但还需克服技术难点，朝着高安全、长寿命、低成本的目标努力发展。关键词：锂离子电池；储能技术；电力系统中图分类号：TM911.14OnlithiumbatteryenergystoragetechnologyanditsapplicationinpowersystemAbstract:Inthispaper,thedevelopmentoftheenergystorageindustryandtheresearchofthelithiumbatteryenergystoragetechnologyarediscussed.Byanalyzingtheapplicationsoftheenergystoragetechnologiesinpowersystem,thedomainapplicationoflithiumbatteryenergystoragetechnologyareinvestigated,andsomerepresentativelithiumbatteryenergystoragedemonstrationprojectsaregiven.Consideringthescalelevel,thedeviceforms,technologyandeconomiccost,lithiumbatteryenergystoragetechnologyhasthepotentialtopromote,butalsoneedtoovercometechnicaldifficultiestowardhighsafety,longlife,andlow-costdevelopmentgoal.KeyWords:lithiumbattery;energystoragetechnology;powersystem引言日益突出的环境问题和资源问题促进了新能源的迅猛发展，目前，这些可再生能源的发展面临电力品质差和并网难的瓶颈问题。同时，现阶段用户对电能质量和电力品质要求越来越高，传统的电力系统已经不能很好地满足用户的需求，智能电网和微电网等电网新技术应运而生。储能技术是解决新能源发电并网、建设智能电网和微电网的关键技术，将迎来巨大的市场机遇。作为新兴产业，储能在2008年之后一直保持较快增长，据中关村储能产业技术联盟（ChinaEnergyStorageAlliance，CNESA）项目库不完全统计，全球储能项目在电力系统的装机总量已经从2008年的不足100MW发展到2013年10月的726.7MW（不包含抽水蓄能、压缩空气储能及储热），年复合增长率达到193%。从地域分布上看，无论是项目数量还是装机规模，美国与日本仍然是最主要的储能示范应用国家，分别占41%和39%的全球装机容量份额。根据市场调查公司PikeResearch的报告数据，全球储能市场将在未来十年实现100倍的增长，此间将吸引投资额1220亿美元。欧洲储能协会(EASE)副会长杰里斯•瑞德斯戈尔德(JillisRaadschelders)表示，到2030年，储能市场的规模累计将达5000亿欧元。本文首先对储能产业的国内外发展情况进行阐述，然后重点对锂离子电池储能技术及其在电力系统中的应用研究展开分析。1.国内外发展概况美国是储能发展较早的国家，目前拥有全球近半的示范项目，并且出现了若干实现商业应用的储能项目。美国同时还是多种储能技术的发源地，同时也代表着这些技术发展的最高水平。美国储能技术的发展和应用与政府政策的支持密不可分。美国储能相关政策具备全面性和可持续发展的特征，同时辅助于大规模的政府资金支持。2009年上半年，美国政府拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发。同年11月，美国能源部又拨款近2亿美元支持规模化储能技术研发。2013年6月，加州将储能纳入输配采购及规划体系中，推动输电、配电等环节配置储能，解决电网管理问题。目前该项计划已经吸引了大批风险投资的涌入。受限于国内资源匮乏，日本是最早、最积极发展新能源和储能的国家之一。经过2011年福岛核电站事故后，日本将推动户用储能作为产业扶持的重点。2012年4月出台家庭储能系统补助金政策。用户在购买获得SII认证机构认可企业的新能源产品、严格按要求安装并通过SII机构的审核后，便能获得所购买新能源产品总价值1/3的补助，最高可获得100万日元补助金。在这项政策的支持下，2013年，越来越多的储能系统获得补助并投放市场。另外，日本在推动智能电网/智能城市建设方面处于国际先列。日本经济产业省确定的横滨市、丰田市、关西文化学术研究都市、北九州市4个地区目前正进行实证实验，从能源管理系统、需求侧响应、电动汽车（EV）与家庭的互动设计、蓄电系统的优化设计及智能交通等方面实现区域内能源的整体优化使用。不仅在日本，全球智能城市或社区的规划与建设也成为热点，储能在这一领域的市场前景也十分广阔。为应对“弃核”政策，德国正在持续发展风能、光伏等可再生能源。2013年，相比其它国家，德国在推动储能产业方面的动作较大，2013年和2014年2年共计划投资5000万欧元，对新购买储能系统的用户直接进行补贴，有效地促进了户用储能市场的发展。目前已有30MW的项目获得补贴，国内外公司也纷纷抢占市场，如博士公司推出一款针对德国住宅光伏市场的产品，可以满足一个典型的四口之家80%及以上的电力需求；LG化学公司联合德国SMA公司开发符合德国补贴标准的家用能源管理系统等。这一补贴政策的实施是推动储能产业市场化的重要里程碑，用户已经开始意识到安装光伏储能系统实现自发自用所带来的价值，市场对储能系统的投资有望大幅增加。据预测，由于这一储能补贴计划的出台，德国在未来5年的储能装机容量有望达到2GW·h。