电化学储能在发电侧的应用

doi:10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0167

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 储能, 发电侧, 新能源并网, 辅助服务, 微电网

Abstract:

With continuous strengthening of the national environmental protection efforts, the proportion of new forms of energy power generation has gradually increased, resulting in gradual transformations in the energy structure of China. Because of the fast response rate and high adjustment accuracy of an energy storage system, it has become an important supporting method to improve the power quality and promote the consumption of new types of energy within the energy industry; it has also become the subject of increasing attention. Furthermore, the advancement of the energy storage technology (through the improvement of the product quality and continuous cost reduction) has realized its commercial application. The development of various electrochemical energy storage technologies has gradually expanded the energy storage application possibilities. In addition to technological advances, the promulgation of national policies and regulations and the deepening of power market reforms have promoted the application and support of electrochemical energy storage technologies. This study summarizes the application status of energy storage in the global power industry from a data perspective. It summarizes the development of the energy storage policies and standards of the domestic electrochemical industry and introduces the modes, technical routes, and key technology for the integration of electrochemical energy storage. Additionally, from the perspective of power generation, the use of electrochemical energy storage technology in new, large-scale grid-connected, auxiliary, and microgrid level settings is discussed in terms of the functions, policies, and application projects. Finally, the potential and development trends of electrochemical energy storage technology with respect to future energy systems are considered, and development suggestions for energy storage enterprises are proposed to promote the commercial operation and usage of energy storage.

Key words: energy storage, power generation side, new energy grid connection, auxiliary service, microgrid

中图分类号:

TM 7

张文建, 崔青汝, 李志强, 余康. 电化学储能在发电侧的应用[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 287-295.

ZHANG Wenjian, CUI Qingru, LI Zhiqiang, YU Kang. Application of electrochemical energy storage in power generation[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 287-295.

