详解电化学储能在发电侧的应用.doc

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1、详解电化学储能在发电侧的应用随着国家环境保护力度的不断加强，新能源发电装机占比逐渐攀升，我国能源结构正在逐步转型。储能系统因其响应速率快、调节精度高等特点，成为能源行业中提升电能品质和促进新能源消纳的重要支撑手段，受到越来越多的重视。并且由于储能技术的进步、产品质量的提高及成本的不断降低，储能技术已具备商业化运营的条件，尤其是多种电化学储能技术的发展逐步扩展了储能的应用领域。除了技术的进步，国家政策法规的颁布、电力市场改革的不断深化，也促进了电化学储能技术的应用推广。本文从数据的角度概要分析了储能在全球电力行业中的应用现状，对国内电化学储能产业政策和标准的发展进行了总结，并介绍了电化学储能的种

2、类、技术路线以及系统集成关键技术。除此之外，针对发电侧，重点从功能、政策和应用项目等方面论述了电化学储能技术在大规模新能源并网、辅助服务及微电网等有商业价值的应用场景。最后对电化学储能技术在未来能源系统中的前景和发展趋势做了展望，并在促进储能商业化运营及推广方面对储能企业提出了发展建议。目前，我国电力生产和消费总量均已居世界前列，且保持高速增长的趋势。国家统计局发布的数据显示，2018年112月份，全国规模以上发电企业累计完成发电量67914 kWh，同比增长6.8%，全国全社会用电量68449 kWh，同比增长8.5%。而在电能供给和利用方面我国却还存在结构不合理、综合利用效率较低、新能源渗

3、透率较低、电力安全水平亟待提升等问题1，因此如何保障经济发展中电力生产与供应的安全，同时又实现节能减排与环境保护，是我国电力行业发展的重大战略任务。近年来飞速发展的储能技术为解决以上问题提供了可行性。储能成本和性能的改进、全球可再生能源运动带来的电网现代化与智能化，以及电力市场改革带来的净电量结算政策的淘汰、参与电力批发市场、财政激励、FIT（太阳能发电上网电价补贴政策）等因素的驱动，使得储能在全球掀起了一场发展热潮。储能使电能具备时间空间转移能力，对于保障电网安全、改善电能质量、提高可再生能源比例、提高能源利用效率具有重要意义。基于储能在电力行业的重要作用，各类储能项目在全球范围内持续落地，

4、累计装机容量节节攀升。据中关村储能产业技术联盟(CNESA)统计，截至2018年底，全球已投运储能项目累计装机规模为181.0 GW，同比增长3.2%2,3。电化学储能装机为6.6254 GW，同比增长126.4%，占比为3.7%，较上一年增长2.0个百分点。各类储能具体占比如图1所示。目前，中国已投运储能项目装机规模31.3 GW，占全球市场的17.3%。其中，电化学储能是除抽水蓄能外装机规模最大的储能形式4，累计1072.7 MW。同时，电化学储能也是目前各类储能应用中，除抽水蓄能之外应用最广泛、技术发展最快、产业基础最好的储能技术。以锂离子电池、铅酸电池、液流电池为主导的电化学储能不仅在

5、电池本体技术和系统集成技术层面取得了重大突破，并且在发电领域的场景应用范围也实现了重要扩展。因此本文主要针对电化学储能相关政策、技术及其应用予以阐述。1 电化学储能产业政策及标准现状2018年被业内较多人士称为电化学储能发展的元年，电化学储能多项政策的颁布促进了项目的落地和推广，而越来越多项目的建设反过来推动了政策的不断细化。然而电化学储能产业的技术标准和体系却相对发展缓慢，这对于电化学储能的发展带来了一定的延滞。1.1 多项利好政策的颁布电化学储能技术的进步推动了产业应用，为了保障电化学储能产业健康发展，截至目前，国家与地方相继发布涉及储能的政策、规划、指导意见等文件近50项，电力辅助服务相

