1、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：chenbeishanghai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
2、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：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 discu
3、ssed。 By analyzing the applications 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 devi
4、ce forms, technology and economic cost, lithium battery energy storage technology has the potential to promote， but also need to overcome technical difficulties toward high safety， long life, and lowcost development goal。Key Words： lithium battery; energy storage technology； power system引言日益突出的环境问题和
5、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(China Energy Storage Alliance，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
6、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Pike Research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（Jillis Raadschelders）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
7、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
8、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
9、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
10、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2GWh。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
11、）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”(powerto-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
12、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”
13、规划（20112015）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
14、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（Battery Management System， BMS）、能量转换系统（Power Conversion System,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
15、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
16、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
17、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
18、一,为了适应不同的电压等级和满足不同的应用需求，PCS的主电路拓扑结构各不相同.典型的可分为以下两种：（1）仅含DC/AC环节的PCS这种结构如图4所示，PWM 变换器的输出部分接有升压变压器，以便其电压与所并联的交流网络电压相匹配,同时起到将电池储能系统与外部系统的电气隔离作用。蓄电池系统充电时,PWM 变换器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电,将能量储存在蓄电池中；放电时 PWM 变换器工作在逆变器状态，将蓄电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统2.这种仅含 DC/AC 环节的 PCS 拓扑结构的优点是适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，PCS环节能耗相对较低。该结构的主
19、要缺点是系统体积大、造价高;储能系统的容量选择缺乏灵活性；电网侧发生短路故障有可能在PCS直流侧产生短时大电流,对电池系统产生较大冲击等。图4 仅含DC/AC环节的PCS（2）包含DC/DC和DC/AC环节的PCS该结构的 DC/DC 环节主要是进行升、降压变换，从而避免变压器的使用。电池充电时,PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向 DC/DC 变换器降压得到电池充电电压;放电时,PWM 变换器工作在逆变状态，双向 DC/DC 变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。这种含 DC/DC 和 DC/AC 环节拓扑结构的 PCS的主要
20、优点是适应性强，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理；由于 DC/DC 环节可实现直流电压的升、降,使得电池的容量配置更加灵活；适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入配合,抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是多了 DC/DC 环节，整个 PCS 系统的能量转换效率有所降低；大容量 PCS 的 DC/DC 与 DC/AC 环节的开关频率、容量及协调配合关系还有待研究。图5 包含DC/DC和DC/AC环节的PCS国内专门从事面向储能系统PCS的生产厂商并不多，比亚迪基于其先进的大功率逆变技术，现已成功开发出应用于储能系统的50kW、100kW、200kW、250kW、500kW、1