图/表 8

表1

表2

表3

图1

图2

表4

表5

表6

参考文献 26

1	陈海生, 刘畅, 齐智平. 分布式储能的发展现状与趋势[J]. 中国科学院院刊, 2016, 31(2): 224-231.
	CHEN Haisheng, LIU Chang, QI Zhiping. Developing trend and present status of distributed energy storage[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2016, 31(2): 224-231.
2	赵晏强, 周伯柱, 仇华炳. 国际储能关键技术竞争态势[J]. 科技促进发展, 2017, 13(10): 745-751.
	ZHAO Yanqiang, ZHOU Bozhu, QIU Huabing. The trends of energy storage technology[J]. Science & Technology for Development, 2017, 13(10): 745-751.
3	中关村储能产业技术联盟. 储能产业趋势第95期[EB/OL]. [2019-3-8]. .
4	邹德天, 潘燕, 吴贝科, 等. 比亚迪电力储能设备与电动汽车应用现状分析[J]. 供用电, 2018, 35(9): 53-61.
	ZOU Detian, PAN Yan, WU Beike,et al. Application status analysis of BYD power storage equipment and electric vehicle[J]. Distribution & Utilization, 2018, 35(9): 53-61.
5	王宁, 刘晓峰, 陈泽华. 锂离子电池寿命预测综述[J]. 电器与能效管理技术, 2018(11): 1-13.
	WANG Ning, LIU Xiaofeng, CHEN Zehua. Survey on lithium-ion battery life estimation[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2018(11): 1-13.
6	景梦华. 影响锂-聚苯胺二次电池性能因素的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.
	JING Menghua. A research on factors that influence the performance of lithium-polyaniline secondary battery[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016.
7	王薛超, 曹耀光, 金茂菁. 固态锂电池技术发展现状与趋势[J]. 科技中国, 2018(1): 7-9.
	WANG Xuechao, CAO Yaoguang, JIN Maojing. Development status and trend of solid lithium battery technology[J]. China Scitechnology Business, 2018(1): 7-9.
8	南彩云, 张宇, 李玉峰, 等. 锂电池正极材料工作原理[J]. 化学工程与装备, 2018(1): 208-211+228.
	Caiyun NAN, ZHANG Yu, LI Yufeng, et al. Lithium battery cathode material working principle[J]. Chemical Engineering & Equipment, 2018(1): 208-211+228.
9	张华民, 张立群, 赖秦志. 一种锌/多卤化物储能电池: CN 201010563789.3[P]. 2012-05-30.
	ZHANG Huamin, ZHANG Liqun, LAI Qinzhi. Zinc/polyhalide energy storage battery: CN 201010563789.3[P]. 2012-05-30.
10	钱伯章, 朱建芳. 大容量储能技术和产业发展的新动态[J]. 电力与能源, 2012, 33(3): 271-274.
	QIAN Bozhang, ZHU Jianfang. The latest developments in domestic and international large-capacity storage technology and industrial development[J]. Power & Energy, 2012, 33(3): 271-274.
11	刘肃力, 孙洋洲, 张敏吉, 等. 化学电源储能技术研究进展与发展趋势分析[J]. 电源技术, 2013, 37(8): 1481-1484.
	LIU Suli, SUN Yangzhou, ZHANG Minji, et al. Technology progress &development trends of several secondary batteries for energy storage applications[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2013, 37(8): 1481-1484.
12	朱观炜. 基于多电池储能系统的微网离网控制技术研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2017.
	ZHU Guanwei. Research on off-grid control technology of microgrid based on multi-battery energy storage system[D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2017.
13	张萌萌. 节能型智能化供电模式的应用[D]. 青岛: 青岛大学, 2016.ZHANG Mengmeng. Application of energy-saving intelligent power supply mode[D]. Qingdao: Qingdao University, 2016.
14	刘崇宇. 用于风储联合发电的储能监控系统设计[D]. 南京: 东南大学, 2015.
	LIU Chongyu. Design of energy storage monitoring system for wind power generation with energy storage system[D]. Nanjing: Southeast University, 2015.
15	张洁喜, 刘彦呈. 基于UC3907和SG3525A大功率开关电源的设计[J]. 电气自动化, 2013, 35(2): 89-91.
	ZHANG Jiexi, LIU Yancheng. Design of the high-power switching power supply based on UC3907 And SG3525A[J]. Electrical Automation, 2013, 35(2): 89-91.
16	李建成. 大功率电源电池组能量管理系统设计与应用[D]. 长沙: 湖南大学, 2013.
	LI Jiancheng. The design and application of battery management system for high-power supply[D]. Changsha: Hunan University, 2013.
17	曲锋. 基于B/S模式的微电网能量管理软件的设计与实现[D]. 成都: 电子科技大学, 2007.
	QU Feng. Design and implementation of microgrid energy management software based on B/S mode[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2007.
18	刘素琴, 王成, 黄可龙, 等. 联吡啶铁(Ⅱ)在氧化还原液流电池中的应用研究[J]. 电源技术, 2010, 34(2): 164-166.
	LIU Suqin, WANG Cheng, HUANG Kelong, et al. Study of Fe(bpy)²⁺ for redox flow battery application[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2010, 34(2): 164-166.
19	李飞. 储能系统辅助火电机组调频的建模及控制策略研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2017.
	LI Fei. Research on the modelling and control strategy of energy storage system in thermal power unit frequency regulation[D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2017.
20	邵忠卫, 李国良, 刘文伟. 火电联合储能调频技术的研究与应用[J]. 山西电力, 2017(6): 62-66.
	SHAO Zhongwei, LI Guoliang, LIU Wenwei. Research and application of BESS-aided thermal power frequency-regulation technology[J]. Shanxi Electric Power, 2017(6): 62-66.
21	赵彪, 宋强, 刘文华, 等. 用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(25): 4295-4303.
	ZHAO Biao, SONG Qiang, LIU Wenhua, et al. High-frequency-link DC solid state transformers for flexible DC distribution[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(25): 4295-4303.
22	刘晓臣. 超级电容器工作原理及应用[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2012, 30(S1): 111-114.
	LIU Xiaochen. Principle and application of super capacitors[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2012, 30(S1): 111-114.
23	李超, 王洪涛, 韦仲康, 等. 含大型风电场的弱同步电网协调控制策略[J]. 电力自动化设备, 2015, 35(4): 96-103.
	LI Chao, WANG Hongtao, WEI Zhongkang, et al. Coordinated control of weakly-synchronized grid containing large wind farms[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(4): 96-103.
24	牛毅, 刘继春, 王冬. 智能配电网综合效益指标评估体系研究[J]. 分布式能源, 2016, 1(2): 35-43.
	NIU Yi, LIU Jichun, WANG Dong. Comprehensive benefits index assessment framework for smart distribution network[J]. Distributed Energy, 2016, 1(2): 35-43.
25	李建林. 分布式可再生能源领域中储能的应用现状及发展趋势[J]. 电气应用, 2018, 37(1): 6-9.
	LI Jianlin. Application status and development trend of energy storage in distributed renewable energy field[J]. Electrotechnical Application, 2018, 37(1): 6-9.
26	叶季蕾, 薛金花, 陶琼, 等. 面向电力系统应用的储能技术/经济性分析研究[J]. 电气应用, 2017, 36(16): 20-28.
	YE Jilei, XUE Jinhua, TAO Qiong, et al. Energy storage technology/economic analysis for power system applications[J]. Electrotechnical Application, 2017, 36(16): 20-28.