6、关政策30余项，微电网相关政策近20项，其中电化学储能相关政策占据了较大比例。这些政策的颁布，有利于优化储能产业发展结构，大大推动储能产业更好更快发展。2019年以来，电化学储能产业政策仍旧持续出台。1月30日南方电网公司关于促进电化学储能发展的指导意见（征求意见稿）指出了南方电网发展电化学储能的四项重点任务：深化电化学储能影响研究、推动技术应用、规范并网管理、引领产业发展。2月18日国家电网关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见要求在规范电化学储能接入系统和管控、深化电化学储能关键技术研究和标准系统建设、加强信息管理及平台规划等方面，推进电源侧、电网侧和客户侧电化学储能成长。上述指导意见对

7、推动电化学储能技术在电力领域的应用具有重要意义。在这些政策的推动下，截止目前，电化学储能调峰、调频项目已有数十个投运或在建。1.2 标准和体系的缺乏相比于国家及地方在电化学储能产业应用方面政策的出台速度和数量，行业内相关技术标准和检测认证体系的发布速度却略显滞后，截止2019年3月，电化学储能行业的国家标准不足20项。在电化学储能技术层面，从设备到系统的各项性能指标缺乏明确限定，系统在不同场景中的应用策略缺乏针对性研究。在电化学储能安全层面，在已经投运的电化学储能电站项目中，在2017年8月至2019年2月仅一年半的时间内，韩国就已经发生火灾事故达到21起之多，国内无论是发电侧、用户侧或是电网

8、侧也都有火灾安全事故发生。目前行业内从电化学储能设备的生产、安装、运输、系统集成、功能验证以及后期的运行维护等，都急需相关标准和认证体系的颁布，为电化学储能项目的良好发展提供安全保障。2 电化学储能应用技术概述电化学储能并不是一项新兴的技术，但是电化学储能产业却是一个亟待发展的领域。本部分着重对电化学储能技术本体技术及系统集成关键技术及进行论述。2.1 电化学储能电池本体技术电化学储能电池的分类较多，特点都不尽相同，主要的技术指标有：比能量、功率密度、电池效率、系统寿命、全生命周期的成本及收益、安全和环境等方面。电化学储能电池中以锂离子电池的装机规模为最大，尤其是2018年，大批电网侧、发电侧

9、电化学储能项目陆续建成并投运5。锂离子电池的成本逐年降低是造成这种现象的主要因素，CNESA统计预测，到2020年，锂离子电池成本将会降至10001500元/（kWh），电化学储能电池今后必将成为锂离子电池应用方向的主题。锂离子电池的细分种类也较多，常用锂离子电池技术指标的详细对比如表1所示，新型锂离子电池如表2所示。表1常用锂离子电池技术对比Table 1Common lithium-ion battery technology comparison表2新型锂离子电池Table 2New lithium ion battery除锂离子电池之外，液流电池、铅酸电池也是应用较为广泛的电池类型。液

10、流电池种类较多，包含全钒氧化还原液流电池、锌-溴液流电池、多硫化钠-溴液流储能电池、钒-多卤化物液流电池、铁-铬液流电池、锰-钒液流电池、铈-钒液流电池、单液流铅酸与锌-溴液流电池、锕系元素液流电池等9。国内发展势头良好，国家能源集团在该领域也逐渐发力，其产品千瓦级液流电池功率密度超过500 mW/cm2，高于同级别传统液流电池23倍。我国铅酸蓄电池行业发展较为成熟，主要实行以销定产的运营模式，但供需缺口始终不平衡，需求大于供给，缺口持续扩大。而钠流电池在国内商业化发展较国外例如美国和日本来说相对滞后，目前仅有示范应用项目。其他化学电池如表3所示。表3其他化学电池Table 3Other ch

11、emical batteries2.2 电化学储能系统关键集成技术为实现电化学储能系统的落地应用，除电池本体技术外，电化学储能系统集成技术尤为重要，例如电池本身充放电效率若为95%，系统集成后的实际应用中，效率会受到集成方式的影响而降低。电化学储能系统集成关键技术主要包括电化学储能变流器系统技术（power conversion system，PCS）、电池管理系统技术（battery management system，BMS）及能量管理系统技术（energy management system，EMS）等12。电化学储能系统拓扑如图2所示。图1全球已投运储能项目装机分布Fig.1Globa

