光伏储能电池

摘要：随着全球电力需求逐年上升，用电高峰和低谷的负荷差距越来越大，磷酸铁锂离子电池储能电站（系统）作为一项新兴技术，将给电网储能领域带来革命性的技术更新，具有巨大的社会效应和经济效应。关键字：储能、磷酸铁锂离子电池、发展前景

1.概述

大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史，早期重要用于孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。电池储能系统在新能源并网中的应用，国外也已开展了一定的研究。上世纪90年代末德国在Herne1MW的光伏电站和Bocholt2MW的风电场分别配置了容量为1.2MWh的电池储能系统，供应削峰、不中断供电和改善电能质量功能。从2003年开始，日本在Hokkaido30.6MW风电场安装了6MW/6MWh的全钒液流电池（VRB）储能系统，用于平抑输出功率波动。2009年英国EDF电网将600kW/200kWh锂离子电池储能系统配置在东部一个11KV配电网STATCOM中，用于潮流和电压控制，有功和无功控制。

总体来说，储能电站（系统）在电网中的应用目的重要考虑负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷等几大功能应用。比如：削峰填谷，改善电网运行曲线，通俗一点解释，储能电站就像一个储电银行，可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，这样就减少了电能的浪费；此外储能电站还能减少线损，新增线路和设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量。而储能电站的绿色优势则重要体现在：科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少资源消耗等方面。

2.系统架构

在本方法中，储能电站（系统）重要配合光伏并网发电应用，因此，整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统（BMS）、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。系统架构图如下：

1、光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对锂离子电池组充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

2、智能控制器根据日照强度及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的持续性和稳定性；

4、并网逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的380V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。

5、锂离子电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大用途。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

3.储能电池组

(1)电池选型原则

作为配合光伏发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储能电站，储能电池是非常重要的一个部件，必须满足以下要求：

容易实现多方式组合，满足较高的工作电压和较大工作电流；

电池容量和性能的可检测和可诊断，使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制；

高安全性、可靠性：在正常使用情况下，电池正常使用寿命不低于15年；在极限情况下，即使发生故障也在受控范围，不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障；

具有良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力；

较高的充放电转换效率；

易于安装和维护；

具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；

符合环境保护的要求，在电池生产、使用、回收过程中不出现对环境的破坏和污染；

(2)重要电池类型比较

阀控式铅酸蓄电池

阀控式铅酸蓄电池已有100多年的使用历史，非常成熟。以其材料普遍、价格低廉、性能稳定、安全可靠而得到非常广泛的应用，在已有的储能电站中，铅酸电池依旧被采用。但铅酸电池也有致命的缺点，重要就是循环寿命很低，在100%放电深度（DOD）下，一般为300~600次。其次比能量也较小，要占用更多的空间，充放电倍率也较低，再者，在电池制造、使用和回收过程中，铅金属对环境的污染不可忽视。

全钒液流电池

全钒液流电池是一种新型的储能电池，其功率取决于电池单体的面积、电堆的层数和电堆的串并联数,而储能容量取决于电解液容积，两者可独立设计，比较灵活，适于大容量储能，几乎无自放电，循环寿命长。全钒液流电池目前成本非常昂贵，尤其是高功率应用。只有推进产业化，才能大幅度降低成本，另外还要提高全钒液流电池的转换效率和稳定性。

钠硫电池

钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。钠硫电池比能量高，效率高，几乎无自放电，可高功率放电，也可深度放电，是适合功率型应用和能量型应用的电池。但是钠硫储能电池不能过充与过放，要严格控制电池的充放电状态。钠硫电池中的陶瓷隔膜比较脆，在电池受外力冲击或者机械应力时容易损坏，从而影响电池的寿命，容易发生安全事故。还存在环境影响与废电池处置问题。目前世界范围内仅有日本NGK产品已经成功，国内已有上海硅酸盐研究所研制成功的报道。由于日方原因，我国引进NGK钠硫电池系统一直没有成功。目前应用难度较大。

磷酸铁锂离子电池

有关锂离子电池，目前可应用于电力用途的只有磷酸铁锂离子电池，所以，在此我们所涉及的锂离子电池仅针有关磷酸铁锂离子电池。锂离子电池单体输出电压高，工作温度范围宽，比能量高，效率高，自放电率低，在电动汽车和静态储能应用中的研究也得到了开展。初始投资高是影响锂离子电池在静态储能广泛应用的重要因素之一；深度放电将直接降低电池的使用寿命，限制了锂离子电池在充电源随机性较大的场合的应用；采用过充保护电路或均衡电路，可提高安全性和寿命。目前磷酸铁锂离子电池由于成本低、安全可靠和高倍率放电性能受到关注。

从初始投资成本来看，锂离子电池有较强的竞争力，钠硫电池和全钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，较昂贵。从运营和维护成本来看，钠硫要持续供热，全钒液流电池要泵进行流体控制，新增了运营成本，而锂离子电池几乎不要维护。根据国内外储能电站应用现状和电池特点，建议储能电站电池选型重要为磷酸铁锂离子电池。

4.储能电站（系统）整体发展前景

全球能源紧缺，新兴能源产业的发展势在必行，但风能、太阳能等清洁能源受环境影响较大，功率不稳定，致使传统电网无法承载，大量能量被浪费。重要原因之一就是：储能技术落后，现有储能电站无法实现功率补偿，无法满足功率平滑的需求。可以说，储能电站的发展已成为新能源开发的核心之一。

除光伏发电系统外，储能电站也广泛适用于如下场合：

(1)、负荷波动大的厂、公司、商务中心等；

(2)、要具备黑启动功能的发电站；

(3)、发电质量有波动的风能和潮汐能发电站；

(4)、要夜间储存能量以供白天使用的核能、风能等发电设施；

(5)、因环保原因限制小型火力调峰发电站或其它高污染发电站发展的区域；

(6)、户外临时大型负荷中心。

采用磷酸铁锂离子电池这一储能技术为核心的储能电站，相比于抽水蓄能、压缩空气储能等现有储能技术，具有明显的成本和运行寿命优势，经济效益突出，需求巨大，应用前景广阔。随着全球电力需求逐年上升，用电高峰和低谷的负荷差距越来越大，磷酸铁锂离子电池储能电站（系统）作为一项新兴技术，将给电网储能领域带来革命性的技术更新，具有巨大的社会效应和经济效应。