鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究陳蓓李勁齊亮上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院（200070）陳蓓（1985年11月~），女，華東理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)，博士。從事儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子方面的探索研究工作。聯(lián)系郵箱：chenbei@摘要：本文首先介紹了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展情況，然后對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，并對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域，列舉了國內(nèi)外較具代表性的鋰離子電池儲(chǔ)能示范工程。綜合考慮規(guī)模等級(jí)、設(shè)備形態(tài)、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)成本，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)具備大力推廣的潛力，但還需克服技術(shù)難點(diǎn)，朝著高安全、長壽命、低成本的目標(biāo)努力發(fā)展。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；儲(chǔ)能技術(shù)；電力系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TM911.14OnlithiumbatteryenergystoragetechnologyanditsapplicationinpowersystemAbstract:Inthispaper,thedevelopmentoftheenergystorageindustryandtheresearchofthelithiumbatteryenergystoragetechnologyarediscussed.Byanalyzingtheapplicationsoftheenergystoragetechnologiesinpowersystem,thedomainapplicationoflithiumbatteryenergystoragetechnologyareinvestigated,andsomerepresentativelithiumbatteryenergystoragedemonstrationprojectsaregiven.Consideringthescalelevel,thedeviceforms,technologyandeconomiccost,lithiumbatteryenergystoragetechnologyhasthepotentialtopromote,butalsoneedtoovercometechnicaldifficultiestowardhighsafety,longlife,andlow-costdevelopmentgoal.KeyWords:lithiumbattery;energystoragetechnology;powersystem引言日益突出的環(huán)境問題和資源問題促進(jìn)了新能源的迅猛發(fā)展，目前，這些可再生能源的發(fā)展面臨電力品質(zhì)差和并網(wǎng)難的瓶頸問題。同時(shí)，現(xiàn)階段用戶對(duì)電能質(zhì)量和電力品質(zhì)要求越來越高，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)已經(jīng)不能很好地滿足用戶的需求，智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)等電網(wǎng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。儲(chǔ)能技術(shù)是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)、建設(shè)智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，將迎來巨大的市場機(jī)遇。作為新興產(chǎn)業(yè)，儲(chǔ)能在2008年之后一直保持較快增長，據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（ChinaEnergyStorageAlliance，CNESA）項(xiàng)目庫不完全統(tǒng)計(jì)，全球儲(chǔ)能項(xiàng)目在電力系統(tǒng)的裝機(jī)總量已經(jīng)從2008年的不足100MW發(fā)展到2013年10月的726.7MW（不包含抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能及儲(chǔ)熱），年復(fù)合增長率達(dá)到193%。從地域分布上看，無論是項(xiàng)目數(shù)量還是裝機(jī)規(guī)模，美國與日本仍然是最主要的儲(chǔ)能示范應(yīng)用國家，分別占41%和39%的全球裝機(jī)容量份額。根據(jù)市場調(diào)查公司PikeResearch的報(bào)告數(shù)據(jù)，全球儲(chǔ)能市場將在未來十年實(shí)現(xiàn)100倍的增長，此間將吸引投資額1220億美元。歐洲儲(chǔ)能協(xié)會(huì)(EASE)副會(huì)長杰里斯?瑞德斯戈?duì)柕?JillisRaadschelders)表示，到2030年，儲(chǔ)能市場的規(guī)模累計(jì)將達(dá)5000億歐元。本文首先對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行闡述，然后重點(diǎn)對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究展開分析。國內(nèi)外發(fā)展概況美國是儲(chǔ)能發(fā)展較早的國家，目前擁有全球近半的示范項(xiàng)目，并且出現(xiàn)了若干實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的儲(chǔ)能項(xiàng)目。美國同時(shí)還是多種儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)源地，同時(shí)也代表著這些技術(shù)發(fā)展的最高水平。美國儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與政府政策的支持密不可分。美國儲(chǔ)能相關(guān)政策具備全面性和可持續(xù)發(fā)展的特征，同時(shí)輔助于大規(guī)模的政府資金支持。2009年上半年，美國政府撥款20億美元用于支持包括大規(guī)模儲(chǔ)能在內(nèi)的電池技術(shù)研發(fā)。同年11月，美國能源部又撥款近2億美元支持規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)研發(fā)。2013年6月，加州將儲(chǔ)能納入輸配采購及規(guī)劃體系中，推動(dòng)輸電、配電等環(huán)節(jié)配置儲(chǔ)能，解決電網(wǎng)管理問題。目前該項(xiàng)計(jì)劃已經(jīng)吸引了大批風(fēng)險(xiǎn)投資的涌入。受限于國內(nèi)資源匱乏，日本是最早、最積極發(fā)展新能源和儲(chǔ)能的國家之一。經(jīng)過2011年福島核電站事故后，日本將推動(dòng)戶用儲(chǔ)能作為產(chǎn)業(yè)扶持的重點(diǎn)。