1.電池儲(chǔ)能技術(shù)的原理
儲(chǔ)能技術(shù)是指通過(guò)物理或化學(xué)等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的儲(chǔ)存，并在需要時(shí)進(jìn)行釋放的一系列相關(guān)技術(shù)。一般而言，根據(jù)儲(chǔ)存能量的方式不同可將其分類為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及電化學(xué)儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能又可劃分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能。電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。電化學(xué)儲(chǔ)能的方式是將電能以化學(xué)能形式進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放。目前的電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括電池和電化學(xué)電容器的裝置實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，常用的電池有鉛酸電池、鉛炭電池、鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池等。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有高效率、應(yīng)用靈活性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)逐漸在電力儲(chǔ)能市場(chǎng)占有越來(lái)越重要的地位。
表1 不同電池性能比較
2.電池儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)及主要用途
為促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展，近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展清潔能源，風(fēng)電、光伏實(shí)現(xiàn)跨越式大發(fā)展，新能源裝機(jī)容量占比日益提高。然而，在清潔能源高速發(fā)展的同時(shí)，波動(dòng)性、間歇式新能源的并網(wǎng)給電網(wǎng)從調(diào)控運(yùn)行，安全控制等諸多方面帶來(lái)了不利影響，極大地限制了清潔能源的有效利用。電池儲(chǔ)能電站可與分布/集中式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用，是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題的有效途徑之一，將隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益增大以及電池儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，成為支撐我國(guó)清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大關(guān)鍵技術(shù)。
電池儲(chǔ)能作為電能存儲(chǔ)的重要方式，具有功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置，響應(yīng)速度快，不受地理資源等外部條件的限制，適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，使得電池儲(chǔ)能在配合集中/分布式新能源并網(wǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行輔助等方面具有不可替代的地位。
圖1 儲(chǔ)能電池在分布式電源及微電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用
大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站在發(fā)電側(cè)，可作為獨(dú)立電站參與電網(wǎng)調(diào)頻/調(diào)壓、提供備用、削峰填谷，同時(shí)也可與可再生能源發(fā)電配合提高可再生能源上網(wǎng)電量; 在輸電側(cè)可作為輸電網(wǎng)投資升級(jí)替代方案，延緩電網(wǎng)升級(jí)，并為電網(wǎng)提供二次調(diào)頻服務(wù); 在配電側(cè)可延緩配電網(wǎng)的升級(jí)改造，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性并提升接納分布式電源的能力; 在用戶側(cè)可通過(guò)峰谷價(jià)差進(jìn)行價(jià)格套利、參與需求側(cè)響應(yīng)獲取收益。
3.國(guó)內(nèi)外電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，世界各國(guó)都投入了大量的人力、物力進(jìn)行大規(guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究。近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外連續(xù)建成大量規(guī)模化的電池儲(chǔ)能電站。以美國(guó)為代表的西方國(guó)家近年來(lái)對(duì)于大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站建設(shè)的投入巨大，美國(guó)在加利福尼亞、賓夕法尼亞等州建立了大量不同儲(chǔ)能形式的儲(chǔ)能電站， 其應(yīng)用涵蓋發(fā)電、輔助服務(wù)、輸配電、用戶端、分布式發(fā)電與微電子工業(yè)網(wǎng)、大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)等領(lǐng)域，且對(duì)不同儲(chǔ)能電站的功能和作用進(jìn)行了分類和界定，為全世界大規(guī)模儲(chǔ)能電站的發(fā)展指明了方向。
表2 國(guó)外大規(guī)模電池儲(chǔ)能項(xiàng)目
國(guó)內(nèi)基于大規(guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)也開(kāi)展了大量研究工作，在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電基地、輸配電及用戶側(cè)以及分布式發(fā)電與微電網(wǎng)等領(lǐng)域，已建成了多項(xiàng)示范工程，并開(kāi)展了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置、控制策略等多項(xiàng)研究工作，取得了許多研究成果。
