1.6 电池储能系统
电池储能系统为要是利用电池正负极的氧化 还原反应进行充放电，表 2、3 分别显示了一些种 类电池的基本特性和由它们构成的储能系统目前 已达到的性能指标。
甚至十几倍。大容量集成的技术难
电池 单体标称
种类 电压/V
表 2 电力储能系统可利用的为要电池 Tab. 2 Main battery types available to electric energy storage
反应式
研发机构
铅酸
镍镉 1.0~1.3 正极：2NiOOH+2H2O+2e ← → 2Ni(OH)2+2OH 为要电池厂家
? 负极：H2O+e ← → 1/2H2+OH ??-2.0 正极：PbO2+4H+SO4+2e ← → PbSO4+2H2O 为要电池厂家
2+? 负极：Cd?2e+2OH ← → Cd(OH)2 +2??
负极：Pb+SO4
2? →
← PbSO4+2e
?
镍氢 1.0~1.3 正极：Ni(OH)2+OH?e ← → NiOOH+H2O
+? 负极：6C+xLi+xe ← → LixC6 锂 ? 为要电池厂家
离子
钠硫
3.7 正极：LiCoO2 ← → Li1?xCoO2+xLi+xe+?负极：2Na ← → 2Na+2e ?2?2.08 正极：χS+2e ← → χS
+
?
全钒 液流
1.4
负极：V ← → V+e
5+?4+正极：V+e ← → V
2+3+?
为要电池厂家
东京电力公司、 NGK、上海电 力公司 VRB 、 V-Fuel Pty、住友电工、 关西电力公司、 中国电力科学 研究院
电池 种类 铅酸 镍镉 钠硫
表 3 部分电池储能系统的性能比较 Tab. 3 Comparison of different battery energy storage systems
功率 上限 几十MW
比容量/ 比功率/ (Wh/kg) (W/kg) 75
150~300 75~300 寿命/次 500~1 500 2 500 2 500 13 000 循环
充放电 自放电/ 0~80 0~70 0~90 0~80
2~5 0~1 — —
效率/% (%/月)
数十MW 35~50
5~20
锂离子 几十kW 150~200 200~315 1 000~10 000 0~95 全钒液流 数百kW 80~130
十几MW 150~240 90~230
50~140
铅酸电池在高温下寿命缩短，与镍镉电池类 似，具有较低的比能量和比功率，但价格便宜，构 造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电 力系统，目前储能容量已达 20 MW。铅酸电池在电 力系统正常运行时为断路器提供合闸电源，在发电 厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用，为继 保装置、拖动电机、通信、事故照明提供动力的环境污染。
[19]
。
然而，其循环寿命较短，且在制造过程中存在一定
镍镉等电池效率高、循环寿命长，但随着充 放
电次数的增加容量将会减少，荷电保持能力仌 有待提高，且因存在重金属污染已被欧盟组织限 用。锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环 境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素的影 响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命较 单体缩短数倍
4 张文亮等：储能技术在电力系统中的应用
度和生产维护成本使得这些电池在相当长的时间 内很难在电力系统中规模化应用。
钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且
具广阔发展前景的大容量电力储能电池。钠硫电 池储能密度为 140 kWh/m，体积减少到普通铅酸 蓄电池的 1/5，系统效率可达 80%，单体寿命已达 15 a，且循环寿命超过 6 000 次，便于模块化制造、 运输和安装，建设周期短，可根据用途和建设规 模分期安装，很适用于城市变电站和特殊负荷
[21]
3
[20]
Vol. 32 No. 7
国建造的 Huntdorf 电站，装机容量为 290 MW，换 能效率 77%，运行至今，累计启动超过 7 000 次，为 要用于热备用和平滑负荷。在美国，McIntosh 电站装机容量为 100 MW，Norton 电站装机容量为
2.7 GW，用于系统调峰；2005 年由 Ridge 和 EI Paso
540 MW。在日本，1998 年施工建设北海道三五砂川 矿坑储气库，2001 年 CAES 运行，输出功率 2 MW。 在瑞士，ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站，输出功率 442 MW，运行时间为 8 h，贮气空 洞采用水封方式。此外，俄罗斯、法国、意大利、 卢森堡、以色列等国也在长期致力于 CAES 的开发。
能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站，容量为
。 液流电池已有钒
–溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体 系，高性能离子交换膜的出现促进了其发展。液 流电池电化学极化小，能够 100%深度放电，储存 寿命长，额定功率和容量相互独立，可以通过增 加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池 容量的目的，并可根据设置场所的情况自由设计 储藏形式及随意选择形状