12、l installed capacity of installed energy storage projects图2电池储能系统拓扑Fig.2Topology of energy storage system（1） 电化学储能变流器系统PCSPCS是储能与交流电网连接的枢纽13。目前市面上PCS的规模从几kW到几MW均有成熟产品，只是不同的规模等级应用的场景有所区别：户用型基本在几十kW下，工商业用户型基本在几十kW至几百kW之间，而在电网应用领域PCS的规模将达到MW级。大功率大容量电化学储能PCS的研究是当前电化学储能应用的热门14。（2） 电池管理系统BMSBMS贯穿了电化学储能电池本

13、体与应用端15。除了电池剩余电量SOC的准确计算与应用研究之外，基于大数据平台，开展针对电池应用过程中的健康诊断、能效分析、故障预警等综合服务研究也是当前的热点。（3） 能量管理系统EMSEMS是能量与信息管理的融合16。针对电力辅助服务领域、大规模新能源并网领域、峰谷差套利等应用场景，充分考虑系统寿命和安全性，研究基于收益最大化的电化学储能系统充放电运行控制策略是目前EMS研究的热点。3 电化学储能在发电侧的应用方向电化学储能的应用分为能量型应用和功率型应用。能量型应用要求较长的放电时间，对响应时间要求不高。而功率型应用要求有快速响应能力，对放电时间要求不高。电化学储能技术在电力领域中的应用

14、分为发电侧、输配侧、用户侧三个方向。随着电力市场的不断开展以及储能技术在应用模式上的不断创新，三个方向界限也逐渐模糊。针对发电侧应用领域，概括起来，电化学储能系统的应用主要包括三个方向，分别为大规模新能源并网、电力辅助服务以及微电网。3.1 大规模新能源并网领域近年来，我国电力产业逐步向低碳方向发展，新能源发电得到了长足的发展，风电、光伏穿透率不断攀升。在三北地区一些省份，新能源发电装机容量已经达到了100%当地用电负荷。但是，由于新能源的波动性对电网的安全稳定产生了不可忽视的影响。同时风电场接入电力系统技术规定以及部分地区的两个细则都对新能源的并网指标提出了严格要求，达不到要求就面临考核，影

15、响经济效益。此外，为弥补新能源MPPT模式带来的问题而加装的集中式无功补偿装置，给新能源的投资运行带来了挑战。因此摸索电化学储能与新能源发电经济、有效、共赢的结合模式是当前的研究热点。电化学储能在新能源领域既有功率型也有能量型应用，这是由新能源发电的波动（频率波动、出力波动等）从数秒到数小时之间造成的。在实际工程项目的应用中针对光伏以能量型应用为主，对风电以功率型应用为主。电化学储能因其快速响应、爬坡率大等特点可在大规模新能源并网中发挥有功功率波动平抑、一次调频支撑、被动响应无功支撑和计划出力跟踪等功能，主动支撑电网稳定运行，降低新能源机组波动性，提升其可控、可计划性，减小电网对新能源机组的调

16、度难度。另外，大规模的电化学储能还可实现弃风、弃光回收功能，在限电情况下一定程度挽回业主损失电量。因此，电化学储能技术在大规模新能源并网的应用，可以在保证新能源穿透率的情况下，提高电网系统运行的稳定性，并提高入网电能质量。相比于其他领域，储能在新能源并网应用中需要满足一些特殊要求：由于新能源电站所处地理位置较为偏远，储能系统需满足配置灵活、安装方便、使用寿命长等特点，以减少建设周期，并尽可能做到减少维护或免维护；另外新能源电站环保要求较高，储能电池、装置在选择时应尽量具备绿色无污染等特点。储能系统的放电以低倍率0.5 C、1 C为主，PCS接入方式以百千瓦级多机并联经过升压接入6 kV或10 kV母线为主。目前，锂离子电池或钒液流电池被公认为该应用领域的主要技术手段17，其中磷酸铁锂电池市场占较高，而随着三元锂电池在电化学储能项目中暴露出来与日增加的安全问题，越来越多的集成商逐渐避