1、. 鋰電池儲能技術及其在電力系統中的應用研究蓓勁齊亮電氣集團股份中央研究院200070蓓1985年11月，女，華東理工大學控制科學與工程專業畢業，博士。從事儲能技術、電力電子方面的探索研究工作。聯系：chenbeishanghai-electric.摘要：本文首先介紹了儲能產業的國外開展情況，然后對鋰離子電池儲能技術的研究現狀進展了重點闡述，并對儲能技術在電力系統中的應用情況進展統計，分析了鋰離子電池儲能技術的優勢應用領域，列舉了國外較具代表性的鋰離子電池儲能示工程。綜合考慮規模等級、設備形態、技術水平和經濟本錢，鋰離子電池儲能技術具備大力推廣的潛力，但還需克制技術難點，朝著高平安、長壽命、低

2、本錢的目標努力開展。關鍵詞：鋰離子電池；儲能技術；電力系統中圖：TM 911.14On lithium battery energy storage technology and its application in power systemAbstract: In this paper, the development of the energy storage industry and the research of the lithium battery energy storage technology are discussed. By analyzing the applicati

3、ons of the energy storage technologies in power system, the domain application of lithium battery energy storage technology are investigated, and some representative lithium battery energy storage demonstration projects are given. Considering the scale level, the device forms, technology and economi

4、c cost, lithium battery energy storage technology has the potential to promote, but also need to overe technical difficulties toward high safety, long life, and low-cost development goal.Key Words: lithium battery; energy storage technology; power system引言日益突出的環境問題和資源問題促進了新能源的迅猛開展，目前，這些可再生能源的開展面臨電力品

5、質差和并網難的瓶頸問題。同時，現階段用戶對電能質量和電力品質要求越來越高，傳統的電力系統已經不能很好地滿足用戶的需求，智能電網和微電網等電網新技術應運而生。儲能技術是解決新能源發電并網、建立智能電網和微電網的關鍵技術，將迎來巨大的市場機遇。作為新興產業，儲能在2008年之后一直保持較快增長，據中關村儲能產業技術聯盟China Energy Storage Alliance，ESA工程庫不完全統計，全球儲能工程在電力系統的裝機總量已經從2008年的缺乏100MW開展到2013年10月的726.7MW不包含抽水蓄能、壓縮空氣儲能及儲熱，年復合增長率到達193%。從地域分布上看，無論是工程數量還是裝

6、機規模，美國與日本仍然是最主要的儲能示應用國家，分別占41%和39%的全球裝機容量份額。根據市場調查公司Pike Research的報告數據，全球儲能市場將在未來十年實現100倍的增長，此間將吸引投資額1220億美元。歐洲儲能協會(EASE)副會長杰里斯瑞德斯戈爾德(Jillis Raadschelders)表示，到2030年，儲能市場的規模累計將達5000億歐元。本文首先對儲能產業的國外開展情況進展闡述，然后重點對鋰離子電池儲能技術及其在電力系統中的應用研究展開分析。國外開展概況美國是儲能開展較早的國家，目前擁有全球近半的示工程，并且出現了假設干實現商業應用的儲能工程。美國同時還是多種儲能技

7、術的發源地，同時也代表著這些技術開展的最高水平。美國儲能技術的開展和應用與政府政策的支持密不可分。美國儲能相關政策具備全面性和可持續開展的特征，同時輔助于大規模的政府資金支持。2009年上半年，美國政府撥款20億美元用于支持包括大規模儲能在的電池技術研發。同年11月，美國能源部又撥款近2億美元支持規模化儲能技術研發。2013年6月，加州將儲能納入輸配采購及規劃體系中，推動輸電、配電等環節配置儲能，解決電網管理問題。目前該項方案已經吸引了大批風險投資的涌入。受限于國資源匱乏，日本是最早、最積極開展新能源和儲能的國家之一。經過2011年福島核電站事故后，日本將推動戶用儲能作為產業扶持的重點。201

8、2年4月出臺家庭儲能系統補助金政策。用戶在購置獲得SII認證機構認可企業的新能源產品、嚴格按要求安裝并通過SII機構的審核后，便能獲得所購置新能源產品總價值1/3的補助，最高可獲得100萬日元補助金。在這項政策的支持下，2013年，越來越多的儲能系統獲得補助并投放市場。另外，日本在推動智能電網/智能城市建立方面處于國際先列。日本經濟產業省確定的橫濱市、豐田市、關西文化學術研究都市、北九州市4個地區目前正進展實證實驗，從能源管理系統、需求側響應、電動汽車EV與家庭的互動設計、蓄電系統的優化設計及智能交通等方面實現區域能源的整體優化使用。不僅在日本，全球智能城市或社區的規劃與建立也成為熱點，儲能在