印度、马来西亚、印尼等东南亚国家是微电网的新兴市场。这些地区海岛众多，无电人口比例大，有些岛屿的无电人口覆盖率甚至高达70%。鉴于这些岛屿的地理因素和经济状况，微电网成为唯一的解决方式。目前这些国家的政府已经发布解决无电人口的目标与计划，马来西亚沙巴洲、Mersing群岛等已经成功引进微网系统解决当地供电问题，更多的岛屿对包括储能在内的微网技术的需求在增加。欧盟电网计划（EEGI）近期发布了《欧洲储能创新图谱》报告，对欧洲14个国家储能研究、开发与示范项目进行了统计分析。在过去5年，这些国家公共投资和受到欧盟委员会直接资助的项目总数达到391个，总投资额9.86亿欧元。大部分经费投资于电化学储能（主要是电池）、“电力转换气体”（power-to-gas）以及蓄热技术。从分析结果来看，储能领域大部分工作还处于研究阶段，部分达到了首次中试阶段，仅有非常少的项目推进到了示范或预商业化阶段。在中国，截至2013年10月底，累计运行、在建及规划的储能项目总量近60个，装机规模超过75MW，其中分布式发电及微网型储能项目是最多的，如东福山岛风光储柴项目、南麂岛微网项目、西藏阿里光伏储能项目、青海玉树分布式光水蓄互补系统等。储能在该领域的迅速发展，既是偏远地区无电人口用电问题亟需解决的迫切市场需求，也是中国政府产业政策推动的结果。2011年3月份，我国《十二五规划纲要》中，首次提到依托储能等技术推进智能电网建设；2011年7月，科技部发布的《国家“十二五”科学和技术发展规划”》中把储能作为智能电网建设的关键技术，将储能列为战略必争领域；2011年10月20日，国家发改委颁布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2011年度）》中将储能技术作为先进能源的第一项提出，重点支持的储能技术包括锂离子电池、钠硫电池、钒电池、燃料电池等四种。国家能源局2011年12月发布的《国家能源科技“十二五”规划（2011‐2015）》中指出，“十二五”期间，我国可再生能源还将继续大规模发展，《规划》指出，到2015年可再生能源发电量要争取达到总发电量的20%以上。《规划》中最能体现储能机遇的是，到2015年，我国将建成30个新能源微电网示范工程，这些示范工程以智能电网、物联网和储能技术为支撑，“自发自用、余量上网、电网调剂”是其目标。国家电网2013年3月发布的《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》中指出，推进分布式发电发展，加快新能源开发利用，提高能源效率，减少化石能源消费，促进节能减排和非化石能源发展目标的完成，强调了储能技术在分布式发电中的重要应用。储能系统能否以设备形态应用于电力系统是决定其能否得到大规模推广应用的重要因素，也就是说，投入应用的储能系统应易于批量化和标准化生产，便于控制与维护，可以作为电力系统中的一类设备，而不是以工程形态出现。在众多储能方式中，电池储能是契合设备形态需求较好的一种储能技术[1]。2.锂离子电池储能技术研究现状锂离子电池储能系统的关键设备主要包括储能电池、电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）、能量转换系统（PowerConversionSystem，PCS）和监控系统四部分，系统拓扑结构如图1所示。图1锂离子电池储能系统拓扑结构图2.1储能电池近年来，锂离子电池技术发展迅速，在材料制备、制造工艺和电池性能上和国际水平差距不大。目前，国内作为动力电池使用的单体锂离子电池技术已较为成熟，包括比亚迪、微宏在内的多个电池厂家能提供现成产品，对于储能用的电池，关键技术为大规模电池成组技术以及成组后的科学管理。成组示意图如下所示：图2电池成组示意图电池的成组设计需要考虑：1）根据母线电压、功率等确定电池容量；2）串并联联接方式，确保电池之间可靠、安全联接；3）散热结构设计；4）冗余设计，考虑电池更换问题。2.2电池管理系统电池在生产和使用过程中，会造成电池的自放电率、内阻、电压、容量等参数的不一致，这种差异表现为电池组充满或放完时串联电池之间的电压、容量的不相同。如图3所示。图3锂离子电池容量不一致示意图电池不均衡时，使用时易发生过充和过放现象，放电时电压过低的电芯会被过放，充电时会过充，电池组的离散性增加，容量最低的电池将决定整个电池串的总容量。电池管理系统通过监控和管理储能电池，实现电池成组后的智能化管理，确保系统安全可靠运行，也最大限度延长电池寿命，并将电池信息传输给相关子系统，为系统整体决策提供判断依据。国内包括高特、钜威新能源、海博思创等公司已经能提供基于较高采样精度的BMS产品，技术难点为大规模单体电池成组后的电池一致性问题，关键技术是电池电量一致性均衡技术和高精度电池荷电状态（SOC）估算技术。其中，均衡技术是指通过调整单节电池充电电流方式，保证系统内所有电池的电池端电压时刻具有良好的一致性。SOC估算技术是指通过在充放电过程中在线实时监测电池容量，随时给出电池系统的剩余容量，将电池SOC的工作范围控制在合理范围内。目前主要采用的SOC估算方法有开路电压法、安时积分法、内阻法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。2.3能量转换系统能量转换系统是储能系统中的关键设备，起到电池储能系统直流电流与交流电网之间的双向能量传递作用。用于储能系统的能量转换系统不同于光伏逆变器和风电变流器，光伏逆变器是电能从电池板到电网的单向流动，风电变流器只保证输入输出功率平衡。用于储能系统的能量转换系统既要与电池接口完成充放电管理，又要与电网接口实现并网功能。目前，面向大容量储能系统的PCS拓扑结构尚未统一，为了适应不同的