名称	钴酸锂(LiCoO₂)	锰酸锂(LiMn₂O₄)	三元锂		磷酸铁锂(LiFePO₄)	钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)^[6]
名称	钴酸锂(LiCoO₂)	锰酸锂(LiMn₂O₄)	镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO₂或NMC)	镍钴铝酸锂(LiNiCoAlO₂或称NCA)	磷酸铁锂(LiFePO₄)	钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)^[6]
电压	标称值3.60 V；典型工作范围3.0～4.2 V	标称值3.70 V；典型工作范围3.0～4.2 V	标称值3.60 V；典型工作范围3.0～4.2 V	标称值3.60 V；典型工作范围3.0～4.2 V	标称值3.20 V；典型工作范围2.5～3.65 V	标称值2.40 V；典型工作范围1.8～2.85 V
比能(容量)	150～200 W·h/kg特种电池提供高达240 W·h/kg	100～150 W·h/kg	150～220 W·h/kg	200～260 W·h/kg；预测可以达300 W·h/kg	90～120 W·h/kg	50～80 W·h/kg
充电 (C率)	0.7～1 C，充电至4.20 V(大部分电池)；1C以上的充电电流会缩短电池寿命	典型值为0.7～1C，最大值为3 C，充电至4.20 V(大部分电池)	0.7～1 C，充电至4.20 V，一些至4.30 V；1C以上的充电电流会缩短电池寿命	0.7 C，充电至4.20 V(大多数电池)，一些电池可以快速充电	1 C典型，充电至3.65 V；功率型目前最大4 C	1 C典型；最大5 C，充电至2.85 V
放电 (C率)	1 C；放电截止电压2.50 V	1 C；2.50 V截止	1 C；2 C可能在某些电芯上可行；2.50 V截止	1 C典型；截止3.00 V	1C，2.5C在一些电芯上可行；2.50 V截止	10 C可达，截止电压1.80 V
循环寿命	500～1000，与放电深度、负荷、温度有关	300～700(与放电深度、温度有关)	1000～2000(与放电深度、温度有关)	500(与放电深度、温度有关)	1000～2000(与放电深度、温度有关)	3000～7000
热失控	150 ℃(302 ℉)。满充状态容易带来热失控	典型值为250 ℃(482 ℉)。高电荷促进热失控	典型的210 ℃(410 ℉)。高电荷促进热失控	典型值为150 ℃(302 ℉)，高电荷会导致热失控	270 ℃(518 ℉)即使充满电，电池也非常安全	一种最安全的锂离子电池