9、這一領域的市場前景也十分廣闊。為應對棄核政策，德國正在持續開展風能、光伏等可再生能源。2013年，相比其它國家，德國在推動儲能產業方面的動作較大，2013年和2014年2年共方案投資5000萬歐元，對新購置儲能系統的用戶直接進展補貼，有效地促進了戶用儲能市場的開展。目前已有30MW的工程獲得補貼，國外公司也紛紛搶占市場，如博士公司推出一款針對德國住宅光伏市場的產品，可以滿足一個典型的四口之家80%及以上的電力需求；LG化學公司聯合德國SMA公司開發符合德國補貼標準的家用能源管理系統等。這一補貼政策的實施是推動儲能產業市場化的重要里程碑，用戶已經開場意識到安裝光伏儲能系統實現自發自用所帶來的價值

10、，市場對儲能系統的投資有望大幅增加。據預測，由于這一儲能補貼方案的出臺，德國在未來5年的儲能裝機容量有望到達2GWh。印度、馬來西亞、印尼等東南亞國家是微電網的新興市場。這些地區海島眾多，無電人口比例大，有些島嶼的無電人口覆蓋率甚至高達70%。鑒于這些島嶼的地理因素和經濟狀況，微電網成為唯一的解決方式。目前這些國家的政府已經發布解決無電人口的目標與方案，馬來西亞沙巴洲、Mersing群島等已經成功引進微網系統解決當地供電問題，更多的島嶼對包括儲能在的微網技術的需求在增加。歐盟電網方案EEGI近期發布了歐洲儲能創新圖譜報告，對歐洲14個國家儲能研究、開發與示工程進展了統計分析。在過去5年，這些國

11、家公共投資和受到歐盟委員會直接資助的工程總數到達391個，總投資額9.86億歐元。大局部經費投資于電化學儲能主要是電池、電力轉換氣體power-to-gas以及蓄熱技術。從分析結果來看，儲能領域大局部工作還處于研究階段，局部到達了首次中試階段，僅有非常少的工程推進到了示或預商業化階段。在中國，截至2013年10月底，累計運行、在建及規劃的儲能工程總量近60個，裝機規模超過75MW，其中分布式發電及微網型儲能工程是最多的，如東福山島風光儲柴工程、南麂島微網工程、阿里光伏儲能工程、分布式光水蓄互補系統等。儲能在該領域的迅速開展，既是偏遠地區無電人口用電問題亟需解決的迫切市場需求，也是中國政府產業政

12、策推動的結果。2011年3月份，我國十二五規劃綱要中，首次提到依托儲能等技術推進智能電網建立；2011年7月，科技部發布的國家十二五科學和技術開展規劃中把儲能作為智能電網建立的關鍵技術，將儲能列為戰略必爭領域；2011年10月20日，國家發改委公布的當前優先開展的高技術產業化重點領域指南2011年度中將儲能技術作為先進能源的第一項提出，重點支持的儲能技術包括鋰離子電池、鈉硫電池、釩電池、燃料電池等四種。國家能源局2011年12月發布的國家能源科技十二五規劃20112015中指出，十二五期間，我國可再生能源還將繼續大規模開展，規劃指出，到2015年可再生能源發電量要爭取到達總發電量的20%以上。

13、規劃中最能表達儲能機遇的是，到2015年，我國將建成30個新能源微電網示工程，這些示工程以智能電網、物聯網和儲能技術為支撐，自發自用、余量上網、電網調劑是其目標。國家電網2013年3月發布的關于做好分布式電源并網效勞工作的意見中指出，推進分布式發電開展，加快新能源開發利用，提高能源效率，減少化石能源消費，促進節能減排和非化石能源開展目標的完成，強調了儲能技術在分布式發電中的重要應用。儲能系統能否以設備形態應用于電力系統是決定其能否得到大規模推廣應用的重要因素，也就是說，投入應用的儲能系統應易于批量化和標準化生產，便于控制與維護，可以作為電力系統中的一類設備，而不是以工程形態出現。在眾多儲能方式

14、中，電池儲能是契合設備形態需求較好的一種儲能技術1。鋰離子電池儲能技術研究現狀鋰離子電池儲能系統的關鍵設備主要包括儲能電池、電池管理系統Battery Management System, BMS、能量轉換系統Power Conversion System，PCS和監控系統四局部，系統拓撲構造如圖1所示。圖1 鋰離子電池儲能系統拓撲構造圖2.1 儲能電池近年來，鋰離子電池技術開展迅速，在材料制備、制造工藝和電池性能上和國際水平差距不大。目前，國作為動力電池使用的單體鋰離子電池技術已較為成熟，包括比亞迪、微宏在的多個電池廠家能提供現成產品，對于儲能用的電池，關鍵技術為大規模電池成組技術以及成組后

