MW级大容量锂电池储能电站自主研发集成报告

MW级大容量锂电池储能电站自主研发集成报告，结合国内外大容量锂电池储能系统发展现状及锂电池储能电站的技术成熟度与风险评估，阐述了如何发展并推广储能电站建设。MW级大容量锂电池储能电站自主研发集成报告1、国内外大容量锂电池储能系统发展现状近年来，储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能的储存形式可具体分为机械、电磁、电化学电池三大类型。其中电池储能近年来受到越来越多的关注。铅酸电池作为最早的电化学电池之一，已经历了近150年的发展历程。利用铅酸电池构建大容量储能系统接入电网，作为移峰填谷的应用，最早开始于1980年代。然而，铅酸电池循环寿命较短（平均循环寿命为500～1500次）而且在高温下寿命会缩短，能量密度和功率密度较低（30～50Wh/kg、75～300W/kg），且在制造过程中存在一定的环境污染，这使得常规电池远远满足不了大容量接入电网的要求。因此，近年来世界各国大力研究高级电池（advancedbattery），例如，钠硫电池，液流电池等，其中锂离子电池是高级电池中一种有广泛应用潜力的电池。《2009年美国复苏与再投资法案》中预算20亿美元，用于鼓励高级电池在电力系统中的应用，其中，就包括锂离子电池。随着锂离子电池性能和安全性的提高，以及成本的降低，由于其具有能量密度高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长的特点，逐步受到业界的关注和重视。从锂离子电池使用的正极材料角度可以将目前的锂离子电池分为：（LiCoO2）钴酸锂电池、（Li（NiCoMn）O2）三元材料电池、（LiMn2O4）锰酸锂电池以及（LiFePO4）磷酸铁锂电池等。钴酸锂电池由于在充电和高温状态下存在安全问题，且钴是稀贵资源，其成本高，因此钴酸锂电池不宜在大容量电池储能中采用。锰酸锂电池正极材料资源丰富、价格低廉，安全性好，无环境污染，近年来取得重大突破，已在电动公交车中尝试应用。三元材料锂电池是钴酸锂电池的替代产品，其相对安全、成本较低，钛酸锂电池是三元材料锂电池的一种。磷酸铁锂电池，与传统的钴酸锂电池相比，能量密度为钴酸锂电池的75％，但在制造成本、安全性、循环寿命等方面有明显的优势。目前，锂离子电池在交通行业（电动汽车）得到了广泛应用。2007年美国锂离子电池的市场销售量为10亿美元，并且预计每年有50-60％的增长幅度。但是，锂离子电池大容量集成接入电网的应用直到2008年10月后才开始有报道。美国A123Systems公司已开发出2MW×0.25h的H-APU柜式磷酸铁锂电池储能系统（HybridAncillaryPowerUnit），2008年11月，A123Systems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2MW的H-APU柜式磷酸铁锂电池储能系统接入电网。同时，将类似的2个MW级磷酸铁锂电池储能系统分别接入了加利福尼亚的两个风电场。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。南加州爱迪生电力公司（SouthernCaliforniaEdison）于2009年8月计划投资6千万美元（其中2.5千万美元由美国能源局补贴），利用A123Systems的设备建设当今世界上最大的锂离子电站（32MWh）;印第安纳州的Power&Light公司于2008年7月对美国另外一个主要锂离子电池生产商airnano公司的2个1MW/250kWh（4C充放）的锂离子储能系统进行了测试。在国内，深圳比亚迪公司已开发出基于磷酸铁锂电池储能技术的200kW×4h柜式储能电站和1MW×4h储能示范站（目前实际投入运行330kW×4h），其应用方向定位于削峰填谷和新能源灵活接入。总之，全世界范围内的大容量锂离子电池储能系统目前还处于试验与示范阶段，没有形成成熟的成套装备产业，但是，大容量锂离子电池储能系统在电力系统中的应用发展势头迅猛，发展潜力巨大。