项目名称	系统规模	储能类型
国家能源集团北镇储能型风电场	8 MW/14 MW·h	磷酸铁锂电池5 MW/10 MW·h、钒液流电池2 MW/4 MW·h、超级电容1 MW/33 kW·h
国家能源集团卧牛石风电场储能	5 MW/10 MW·h	钒液流电池
中国深圳宝清储能电站	4 MW/16 MW·h	磷酸铁锂电池
中国张北风光储输示范工程(一期)	14 MW/31 MW·h	磷酸铁锂电池

安装地点	系统规模	储能电池类型	状态
广东云浮电厂	9 MW/4.5 MW·h	磷酸铁锂	投运
山西晋能阳光电厂	9 MW/4.5 MWh	三元锂	投运
山西同达电厂	9 MW/4.478 MW·h	磷酸铁锂	投运
内蒙古上都电厂	18 MW/8.957 MW·h	磷酸铁锂	投运

项目名称	系统规模	储能类型
国家863计划并网型微网示范工程浙江鹿西岛项目	2 MW/4 MW·h	铅酸电池
北京市新能源产业基地微电网建设项目	2.6 MW/3.7 MW·h	液流电池、锂离子电池、超级电容器、锌溴电池、镍氢电池
江苏天工国际产业园区互联网+智慧能源系统储能项目	一期：1 MW/8 MW·h二期:11.5 MW/92 MW·h	锂离子电池

[1]	曾伟, 熊俊杰, 李建林, 马速良, 武亦文. 基于权重自适应鲸鱼优化算法的多能系统储能电站最优配置[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2241-2249.
[2]	姚祯, 张琦, 王锐, 刘庆华, 王保国, 缪平. 生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2083-2091.
[3]	时雨, 张忠, 杨晶莹, 钱薇, 李昊, 赵祥, 杨欣桐. 储能电池系统提供AGC调频的机会成本建模与市场策略[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2366-2373.
[4]	冯国会, 王天雨, 王刚. 封装方式对相变水箱蓄放热性能影响模拟分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2161-2176.
[5]	董树锋, 刘灵冲, 唐坤杰, 赵海祺, 徐成司, 林立亨. 基于Simulink和低代码控制器的储能控制实验教学方法[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2386-2397.
[6]	韩健民, 薛飞宇, 梁双印, 乔天舒. 模糊控制优化下的混合储能系统辅助燃煤机组调频仿真[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2188-2196.
[7]	鲁志颖, 江杉, 李全龙, 马可心, 傅腾, 郑志刚, 刘志成, 李淼, 梁永胜, 董知非. 全钒液流电池在充电结束搁置阶段的开路电压变化[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2046-2050.
[8]	郭雨涵, 郁丹, 杨鹏, 王子绩, 王金涛. 基于贪婪算法的分布式储能系统容量优化配置方法[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2295-2304.
[9]	袁性忠, 胡斌, 郭凡, 严欢, 贾宏刚, 苏舟. 欧盟储能政策和市场规则及对我国的启示[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2344-2353.
[10]	刘国静, 李冰洁, 胡晓燕, 岳芬, 徐际强. 澳大利亚储能相关政策与电力市场机制及对我国的启示[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2332-2343.
[11]	杨孝杰, 王海云, 蒋中川, 宋章华. 应用于飞轮储能的BLDC电机功率双向流动策略设计[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2233-2240.
[12]	李洪涛, 张帅, 李旭东, 纪运广, 孙明旭, 李欣. 单罐式储能换热系统在热风无纺布工艺中的应用[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2250-2257.
[13]	吴田, 林闽城, 海浩, 孙海渔, 温兆银, 马福元. 面向一次调频的镍氢电池系统开发[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2213-2221.
[14]	徐光福, 姜淼, 王万纯, 魏阳, 侯炜. 大型储能电池短路故障分析与保护策略[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2222-2232.
[15]	张平, 康利斌, 王明菊, 赵广, 罗振华, 唐堃, 陆雅翔, 胡勇胜. 钠离子电池储能技术及经济性分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1892-1901.