15、的科學管理。成組示意圖如下所示：圖2 電池成組示意圖電池的成組設計需要考慮：1根據母線電壓、功率等確定電池容量；2串并聯聯接方式，確保電池之間可靠、平安聯接；3散熱構造設計；4冗余設計，考慮電池更換問題。電池管理系統電池在生產和使用過程中，會造成電池的自放電率、阻、電壓、容量等參數的不一致，這種差異表現為電池組充滿或放完時串聯電池之間的電壓、容量的不一樣。如圖3所示。圖3 鋰離子電池容量不一致示意圖電池不均衡時，使用時易發生過充和過放現象，放電時電壓過低的電芯會被過放，充電時會過充，電池組的離散性增加，容量最低的電池將決定整個電池串的總容量。電池管理系統通過監控和管理儲能電池，實現電池成組后的

16、智能化管理，確保系統平安可靠運行，也最大限度延長電池壽命，并將電池信息傳輸給相關子系統，為系統整體決策提供判斷依據。國包括高特、鉅威新能源、海博思創等公司已經能提供基于較高采樣精度的BMS產品，技術難點為大規模單體電池成組后的電池一致性問題，關鍵技術是電池電量一致性均衡技術和高精度電池荷電狀態SOC估算技術。其中，均衡技術是指通過調整單節電池充電電流方式，保證系統所有電池的電池端電壓時刻具有良好的一致性。SOC估算技術是指通過在充放電過程中在線實時監測電池容量，隨時給出電池系統的剩余容量，將電池SOC的工作圍控制在合理圍。目前主要采用的SOC估算方法有開路電壓法、安時積分法、阻法、卡爾曼濾波法

17、、神經網絡法等。能量轉換系統能量轉換系統是儲能系統中的關鍵設備，起到電池儲能系統直流電流與交流電網之間的雙向能量傳遞作用。用于儲能系統的能量轉換系統不同于光伏逆變器和風電變流器，光伏逆變器是電能從電池板到電網的單向流動，風電變流器只保證輸入輸出功率平衡。用于儲能系統的能量轉換系統既要與電池接口完成充放電管理，又要與電網接口實現并網功能。目前，面向大容量儲能系統的PCS拓撲構造尚未統一，為了適應不同的電壓等級和滿足不同的應用需求，PCS的主電路拓撲構造各不一樣。典型的可分為以下兩種：僅含DC/AC環節的PCS這種構造如圖4所示，PWM 變換器的輸出局部接有升壓變壓器，以便其電壓與所并聯的交流網絡

18、電壓相匹配，同時起到將電池儲能系統與外部系統的電氣隔離作用。蓄電池系統充電時，PWM 變換器工作在整流器狀態，將系統側交流電轉換為直流電，將能量儲存在蓄電池中；放電時 PWM 變換器工作在逆變器狀態，將蓄電池釋放的能量由直流轉換為交流回饋外部系統2。這種僅含 DC/AC 環節的 PCS 拓撲構造的優點是適于電網中分布式獨立電源并網，構造簡單，PCS環節能耗相對較低。該構造的主要缺點是系統體積大、造價高；儲能系統的容量選擇缺乏靈活性；電網側發生短路故障有可能在PCS直流側產生短時大電流，對電池系統產生較大沖擊等。圖4 僅含DC/AC環節的PCS包含DC/DC和DC/AC環節的PCS該構造的 DC

19、/DC 環節主要是進展升、降壓變換，從而防止變壓器的使用。電池充電時，PWM變換器工作在整流狀態，將電網側交流電壓整流為直流電壓，該電壓經雙向 DC/DC 變換器降壓得到電池充電電壓；放電時，PWM 變換器工作在逆變狀態，雙向 DC/DC 變換器升壓向逆變器提供直流側輸入側電壓，經逆變器輸出適宜的交流電壓。這種含 DC/DC 和 DC/AC 環節拓撲構造的 PCS的主要優點是適應性強，可實現對多串并聯的電池模塊的充放電管理；由于 DC/DC 環節可實現直流電壓的升、降，使得電池的容量配置更加靈活；適于風電、光伏等波動性比擬強的分布式電源的接入配合，抑制其直接并網可能帶來電壓波動。主要缺點是多了

20、 DC/DC 環節，整個 PCS 系統的能量轉換效率有所降低；大容量 PCS 的 DC/DC 與 DC/AC 環節的開關頻率、容量及協調配合關系還有待研究。圖5 包含DC/DC和DC/AC環節的PCS國專門從事面向儲能系統PCS的生產廠商并不多，比亞迪基于其先進的大功率逆變技術，現已成功開發出應用于儲能系統的50kW、100kW、200kW、250kW、500kW、1MW等各規格的PCS，國知名廠家還有電源、四方繼保、索英電氣等。監控系統監控系統目前在電力系統應用廣泛，技術已經比擬成熟，但對于儲能系統，還需實現對電池堆的有效管理以及承當儲能系統的高級應用控制功能，市場上已有的產品難以滿足上述技

