电储能技术在大型地面光伏电站的应用总体框架1.docx
《电储能技术在大型地面光伏电站的应用总体框架1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电储能技术在大型地面光伏电站的应用总体框架1.docx（39页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
电储能技术在大型地面光伏电站的应用总体框架1
电储能技术在大型地面电站的应用
近几十年来，储能技术的研究发展一直受到各国能源、交通、电力、电信等部门和行业的高度重视。
储能技术已被视为电力系统运行过程中“采—发—输—配—用—储”六大环节的重要组成部分，电力系统引入储能技术后，可以有效的实现需求侧管理，不仅能更有效的降低用电成本，还可以促进可再生能源更好的应用，也可作为提高系统稳定性，有效调峰、调频、补偿负荷波动的有效手段。
首先，需要了解储能技术分类和相关特点。
一、储能技术的分类及特点
序号
储能
技术
主要
类别
主要技术特点
应用占比
全球市场
中国
1
物理（机械）储能
主要包括抽蓄、压缩空气、飞轮储能等；
效率一般为75%左右，具有日调节能力，用于调峰和备用，主要用电电力系统调峰填谷、调频及事故备用。
不足是选址困难，及其依赖地势;投资周期较大，损耗较高，包括抽蓄损耗+线路损耗;现阶段也受中国电价政策的制约，我国计划到2020年投资建设2692万千瓦装机。
98%（占总装机的3%）
99.5%
2
电化学储能
主要包括铅蓄电池，锂离子电池、液流电池、钠硫电池等；
锂离子电池：
其效率可达95%以上，放电时间可达数小时，循环次数可达1000—5000次或更多，响应快速，是电池中能量最高的实用性电池，正负极材料也有多种应用。
不足之处：
存在价格高（4元/wh）、过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行充电保护。
（后续重点介绍）
锂离子电池53%、钠硫电池29%、铅蓄电池9%，
锂离子电池57%、铅蓄电池28%和液流电池10%，
3
电磁
储能
包括超级电容、超导储能等;
充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保。
目前研究的方向是能否做到面积很小，电容更大。
超级电容器的发展还是很快的，目前石墨烯材料为基础的新型超级电容器非常火。
和电池相比，其能量密度导致同等重量下储能量相对较低，直接导致的就是续航能力差，依赖于新材料的诞生，比如石墨烯。
超导储能的成本很高（材料和低温制冷系统），使得它的应用受到很大限制。
可靠性和经济性的制约，商业化应用还比较远。
1%
实验室
4
其他电化学及化学储能
包括燃料电池、金属空气电池等，电制氢，电制甲烷
全周期效率较低，制氢效率仅40%，合成天然气的效率不到35%。
总体转换效率偏低，工艺较复杂，安全、环保要求较高。
推广面积不大（德国）
实验室和小型示
5
热储能
热储能又分为显热储能和潜热储能。
热储能储存的热量可以很大，所以可利用在可再生能源发电上。
我国“十三五”开始大力推广光热发电技术（塔式和槽式），该技术不足之处：
热储能要各种高温化学热工质，用用场合比较受限，部分技术我国还没有完全掌握。
光热利用较早
光热十三五正式开始发展（10GW）
6
前沿技术分类：
一类是在传统技术上做的一些改良或者优化，比如锂硫电池，液化空气储能另一类是新型的技术体系设计开发，如锂空气电池、铝离子电池等。
最值得期望的石墨烯电池技术。
（补充石墨烯电池资料：
）
二、世界各主要国家储能技术应用及发展情况：
1、世界主要国家运行储能装机排名（主要还是抽蓄储能）。
表一：
2016年全球累计运行储能装机TOP10国家
2、主要储能技术在世界各个国家的应用情况。
表二：
2015年全球各类型储能技术主要装机国家
（电化学储能中国马上会跃居世界第一）
3、不同储能方式综合数据对比（能量和功率密度、环境效益）：
4、不同储能方式综合成本分析（功率等级和成本）。
总体来说，目前国际及中国研究发展主要还是集中于超级电容和电池（锂电池、液流电池）上，稳步发展一部分抽蓄。
材料领域的突破才是关键。
四、电储能技术的关键设备
1、蓄电池的前世今生。
序号
主要先进国家
中国
备注
时间
蓄电池类型
时间
电池类型
1
1802年
Dr.WilliamCruikshank设计了第一个便于生产制造的电池.