21、MW等各规格的PCS,国内知名厂家还有合肥阳光电源、北京四方继保、北京索英电气等。2.4监控系统监控系统目前在电力系统应用广泛,技术已经比较成熟，但对于储能系统,还需实现对电池堆的有效管理以及承担储能系统的高级应用控制功能，市场上已有的产品难以满足上述技术需求,需要在现有的监控平台上进行二次深化开发。2.5系统集成储能系统集成方面，比亚迪公司、宁德时代新能源有限公司提出可根据客户需要定制移动储能系统产品方案，中航锂电已成功开发出2。5kWh、50kWh的储能电源模块，以及200kWh一体化移动电源系统。系统的集成主要包括完整的集成方案与关键设备的集成。大容量储能系统的完整集成方案可以分为以下三
22、步：(1）首先考虑储能系统的综合效率和荷电状态限制，并综合考虑不同应用模式以及不确定因素(包括电网故障和负荷增长），当配合分布式能源时还要考虑输出功率的波动特性等，在此基础上，结合经济性分析，对储能系统的容量进行优化设计;（2）根据储能容量开展电池成组设计，从可靠性的角度出发，设计串并联连接方式，特别要注意散热结构的设计；根据储能容量和应用模式，对关键设备（主要是能量转换系统）进行选型和设计，这里涉及到大容量PCS的技术规范要求和多台PCS并联技术；（3）整体设计完成后，通过仿真软件或者实际工程数据对系统进行总体评估，评估内容可以从技术和经济两方面展开，比如寿命评估、效率评估、补偿效果评估、技
23、术性总体评估、单位投资成本评估等。关键设备间的集成主要包括大容量能量转换系统与电池及电池管理系统的接口技术。由于电池模块众多,串并联拓扑结构复杂，匹配不当会导致电池系统出现环流/对充等问题,检修更换也易产生安全事故.需要综合考虑可靠性、维护检修等多方面因素，在保证大容量锂离子电池的使用寿命和安全性的条件下，合理地进行集成设计。2.6技术风险分析综合分析发现,目前整个市场的研究侧重点还在电池技术和单一装置上,对系统应用和集成的研究不够，技术路线尚不清晰，还没有完整、成熟的针对整个储能产业的解决方案。开展大容量锂离子电池储能系统存在以下技术难点：1）大量单体电池构成的大容量储能系统,成组技术、SO
24、C及SOH状态估计与监测技术、运行维护的复杂程度都远超过中小容量的储能系统，国内可供借鉴的相关工程经验非常有限。2）大容量储能系统采用的PCS方案十分关键，若采用单台大容量PCS，难点在于研究大容量PCS的技术规范要求；若采用多台PCS方案,则站内多台PCS之间直接协作机制与实现方法尚待研究.3)在大容量锂离子电池储能系统中的控制技术上，既要考虑能量转换系统与锂离子电池的接口技术,在保证大容量锂离子电池的使用寿命和安全性的条件下,合理地对电池进行充放电管理；同时，还要考虑以能量转换系统作为接口的电网接入技术,考虑能量转换系统满足电力系统运行的要求，发挥移峰填谷、调峰调频等功能。4)大容量储能系
25、统信息量大,又要满足实时性的要求，站内信息的分层分区设计及工程实现是一个技术难点，对监控系统的容量与接入技术是一个挑战。3.锂离子电池储能技术在电力系统中的应用研究3.1储能技术的应用情况目前,电力行业仍是大规模储能技术的主要应用领域。储能在电力行业的应用贯穿整个发输配用过程，而储能技术也已经在削峰填谷、调频、新能源并网、输配电系统等方面成功开展了多个项目，各储能技术应用于不同领域的装机情况如表31所示。表3-1 储能技术应用于不同领域的装机情况储能技术装机容量/MW所占比例/可再生能源并网锂离子电池68。815。52钠硫电池27161。15液流电池31。77.15铅酸电池30。96.97镍镉
26、电池0.80.18飞轮储能409.03总容量443.2100电网频率调节锂离子电池206。953.53钠硫电池276.99铅酸电池60.315。60镍镉电池276。99飞轮储能65。316。89总容量386.5100电网调峰、负荷转移、备用容量等锂离子电池136.8710.61钠硫电池1094.284.78液流电池0.520。04铅酸电池594。57总容量1290.59100用户侧应用，削峰填谷、电能质量管理、家庭储能等锂离子电池2.5812。89液流电池0。130。65铅酸电池17.2185.95超导储能0.0030。01飞轮储能0。10.5总容量20。023100注：数据来自储能委员会20
27、00年2012年1月开展的储能项目的不完全统计，不包含抽水蓄能、压缩空气能、储热.仅列举了最主要的应用领域,且各应用之间存在交叉，即有的项目同时用于数种应用领域,表中将该类项目分别归纳计算于相关应用中。通过对现有的储能技术装机容量进行比较分析3，锂离子电池技术是除钠硫电池外，在可再生能源并网、电网频率调节、电网调峰、负荷转移、备用容量等领域占比例最高的储能技术,特别是在电网频率调节方面的表现最为突出，是调频应用中最主要的技术.这表明锂离子电池技术的发展速度较快，正通过参与到更多的储能应用中,逐步走向成熟。在用户侧的应用中,铅酸电池仍然占据了大部分市场，这与铅酸电池的应用历史和成本优势有关。随着
28、家庭储能的兴起，锂离子电池的应用空间逐渐被打开，技术进步带来成本下降，相信锂离子电池的装机量会逐步攀升。微网和分布式发电也是储能的重要应用领域,下表对国内外共12个装机容量在千瓦级以上的项目进行了统计。表32 储能技术应用于分布式发电和微网的装机情况储能技术装机容量/kW所占比例/%锂离子电池704880。94液流电池800.92先进铅酸电池158018.14从表中看到,锂离子电池储能技术在千瓦级以上的微网和分布式发电项目中占有比例远高于其他类型的储能技术。3.2锂离子电池储能示范工程国内外，锂离子电池储能技术在电力系统中的示范项目不断增加，图6列举了较具代表性的3个示范项目。图6 国内外锂离
29、子电池储能示范项目4.结论和展望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。智能电网和新能源并网催生储能需求潜力，这是储能产业在市场中获得发展的重要契机。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。参考文献1 国家电网公司“电网新技术前景研究”项目咨询组. 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）： 38, 30.2 李战鹰，胡玉峰，吴俊阳。 大容量电池储能系统 PCS 拓扑结构研究J。 南方电网技术，2010,4（5)：39-42。3 苏伟等. 化学储能技术及其在电力系统中的应用M. 北京：科学出版社，2013。8。