21、術需求，需要在現有的監控平臺上進展二次深化開發。系統集成儲能系統集成方面，比亞迪公司、時代新能源提出可根據客戶需要定制移動儲能系統產品方案，中航鋰電已成功開發出2.5kWh、50kWh的儲能電源模塊，以及200kWh一體化移動電源系統。系統的集成主要包括完整的集成方案與關鍵設備的集成。大容量儲能系統的完整集成方案可以分為以下三步：1首先考慮儲能系統的綜合效率和荷電狀態限制，并綜合考慮不同應用模式以及不確定因素包括電網故障和負荷增長，當配合分布式能源時還要考慮輸出功率的波動特性等，在此根底上，結合經濟性分析，對儲能系統的容量進展優化設計；2根據儲能容量開展電池成組設計，從可靠性的角度出發，設計串

22、并聯連接方式，特別要注意散熱構造的設計；根據儲能容量和應用模式，對關鍵設備主要是能量轉換系統進展選型和設計，這里涉及到大容量PCS的技術規要求和多臺PCS并聯技術；3整體設計完成后，通過仿真軟件或者實際工程數據對系統進展總體評估，評估容可以從技術和經濟兩方面展開，比方壽命評估、效率評估、補償效果評估、技術性總體評估、單位投資本錢評估等。關鍵設備間的集成主要包括大容量能量轉換系統與電池及電池管理系統的接口技術。由于電池模塊眾多，串并聯拓撲構造復雜，匹配不當會導致電池系統出現環流/對充等問題，檢修更換也易產生平安事故。需要綜合考慮可靠性、維護檢修等多方面因素，在保證大容量鋰離子電池的使用壽命和平安

23、性的條件下，合理地進展集成設計。技術風險分析綜合分析發現，目前整個市場的研究側重點還在電池技術和單一裝置上，對系統應用和集成的研究不夠，技術路線尚不清晰，還沒有完整、成熟的針對整個儲能產業的解決方案。開展大容量鋰離子電池儲能系統存在以下技術難點：1大量單體電池構成的大容量儲能系統，成組技術、SOC及SOH狀態估計與監測技術、運行維護的復雜程度都遠超過中小容量的儲能系統，國可供借鑒的相關工程經歷非常有限。2大容量儲能系統采用的PCS方案十分關鍵，假設采用單臺大容量PCS，難點在于研究大容量PCS的技術規要求；假設采用多臺PCS方案，則站多臺PCS之間直接協作機制與實現方法尚待研究。3在大容量鋰離

24、子電池儲能系統中的控制技術上，既要考慮能量轉換系統與鋰離子電池的接口技術，在保證大容量鋰離子電池的使用壽命和平安性的條件下，合理地對電池進展充放電管理；同時，還要考慮以能量轉換系統作為接口的電網接入技術，考慮能量轉換系統滿足電力系統運行的要求，發揮移峰填谷、調峰調頻等功能。4大容量儲能系統信息量大，又要滿足實時性的要求，站信息的分層分區設計及工程實現是一個技術難點，對監控系統的容量與接入技術是一個挑戰。鋰離子電池儲能技術在電力系統中的應用研究儲能技術的應用情況目前，電力行業仍是大規模儲能技術的主要應用領域。儲能在電力行業的應用貫穿整個發輸配用過程，而儲能技術也已經在削峰填谷、調頻、新能源并網、

25、輸配電系統等方面成功開展了多個工程，各儲能技術應用于不同領域的裝機情況如表3-1所示。表3-1 儲能技術應用于不同領域的裝機情況儲能技術裝機容量/MW所占比例/%可再生能源并網鋰離子電池68.815.52鈉硫電池27161.15液流電池31.77.15鉛酸電池30.96.97鎳鎘電池0.80.18飛輪儲能409.03總容量443.2100電網頻率調節鋰離子電池206.953.53鈉硫電池276.99鉛酸電池60.315.60鎳鎘電池276.99飛輪儲能65.316.89總容量386.5100電網調峰、負荷轉移、備用容量等鋰離子電池136.8710.61鈉硫電池1094.284.78液流電池0.520.04鉛酸電池594.57總容量1290.59100用戶側應用，削峰填谷、電能質量管理、家庭儲能等鋰離子電池2.5812.89液流電池0.130.65鉛酸電池17.2185.95超導儲能0.0030.01飛輪儲能0.10.5總容量20.023100注：數據來自儲能委員會2000年2012年1月開展的儲能工程的不完全統計，不包含抽水蓄能、壓縮空氣能、儲熱。僅列舉了最主要的應用領域，且各應用之間存在穿插，即有的工程同時用于數種應用領域，表中將該類工程分別歸納計算于相關應用中。通過對現有的儲能技術裝機容量進展比擬