1911年
我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池
交通部电池厂
2
1859年
GastonPlanté发明可充电的铅酸电池.
1921年
第一家专业铅蓄电池厂
蓄电池厂
3
1890年
ThomasEdison发明可充电的铁镍电池
1941年
中央军委三局所属电信材料厂开始生产锌锰干电池和修理铅酸蓄电池
在
4
1910年
可充电的铁镍电池商业化生产
1957年
组建机电部电材局化学电源研究室
5
1956年
Energizer.制造第一个9伏电池
1958年
原一机部化学电源研究所
原电子工业部电源研究所
6
1970年
前后
出现免维护铅酸电池.一次锂电池实用化.
1960年
我国第一家碱性蓄电池厂“风云器材厂
在正式验收投产
7
1991年
Sony.可充电锂离子电池商业化生产
20世纪90年代初
国家开始了“863”重点攻关，使Ni-MH电池的生产化得到了迅速发展
8
1995年
发明了聚合物锂离子电池，（采用凝胶聚合物电解质为隔膜和电解质）1999年开始商品化
进入二十一世纪以来
碱性锌锰电池得到飞速的发展
9
2000年
以后
锂电池、钠硫电池、全钒液流电池等新一代电池技术领先
2008年
较高能量比的锂离子电池开始发展并商业化投运
2、中国能源科技“十三五”规划对储能电池的重点发展方向：
1）、集中攻关类：
新型高效电池储能技术研究（研究水系锂电池、凝胶锂电池、固态锂电池以及锂硫电池技术的电极材料及规模制备技术，新型钠、硫体系储能系统的关键技术，低电阻、高可靠性铅炭电池电极板的制备工艺技术；
2）、示试验类：
掌握低成本长寿命储能锂离子电池关键技术，建成20MW/10MWh钛酸锂电池储能示系统，并投入示运行，储能系统循环寿命达到10000次，成本低于3000元/kWh。
3）、公关试验类：
MW级以上大容量钠硫电池储能装置示验证；
4）、应用推广类全钒液流电池储能产业化技术研究目标：
实施百兆瓦以上级全国产化材料全钒液流电池储能装置示应用工程；建造300MW/年液流电池产业化基地，实现规模化生产。
五、中国电储能技术及产业发展发展情况
序号
时间节点
里程碑标志
政策导向及支撑性文件
备注
1
2005年11月
开始推动储能技术的试点应用
国家发改委发布《可再生能源产业发展指导目录》，目录提出将2项电池项目作为重点开发项目并开展试点。
通过立法推动可再生能源的开发利用。
2
2006年10月
从科技角度促进储能材料和技术的研发。
国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年》，提出“高效能源转换与储能材料体系、燃料电池发电及车用动力系统集成技术和储能技术”是先进能源技术领域的重点研究容
这个阶段的储能市场远未启动，技术成本非常高，远不足以支撑储能在电力系统中的各项应用。
3
2008-2009
储能技术纳入法律
《中华人民国可再生能源法》及修正案修正案首次将智能电网规划发展、储能技术应用于电网建设纳入法律畴。
4
2009年7月
电储能技术发展的拐点
财政部、科技部、国家能源局制定了《金太阳示工程财政补助资金管理暂行办法》，提出要支持建设“国家风光储输示工程”。
大容量储能的尝试
5
2010年9月
进一步提出和明确了储能在发、输、配、用环节的作用和导向
国建发改委发布了《“十二五”电网智能化规划》，明确了储能技术在智能电网的发电、配电和用电环节的作用，提出开展分布式电源、储能及微电网接入与协调控制试点。
优先在分布式能源，微电网提出应用指导。
6
2010年11月
储能加速发展的起点
发改委联合多个部门发布《电力需求侧管理办法》，提出建立峰谷电价制度，鼓励低谷蓄能，促进通过峰谷电价体现储能的价值。
一年前的四位一体项目逐步启动并并网投产。
2009年发布的国家风光储输示工程，作为目前世界上规模最大的集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体的可再生能源项目
7
2011年10月
电储能示工程开始收益，示效应展现。
随着国家风光储输示工程一期项目的磷酸铁锂电池系统成功交付，越来越多的人开始注意到储能为可再生能源比例不断提高的电力系统带来的稳定性、安全性以及灵活性。
得到业界普遍认可和尝试启动。
“储能”作为智能电网的技术支撑在国家的政策性纲领文件中首次出现。
8
2012年初
国家开始全面技术性推广（截止目前，基本都是“技术是基础”的原则。
储能出现在《国家“十二五”科学和技术发展规划》、《可再生能源发展“十二五”》、《国家能源科技“十二五”规划》、《新材料产业“十二五”发展规划》等各项规划政策中。
包括“新能源技术”和“发电与输配电技术”；同时明确了10兆瓦级大规模超临界空气储能装置、兆瓦级飞轮储能系统及飞轮阵列、超级电容器储能装置、超导储能系统、钠硫电池储能系统、液流储能电池系统的研究方向。