[22]
2.3 飞轮储能系统
1999 年欧洲 Urenc Power 公司利用高强度
。目前，钠
碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速为 42 000 rad/min，2001 年 1 月系统投入运行，充当 UPS，储能量达到 18 MJ。美国波音公司 Phantom
工厂研制的高温超导磁浮轴承 100 kW/5 kWh 飞轮 储能装置，已用于电能质量控制和电力调峰。部分 飞轮储能装置在电力系统中的应用情况见表 5。
硫和液流 电池均已实现商业化运作，MW 级钠硫和 100 kW 级液流电池储能系统已步入试验示范阶段。随着 容量和规模的扩大、集成技术的日益成熟，储能 系统成本将进一步降低，经过安全性和可靠性的 长期测试，有望在提高风能/太阳能可再生能源系
统的稳定性、平滑用户侧负荷及紧急供电等方面 发挥重要作用
[23-26]
。
2 电力储能技术在电力系统中的应用实例
2.1 抽水蓄能系统
年份 表 5 飞轮储能装置在电力系统中应用项目 Tab. 5 Some kinetic energy storage systems
installed in power system 研发机构 基本参数 技术特点 作用 不详
日、美、西欧等国家和地区在 20 世纪 60~70 年
代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为 止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量 占世界抽水蓄能电站总装机容量 55%以上，其中： 美国约占 3%，日本则超过了 10%，中国、韩国和 泰国 3 个国家在建抽水蓄能电站 17.530 GW，加上 日本后达到 24.650 GW，表 4 显示了近十年来投入
输出电压18 kV，
不详 日本原子力研究所 215 MW/8 GJ 输出电流6 896 A， UPS 储能效率85% 不详 美国Vista 公司 引入风力发电系统 全程调峰 277 kWh 日本四国综合 8 MWh，储能放电 高温超导磁浮立式轴 平滑负荷
研究所 各4 h，待机16 h 承，储能效率84%
运行的 8 个大型抽水蓄能电站的情况。
表 4 国外 8 个大型抽水蓄能电站的情况 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
落基山 锡亚比舍 奥清津 II 葛野川 拉姆它昆 金谷 神流川 小丸川 电站 国家 美国 伊朗 日本 日本 泰国 德国 日本 日本
装机容量/MW 760 1 000 600 1 600 1 000 1 060 2 820 1 200
Tab. 4 Eight large-scale pumped hypo stations in US,
Japan and Europe 2.4 超导磁储能系统
24 kWh， 电磁悬浮轴承，
1991 美国马里兰大学 转速11 610~ 输出恒压110 V/240 V，电力调峰 46 345 rad/min 全程效率81% 5 MW/100 MWh， 超导磁浮轴承，
德国 转速2 250~ 储能电站 1996 储能效率96%
4 500 rad/min 额定转速 巴西 超导与永磁悬浮轴承 电压补偿 2004 30 000 rad/min
SMES 在美国、日本、欧洲一些国家的电力系
2.2 压缩空气储能电站
世界上第一个商业化CAES 电站为1978 年在德
投入年份 1995 1996 1996 1999 2000 2003 2005 2007
统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能 力和用户电能质量等方面发挥了极其重要的作用， 表 6 显示了其中一些应用实例。 2.5 超级电容器储能系统
西门子公司已成功开发出储能量达到 21 MJ/ 5.7 Wh、最大功率 1 MW 的超级电容器储能系统，并 成功安装在德国科隆市 750 V 直流地铁配电网中， 该系统由 4 800 支 2600 F/2.5 V 超级电容器组成，重 量 2 t，体
积 2 m，超级电容器组储能效率为 95%。
3
表 6 SMES 应用实例
Tab. 6 Some projects of SMES applied in power system 国家/ 年份 应用地点 基本参数 作 用 地区 抑制系统低频振荡和支撑
1982 30 MJ/10 MW 美国
系统电压
1993 美国阿拉斯加电网 1.8 GJ 提高电网的供电可靠性 美国威斯康星州 美国 6×3 MJ/8 MVA 避免电压凹陷和短路故2000 公用电力北方 障
环型输电网 2002 美国田纳西州TVA 8×3 MJ/8 MW 维护输电网电压稳定性 电管局500 kV 输电网 2002 Chubu 电力公司 7.3 MJ/5 MW 提供瞬时电压补偿 日本 2003 Chubu 电力公司 1 MJ，Bi-2212 补偿瞬时电压跌落 Hosoo 电站 2006 10 MW 提高系统稳定性和供电品质 用于20 kVA UPS 系统，与
150 kJ， 电网相连以提高电能质量， 欧洲 2002 德国ACCEL Bi-2223 同时发挥有源电力滤波器
作用。 2001 韩国电力研究所 1 MJ/300 VA 有效维持系统稳定运行 韩国 2006 韩国电力研究所， 3 MJ/750 kVA 提高敏感负荷的供电质量 Hyundai 重工 第 32 卷 第 7 期 电 网 技 术 5
MW，其中近 2/3 用于平滑负荷。2004 年，在美