2、锂电池储能电站的技术成熟度与风险评估电池储能电站的关键设备主要包括电池、电池管理系统（BMS）、站内监控系统和电力电子变流器（PCS）四个部分。目前，国内作为动力电池使用的单体锂电池技术已经成熟，包括比亚迪公司在内的多个电池厂家能提供现成产品，但大规模电池成组使用技术有待成熟，成组后电池的一致性与寿命管理尚待完善;在电池监控系统方面，国内已有基于信号采集的简单BMS系统的产品，但尚不具备对大规模电池组进行管理控制的能力，尤其在大规模单体电池成堆成组后，电池一致性问题成为影响电池寿命的关键环节，而采用电池均衡技术则是目前技术的发展前沿，国内目前在电池动态均衡技术刚刚起步，大规模应用少有报道，其中凹凸科技公司的电池管理系统技术水平在国内处于前沿，从对外报道来看也仅能同时管理5节单体电池，实现动态均衡;站内监控系统，目前在电力系统应用广泛，技术已经比较成熟，但主要为传统的监控功能，对于储能电站，还需实现对电池堆的有效管理以及承担储能站的高级应用控制功能，目前市场上已有的产品无法满足上述技术需求，需要在现有的厂（站）监控平台上进行二次深化开发;相比较而言，电力电子变流器（PCS）是四者当中技术成熟度最低的一个，下面具体进行分析。电力电子变流器（PCS），是实现直流储能电池与交流电网之间的双向能量传递，将储能电池接入电力系统的关键设备。国外实际工程的统计结果显示，在电池储能系统中，PCS的成本占到整个系统成本的25％以上。目前，传统功率单向流动的并网逆变器型PCS装置在包括太阳能、风能在内的分布式发电技术中的已有广泛的应用。国内从事电力电子变流器行业的企业也主要集中于光伏和风力发电等新能源应用领域，市场上还没有专门针对储能电站应用的双向变流器的成熟产品。下面从风电、光伏及STATCOM等的应用情况来分析目前国内外电力电子变流器（PCS）及其应用技术的发展水平以和技术成熟度情况。在风电变流器领域，根据2008年10月出版的《中国风电研究报告2008》的研究结果，在我国风力发电装备产业链中，尽管零部件产业化情况有了较大的进展，但是风电机组的控制系统和变流系统等核心部件的产业化程度较低，仍然是国内风电设备制造业中最弱的环节。风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一，也是目前风电制造行业国产化水平较低的部件之一。一直以来国内变流器市场被ABB等几家外资巨头垄断，但是国家近几年发布了关于风力发电方面的一大批科技支撑计划项目，在风电机组控制系统及变流器的研发及产业化方面投入了大量资金，促进了国内风电变流器企业的发展。目前，在华提供风电变流器的主要外资企业有：ABB（瑞士），科孚德机电Converteam（法国阿尔斯通），美国超导公司AMSCWindtec，艾默生网络能源有限公司（美国），施耐德电气（法国，已并购Xantrex）;国内目前能提供1.5MW以上风电变流器的厂家有合肥阳光电源，北京科诺伟业，黑龙江九洲电气，北京清能华福，国电龙源电气，成都东方日立，株洲南车时代，北京四方继保、海得控制等，在研以及拟建项目有国电南瑞（在研），北京荣信股份（拟建项目），山东新风光电子科技发展有限公司（全功率变流器在研），甘肃天水电传（长城电工，拟建项目）等。风电变流器分为双馈型变流器和直驱型全功率变流器两种。目前国内绝大部分企业提供的都是双馈型变流器，1.5MW双馈型机组所使用的变流器容量为500kW;金风公司研制的国内首个1.2MW直驱型风电变流器，近期已经投入市场。在光伏发电领域，成立于1981年的艾思玛（SMA）是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50％以上），占全球市场33％左右的市场份额，是全球光伏逆变器第一大生产供应商，第二位是Fronius，全球前七位的生产企业占领了74％的市场份额。