部分地方“十二五”规划政策如《市滨海新区风电发展“十二五”规划》和《市电力发展“十二五”规划》甚至提出要建设兆瓦级储能示项目。
9
2013年初
第一个光伏拐点
中国集中爆发了光伏产业问题，中国政府提出光伏“救市”新政。
极大促进了光伏及相关产业在国的进一步大发展。
西方国家对中国光伏产品开展“双反”，成为光伏国大发展的促进。
10
2013年7月
补贴新政开始出台
财政部发布的《关于分布式光伏发电实行按照电量补贴政策等有关问题的通知》；
光伏补贴启动
11
2013年8月
储能在光伏应用领域的预期提升
国家发展改革委发布的《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》（发改价格[2013]1638号），这些政策提出实行“自发自用、余电上网、就近消纳、电网调节”的运营模式，并对分布式光伏发电项目实行按照发电量进行电价补贴。
提升了储能在该领域应用的预期，如比亚迪园区20MW分布式储能项目。
12
2014—2015年初
启动编写储能产业“十三五”规划
储能技术编入《国家应对气候变化规划》：
在重点发展的低碳技术方面，先进太阳能、风能发电及大规模可再生能源储能和并网技术被列入其中。
专项规划促进行业发展。
13
2015年4月
第二轮电改拉开序幕——储能获益渠道确认。
国家发改委下发《关于贯彻中发3[2015]9号文件精神加快推进输配电价改革的通知》正式拉开了电力体制改革的序幕。
如果说之前的政策都是从科技攻关、项目/应用推广的角度推动储能的话，那么电改政策的发布则是从根本上对储能所在的电力市场环境及规则进行修正。
能从根本上改变储能的获益渠道和应用机会。
明确了储能发展价值渠道。
14
2015年10月
充电基础设施加快
国家发改委发布《关于开展可再生能源就近消纳试点的通知》，国务院办公厅发布《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》
消纳困难的问题凸显，矛盾重重。
15
2016年6月
储能在电力系统中的应用具有里程碑式的意义
国家能源局发布《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》，探索电储能在电力系统运行中的调峰调频作用及商业化应用，推动建立促进可再生能源消纳的长效机制。
是第一个给予了电储能参与调峰调频辅助服务的身份的电力政策。
16
2016年12月
新起点，新的五年规划。
国家能源局《能源技术创新“十三五”规划》重点提出：
1）、集中攻关类：
新型高效电池储能技术研究，2）、示试验类：
掌握低成本长寿命储能锂离子电池关键技术；3）、MW级以上大容量钠硫电池储能装置示验证；4）、应用推广类全钒液流电池储能产业化技术研究目标：
实施百兆瓦以上级全国产化材料全钒液流电池储能装置示应用工程；
研究水系锂电池、凝胶锂电池、固态锂电池以及锂硫电池技术的电极材料及规模制备技术；掌握低成本长寿命储能锂离子电池关键技术，实施百兆瓦以上级全国产化材料全钒液流电池储能装置示应用工程；建造300MW/年液流电池产业化基地，实现规模化生产。
17
2017年2月
大面积储能示项目开工并建成投运
《2017年能源工作指导意见》明确提出：
制订实施《关于促进储能技术与产业健康发展的指导意见》，建立储能技术系统研发、综合测试和工程化验证平台，推进重点储能技术试验示。
积极推进已开工项目建设，年计划建成辉腾、尼玛、融科（部分）、比亚迪园区、电源、三星与天合光能、等具备条件的项目。
做好二连浩特、猛狮科技、协鑫集成等储能电站项目前期工作。
1
、我国电储能技术政策引导及主要形势：
从电储能政策及引导支持情况来看：
国外的储能政策环境相对完善，我国仍在不断摸索和建立过程中。
根据对国外储能相关政策的收集梳理，和储能直接、间接相关的政策主要是八大类，包括：
（1）可再生能源上网电价；
（2）峰谷电价；
（3）储能技术研发支持政策；
（4）储能的发展规划；
（5）配备储能的分布式发电激励政策；
（6）储能系统安装的税收减免、
（7）储能电价支持等。
（8）储能先进技术研究、应用、示工程等政策支持。
2、我国电储能技术应用领域和类型:
我国当前处在逐步建立政策体系过程中，有一些积累，但还有工作需要完善。
2.1储能在电力系统应用主要分为五大领域：
（1）发电，
（2）辅助服务，（3）输配电，
（2）（4）可再生能源，
（3）
（5）用户领域。
2.2储能在电力系统应用的17种类型：
（1）辅助动态运行、
（2）取代或延缓新建机组、
（3）调频、（4）电压支持、
（5）调峰、（6）备用容量、
（7）无功支持、（8）缓解线路阻塞、
（9）延缓输配电网升级、（10）备用电源、