美国 TVA 电力公司成功开发了 200 kW 超级电容器 储能系统，用于大功率直流电机的启动支撑。
2.6 电池储能系统
2.6.1 铅酸蓄电池系统 铅酸电池储能系统在发电
厂、变电站充当备用
电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和 可靠运行方面发挥了极其重要的作用，表 7 显示了 一些 MW 级铅酸蓄电池系统及其功能。
序 号
1 BEWAG，Berlin (德国) 铅酸电池系统 名称和位置
表 7 国外大型铅酸蓄电池系统一览表 Tab. 7 Selected lead acid battery energy
storage installations
额定功率/容量/ (MW/MWh) 8.5/8.5 0.5/0.5 10/40 20/14 3/4.5 1/1.4 1/4 1.2/1.2
功 能 热备用、频率控制 热备用、平衡负荷
2 Crescent，North Carolina 3 Chino，California (美国)
峰值调节 1986 年 1987 年 1988 年
安装 时间
4
PREPA，Puerto Rico (波多黎各) 5 Vernon，California (美国)
热备用、频率控制 提高电能质量 平衡负荷 提高电能质量 削峰、 1994 年 1995 年 20 世纪 20 世纪 6 Metlakatla，Alaska (美国)
提高孤立电网稳定性 1997 年
7 ESCAR，Madrid (西班牙)
90 年代后期
2.6.2 钠硫电池系统 东京电力公司在钠硫电池系
8 Herne-Sodingen (德国)
90 年代后期
统研发方面处于国
际领先地位，拥有较为成熟的商业化产品，1999 年 在大仁变电站设置 6 MW×8 h 系统，2004 年 7 月又在 Hitachi 自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠 硫电池系统，容量 9.6 MW/57.6 MWh；钠硫电池系统 在电力系统和负荷侧成功应用 100 余套，总容量超过 100
国哥伦比亚空军基地安装了 12 MW/120 MWh 钠硫 电池系统，充当备用电站。 2.6.3 液流电池系统
20 世纪 90 年代初，英国 lnnogy 公司成功开发出
5、20 和 100 kW 系列多硫化钠／溴液流储能电堆， 并于 2001 年和 2002 年分别在英国和美国各建造了 120 MWh 储能电站，用于电站调峰和 UPS；2001 年， 250 kW/520 kWh 全钒液流电池在日本投入商业运 营。近十多年来，美国、日本、欧洲等国家相继将与 风能/光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于
电站调峰，表 8 显示了其中一些示范应用工程。
表 8 全钒液流电池示范应用工程
序号 1970 1980 1990 1995 2000 2005 2020 2050
合计/% 96.5 96.0 94.9 93.9 93.2 93.4 85 70 % 80.9 72.2 76.2 74.6 66.1 69.6 55 40 % 14.7 20.7 16.6 17.5 24.6 21.1 22 20 % 0.92 3.1 2.1 1.8 2.5 2.7 8 10
核电/% 可再生能源/% 3.53 4.0 5.1 6.1 6.8 6.6 8 15
— — — — — — 7 15
Tab. 8 A summary of VRB energy storage systems
supplied by VRB Power, V-Fuel Pty and SEI 地点 储能系统规模 功用 研发单位 时间
3 我国能源的布局及电力系统的特点和需求
3.1 我国能源特点
2006 年8 月 1 爱尔兰风电场 2 MW×6 h风/储发电并网
2004 年2 月 2 美国犹他州 250 kW×8 h 削峰填谷
2003 年11 月 3 澳洲金岛风场 200 kW×8 h 风/储/柴联合
2006 年6 丹麦 15 kW×8 h风力/储能发电 月 4 南非 5 250 kW/520 kWh 应急备用 加拿大 2002 年 美国 VRB 2005 年10 备用电源 月 6 南卡罗来纳州 30/60 kW×2 h Power
2007 年7 美国 月 7 2×5 kW×4 h 光伏/储能发电 Systems 佛罗里达州 Inc.
2006 年4 意大利 电信备用电源 月 8 5 kW×4 h
2006 年4 丹麦 风力/光伏发电 月 9 5 kW×4 h 2006 年3 加拿大 偏远地区供电 月 10 10 kWh 2005 年9 德国 光/储并网 月 11 10 kWh
V-Fuel 泰国 1993 年 12 1 kW/12 kWh 光伏/储能应用 Pty Ltd
日本 1997 年 13 200 kW/800 kWh 平稳负载波动
电站调峰 住友 1999 年 14 关西电力 450 kW/1 MWh 日本 15 1.5 MW/3 MWh 电能质量 电工 2001 年 2001 年 16 日本北海道 170 kW/1 MWh 风/储并用系统
我国能源具有以下特点： （1）化石能源呈逐年下降趋势，但以煤炭为为。 表9 显示了我国
国土资源部对一次能源结构比
例的统计数据，可以看出，化石能源在整个 20 世 纪所占的份额均在 93%以上，其中煤炭能源占为要
年份
表 9 我国一次能源构成状况
Tab. 9 Primary energy structure in China
化石 煤/ 石油/ 能源结构 天然气/
水电+ 非水能的