國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程是以“電網(wǎng)友好型”新能源發(fā)電為目標(biāo)，是目前世界上規(guī)模最大，且集風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能及輸電工程四位一體的可再生能源綜合示范工程。其中， 一期工程建設(shè)風(fēng)電98.5MW、光伏發(fā)電40MW和儲(chǔ)能裝置20MW(包括14MW/63MWh 鋰離子電池和2MW/8MWh全釩液流電池)，并配套建設(shè)220kV智能變電站一座。通過(guò)大規(guī)模儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種儲(chǔ)能設(shè)備的協(xié)調(diào)控制和能量管理，具備平抑可再生電源出力波動(dòng)、輔助可再生電源按計(jì)劃曲線出力及調(diào)峰填谷等各項(xiàng)功能。
圖2 國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程全景
示范工程儲(chǔ)能電站(一期)設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為20MW，總儲(chǔ)存電量95MWh，目前已經(jīng)安裝磷酸鐵鋰儲(chǔ)能裝置14MW(共63MWh)和液流儲(chǔ)能裝置2MW(8MWh)。通過(guò)大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)十兆瓦級(jí)多類型電池儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)集成、統(tǒng)一調(diào)度及工程應(yīng)用，解決了電池儲(chǔ)能電站協(xié)調(diào)控制及能量管理關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了平滑風(fēng)光功率輸出、跟蹤計(jì)劃發(fā)電、參與系統(tǒng)調(diào)頻、削峰填谷等高級(jí)應(yīng)用功能，提高了風(fēng)/光伏電站發(fā)電的可預(yù)測(cè)性、可控性及可調(diào)度性。
圖3 國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
基于儲(chǔ)能電站的上層能量管理策略可實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)出力互補(bǔ)，從而達(dá)到風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合出力波動(dòng)率滿足小于7%的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，跟蹤發(fā)電計(jì)劃滿足誤差小于3%的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖4 國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程監(jiān)控界面
4.未來(lái)電池儲(chǔ)能電站的應(yīng)用前景
未來(lái)大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用需要從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)開(kāi)展一些工作：
(1)從大規(guī)模儲(chǔ)能電池的設(shè)計(jì)、集成、安裝、運(yùn)行、監(jiān)控等生產(chǎn)運(yùn)行全過(guò)程，充分重視電池的安全問(wèn)題，提出不同類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全邊界，對(duì)可能出現(xiàn)的電池過(guò)熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設(shè)計(jì)具有充分可靠性的安全措施，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。
(2)充分考慮大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)量龐大的儲(chǔ)能單元及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提出站域集中管理與子系統(tǒng)分區(qū)自治相結(jié)合的大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站優(yōu)化控制架構(gòu)，從根本上解決各儲(chǔ)能單元差異性與應(yīng)用目標(biāo)統(tǒng)一性之間的矛盾，全面提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合管控能力。
(3)有效利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方法，兼顧歷史和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)診斷與分析，性能衰減與安全預(yù)警等，確保大規(guī)模集中/分布式電池儲(chǔ)能電站安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
(4)針對(duì)大規(guī)模集中/分布式電池儲(chǔ)能電站與集中/分布式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用場(chǎng)景，考慮智能化運(yùn)行調(diào)度、安全穩(wěn)定控制、全壽命周期管理、多目標(biāo)控制管理、運(yùn)行效益最優(yōu)等多方面需求，提出不同集成架構(gòu)下的電池儲(chǔ)能電站多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制方法，破解不同形式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理與科學(xué)控制的難題。
(5)考慮大規(guī)模集中/分布式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可能由不同種類、不同壽命階段的電池儲(chǔ)能單元/梯次利用動(dòng)力電池儲(chǔ)能單元等混合集成，研究并揭示上述多類型電池儲(chǔ)能電站中不同類型儲(chǔ)能單元健康狀態(tài)、性能衰減、充放電倍率的差異特性，分析各電池單元?jiǎng)討B(tài)連接后的充放電特性，提出針對(duì)不同類型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、智能、差異化的充放電控制方法，解決電池優(yōu)化管理難題。
(6)從電池儲(chǔ)能模塊級(jí)、裝置級(jí)和系統(tǒng)級(jí)等不同層面，研究不同類型大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)的充放電特性、工況適用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法，掌握先進(jìn)大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的量化分析與綜合評(píng)估方法，支撐電池儲(chǔ)能技術(shù)的深入研究和工程化應(yīng)用。
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