（11）可再生能源平滑输出/削峰填谷、（12）爬坡率控制、
（13）用户分时电价管理、（14）容量费用管理、
（15）电能质量、（16）紧急备用、（17）需求侧管理等。
3、我国电储能技术发展的突出特点。
3.1电储能技术总体发展时间不长，国家开始重视并采取政策支持是《能源科技“十五”计划》开始，大力研发及政策落地是“十二五”末到“十三五”初。
3.2目前我国的原创技术仍然在成长和高速发展阶段，而且国家政策引导和支持力度在逐年加大。
3.3行业和市场正在逐步培养并迅速扩，电储能应用和发将有非常美好的前景和期待。
3.4总体发展脉络仍然没有摆脱办法和政策跟着问题产生后想办法解决问题的传统循环。
3.5总体政策导向和支持力度还远远不够，行业及市场存在的问题依然很多，尤其科研、技术、资金的投入还远远不够。
核心技术和应用管理尚在初级阶段。
3.6电储能在新能源、新能源交通、智能微网的扩大应用和推广将势不可挡，未来市场很大。
六、针对电化学储能技术的主要特点对比：
1、电化学储能电池的宏观对比。
（1）、铅酸电池：
是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
目前在世界上应用广泛，循环寿命可达1000次左右，效率能达到80%-90%，性价比高，常用于电力系统的事故电源或备用电源。
不足之处：
如果深度、快速大功率放电时，可用容量会下降。
其特点是能量密度低，寿命短。
铅酸电池今年通过将具有超级活性的炭材料添加到铅酸电池的负极板上，将其循环寿命提高很多。
（2）、锂离子电池：
是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
主要应用于便携式的移动设备中，其效率可达95%以上，放电时间可达数小时，循环次数可达5000次或更多，响应快速，是电池中能量最高的实用性电池，目前来说用的最多。
近年来技术也在不断进行升级，正负极材料也有多种应用。
市场上主流的动力锂电池分为三大类：
钴酸锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。
前者能量密度高，但是安全性稍差，后者相反，国电动汽车比如比亚迪，目前大多采用磷酸铁锂电池。
但是好像老外都在玩三元锂电池和磷酸铁锂电池。
锂硫电池也很火，是以硫元素作为正极、金属锂作为负极的一种电池，其理论比能量密度可达2600wh/kg，实际能量密度可达450wh/kg。
但如何大幅提高该电池的充放电循环寿命、使用安全性也是很大的问题。
不足之处：
存在价格高（4元/wh）、过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行充电保护。
（3）、钠硫电池：
是一种以金属钠为负极、硫为正极、瓷管为电解质隔膜的二次电池。
循环周期可达到4500次，放电时间6-7小时，周期往返效率75%，能量密度高，响应时间快。
目前在日本、德国、法国、美国等地已建有200多处此类储能电站，主要用于负荷调平，移峰和改善电能质量。
不足之处：
因为使用液态钠，运行于高温下，容易燃烧。
而且万一电网没电了，还需要柴油发电机帮助维持高温，或者帮助满足电池降温的条件。
（4）、液流电池：
利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池。
电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小，因而可以储存长达数小时至数天的能量，容量可达MW级。
这个电池有多个体系，如铁铬体系，锌溴体系、多硫化钠溴体系以及全钒体系，其中钒电池最火吧。
不足之处：
电池体积太大;电池对环境温度要求太高;价格贵（这个可能是短期现象吧）;系统复杂（又是泵又是管路什么的，这不像锂电等非液流电池那么简单）。
电池储能都存在或多或少的环保问题。
2、针对
当前市场核心主流蓄电池产品主要技术指标和参数对比：
表三：
当前主流电化学储能电池关键参数对比
（国际可再生能源署称，去年，锂离子电池占新增储能方案的50%。
到2025年，锂离子电池将继续占据主导地位，占全球电力电池储能部署的80%。
）
七、锂离子电池工作原理。
1、锂离子电池化学反应及正负极反应原理：
正极反应：
放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
负极反应：
放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
电池总反应
以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。
回正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。