2008年国内光伏逆变器的进口量为13.6MW，其中德国是最主要的进口来源地，占全部进口量的70％，主要的供货企业包括艾思玛（SMA）、KACO、康能（Conergy），其次为奥地利占7％，主要的生产企业为Fronrius，瑞士占6％，主要的厂商为Sputnik、Studer。国内生产光伏逆变器的厂商有合肥阳光、北京索英、北京科诺伟业、志诚冠军、北京日佳、南京冠亚、北京四方继保等企业。目前，我国在中小功率光伏逆变器上与国外处于同一水平，在500kW以上大功率并网逆变器上，合肥阳光电源等国内企业已经可以提供。总体上说，在大容量光伏逆变器方面，国内企业已接近国外企业的技术水平，不过在装置模块化设计、系统集成、检测技术以及稳定性可靠性方面还存在一定差距。在STATCOM相关领域方面，由清华大学和原河南省电力局合作研制的±20MVA的STATCOM，1999年在河南省洛阳市朝阳220KV变电站投入试运行，并于通过了相关科技鉴定。这是目前国内唯一的具有自主知识产权的且经过运行鉴定的大容量STATCOM装置;2006年，由上海电力公司、许继电源有限公司和清华大学合作完成的采用IGCT器件的±50Mvar链式STATCOM装置在上海西郊变电站投运成功，并通过了国家电网公司组织的专家验收。与风电和光伏等可再生能源并网领域不同的是，大规模电池储能系统的应用对于变流器（PCS）的技术要求更高，主要表现在以下几个方面：（1）PCS既要与电池组接口完成充放电管理，又要与电网接口实现并网功能。在光伏逆变器中，电能是从电池板到电网单向流动的，而且光伏电池特性平稳，控制相对简单;在风力发电中，变流器秩序保证输入输出功率平衡即可，无需进行能量管理。（2）大规模电池储能电站中，并网只是对PCS的最基本要求，PCS更重要的任务是要与电网配合实现诸如移峰填谷、调频调峰、孤网供电、动态无功支持、电力系统稳定器以及改善电能质量等多种系统级应用功能。PCS不再是一个独立的并网装置，而是需要与电力系统进行频繁互动的系统级设备。（3）上述与电网互动的高级应用功能，PCS难以单独完成，而是需要和储能电站的监控系统进行协调控制，即PCS只是储能电站控制系统中的一个环节（4）光伏、风电等并网应用中，PCS只在电网稳态情况下工作，在电网发生故障时仅需要保持一定时间不脱网即可;而电池储能电站的大多数应用是针对电网的故障状态，PCS需要实时主动监测系统电压、频率等信息，并随时响应AGC、AVC等系统调度指令，一旦系统发生异常或故障，需要其快速做出响应，在小于秒级的时间内迅速调整有功和无功出力，在关键时候微电网提供最有力的支撑，将故障造成的损失降至最低。而在MW级以上大规模储能系统的应用方面，国内外尚无批量生产的产品，国外ABB、GE等大公司也只是有屈指可数的几个示范项目。在国内，这个领域几乎还是空白。目前已见报道的只有上海世博会储能项目中的100kW变流器（思源电气研制）、浙江省电力试验研究院微网实验室项目中的100kW双向变流器（清华和北京四方继保联合研制），以及深圳比亚迪公司自建的200kW储能电站示范项目（比亚迪自行研制，PCS容量100kW），500kW以上的储能双向变流器国内还还未见报道。其中，在上海世博会和比亚迪的储能项目中,PCS的高级应用策略实现了移峰填谷的基础功能;而浙江省电力试验研究院微网实验室项目在应用策略方面，除了实现移峰填谷外，还在系统调频、与可再生能源接入配合以及孤网供电等方面进行了研究和尝试。然而，该系统为容量有限的实验室应用，其与大容量储能电站并网运行的应用要求相比，还有很多需要进一步研究完善的地方。综合以上分析，开展MW级锂电池储能电站存在以下技术风险：1）3万节以上单体构成的锂电池系统的成组技术、运行维护、SOC以及SOH等状态估计与监测技术，国内没有相关的工程经验。2）适合于MW级储能电站应用的大容量PCS目前国内没有相关产品，需要完全自主研发。3）在MW级锂电池储能电站中的控制技术上，既要考虑PCS与锂电池的接口技术，在保证大容量锂电池的使用寿命和安全性的条件下，合理的对电池进行充放电管理;同时，还要考虑以PCS作为接口的电网接入技术，考虑PCS满足电力系统运行的要求，发挥移峰填谷、调峰调频、无功调节、孤岛运行等功能。4）MW级大容量储能