而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池部的电化学反应需要时间。
就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。
正极
正极材料：
可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。
正极反应：
放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：
LiFePO?
→Li1-xFePO?
+xLi+xe
放电时：
Li1-xFePO?
+xLi+xe→LiFePO?
不同的正极材料对照：
正极材料
平均输出电压
能量密度
LiCoO?
3.7V
140mAh/g
Li2MnO3
3.7V
100mAh/g
LiFePO4
3.2V
130mAh/g
Li2FePO?
F
3.6V
115mAh/g
负极
负极材料：
多采用石墨。
新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
负极反应：
放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
充电时：
xLi+xe+6C→LixC6
放电时：
LixC6→xLi+xe+6C
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：
充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
2、锂离子电池主要组成部分
（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。
（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
3、锂离子电池突出应用优点
（1）电压高：
单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。
（2）比能量大：
能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。
（3）循环寿命长：
一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。
对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。
（4）安全性能好：
无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：
Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：
部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。
（5）自放电小：
室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。
（6）快速充电：
1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
（7）工作温度：
工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。
八、大型地面光伏电站锂离子电池储能技术应用案例
1、产品特点
1.1高性能，大容量，磷酸铁锂储能电池堆，绿色环保
1.2系统实现全数字化控制，具备无人值守，全自动化运行能力
1.3全面可靠的系统监控，强大的数据处理和传输能力，友好的人际界面
1.4具有恒功率运行模式，可以进行远程功率调度，满足智能电网的要求
1.5具备孤岛运行与主网并网运行的能力
1.6系统采用模块化、标准化设计，可在线进行故障诊断和维护，维护成本低
1.7系统具备可靠完善的故障保护，报警和故障自我诊断的能力，有效保护系统与人员安全
1.8使用寿命长，整个储能系统的使用寿命15年以上
1.9储能系统空间布局合理，占用面积小
2、系统简介
本系统采用的是2MW/4MWh锂电池储能系统。
储能系统由4个500kW/1000kWh储能单元组成，每个储能单元由1台500kW双向变流器、7个150kWh电池柜和1个总控柜（汇流柜）构成。
每个150KWh电池柜由17个磷酸铁锂电池模块串联而成，由1套分电池管理单元（SBMU）来管理。
每个电池模块由14个200Ah电池串联而成，由1个电池监测单元（CSC）
来管理。
每4个电池柜的761.6V高压直流总线汇流到总控柜上，与双向变流器直流侧相连。
2MW/4MWh储能系统架构如下图所示：
图2-12MW/4MWh储能系统
升级会员 