2012年4月出臺(tái)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)助金政策。用戶在購買獲得SII認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可企業(yè)的新能源產(chǎn)品、嚴(yán)格按要求安裝并通過SII機(jī)構(gòu)的審核后，便能獲得所購買新能源產(chǎn)品總價(jià)值1/3的補(bǔ)助，最高可獲得100萬日元補(bǔ)助金。在這項(xiàng)政策的支持下，2013年，越來越多的儲(chǔ)能系統(tǒng)獲得補(bǔ)助并投放市場。另外，日本在推動(dòng)智能電網(wǎng)/智能城市建設(shè)方面處于國際先列。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省確定的橫濱市、豐田市、關(guān)西文化學(xué)術(shù)研究都市、北九州市4個(gè)地區(qū)目前正進(jìn)行實(shí)證實(shí)驗(yàn)，從能源管理系統(tǒng)、需求側(cè)響應(yīng)、電動(dòng)汽車（EV）與家庭的互動(dòng)設(shè)計(jì)、蓄電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及智能交通等方面實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)能源的整體優(yōu)化使用。不僅在日本，全球智能城市或社區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)也成為熱點(diǎn)，儲(chǔ)能在這一領(lǐng)域的市場前景也十分廣闊。為應(yīng)對(duì)“棄核”政策，德國正在持續(xù)發(fā)展風(fēng)能、光伏等可再生能源。2013年，相比其它國家，德國在推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)方面的動(dòng)作較大，2013年和2014年2年共計(jì)劃投資5000萬歐元，對(duì)新購買儲(chǔ)能系統(tǒng)的用戶直接進(jìn)行補(bǔ)貼，有效地促進(jìn)了戶用儲(chǔ)能市場的發(fā)展。目前已有30MW的項(xiàng)目獲得補(bǔ)貼，國內(nèi)外公司也紛紛搶占市場，如博士公司推出一款針對(duì)德國住宅光伏市場的產(chǎn)品，可以滿足一個(gè)典型的四口之家80%及以上的電力需求；LG化學(xué)公司聯(lián)合德國SMA公司開發(fā)符合德國補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的家用能源管理系統(tǒng)等。這一補(bǔ)貼政策的實(shí)施是推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)市場化的重要里程碑，用戶已經(jīng)開始意識(shí)到安裝光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用所帶來的價(jià)值，市場對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資有望大幅增加。據(jù)預(yù)測，由于這一儲(chǔ)能補(bǔ)貼計(jì)劃的出臺(tái)，德國在未來5年的儲(chǔ)能裝機(jī)容量有望達(dá)到2GW·h。印度、馬來西亞、印尼等東南亞國家是微電網(wǎng)的新興市場。這些地區(qū)海島眾多，無電人口比例大，有些島嶼的無電人口覆蓋率甚至高達(dá)70%。鑒于這些島嶼的地理因素和經(jīng)濟(jì)狀況，微電網(wǎng)成為唯一的解決方式。目前這些國家的政府已經(jīng)發(fā)布解決無電人口的目標(biāo)與計(jì)劃，馬來西亞沙巴洲、Mersing群島等已經(jīng)成功引進(jìn)微網(wǎng)系統(tǒng)解決當(dāng)?shù)毓╇妴栴}，更多的島嶼對(duì)包括儲(chǔ)能在內(nèi)的微網(wǎng)技術(shù)的需求在增加。歐盟電網(wǎng)計(jì)劃（EEGI）近期發(fā)布了《歐洲儲(chǔ)能創(chuàng)新圖譜》報(bào)告，對(duì)歐洲14個(gè)國家儲(chǔ)能研究、開發(fā)與示范項(xiàng)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在過去5年，這些國家公共投資和受到歐盟委員會(huì)直接資助的項(xiàng)目總數(shù)達(dá)到391個(gè)，總投資額9.86億歐元。大部分經(jīng)費(fèi)投資于電化學(xué)儲(chǔ)能（主要是電池）、“電力轉(zhuǎn)換氣體”（power-to-gas）以及蓄熱技術(shù)。從分析結(jié)果來看，儲(chǔ)能領(lǐng)域大部分工作還處于研究階段，部分達(dá)到了首次中試階段，僅有非常少的項(xiàng)目推進(jìn)到了示范或預(yù)商業(yè)化階段。在中國，截至2013年10月底，累計(jì)運(yùn)行、在建及規(guī)劃的儲(chǔ)能項(xiàng)目總量近60個(gè)，裝機(jī)規(guī)模超過75MW，其中分布式發(fā)電及微網(wǎng)型儲(chǔ)能項(xiàng)目是最多的，如東福山島風(fēng)光儲(chǔ)柴項(xiàng)目、南麂島微網(wǎng)項(xiàng)目、西藏阿里光伏儲(chǔ)能項(xiàng)目、青海玉樹分布式光水蓄互補(bǔ)系統(tǒng)等。儲(chǔ)能在該領(lǐng)域的迅速發(fā)展，既是偏遠(yuǎn)地區(qū)無電人口用電問題亟需解決的迫切市場需求，也是中國政府產(chǎn)業(yè)政策推動(dòng)的結(jié)果。2011年3月份，我國《十二五規(guī)劃綱要》中，首次提到依托儲(chǔ)能等技術(shù)推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)；2011年7月，科技部發(fā)布的《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”》中把儲(chǔ)能作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，將儲(chǔ)能列為戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域；2011年10月20日，國家發(fā)改委頒布的《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南（2011年度）》中將儲(chǔ)能技術(shù)作為先進(jìn)能源的第一項(xiàng)提出，重點(diǎn)支持的儲(chǔ)能技術(shù)包括鋰離子電池、鈉硫電池、釩電池、燃料電池等四種。國家能源局2011年12月發(fā)布的《國家能源科技“十二五”規(guī)劃（2011‐2015）》中指出，“十二五”期間，我國可再生能源還將繼續(xù)大規(guī)模發(fā)展，《規(guī)劃》指出，到2015年可再生能源發(fā)電量要爭取達(dá)到總發(fā)電量的20%以上?！兑?guī)劃》中最能體現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)遇的是，到2015年，我國將建成30個(gè)新能源微電網(wǎng)示范工程，這些示范工程以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲(chǔ)能技術(shù)為支撐，“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑”是其目標(biāo)。國家電網(wǎng)2013年3月發(fā)布的《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》中指出，推進(jìn)分布式發(fā)電發(fā)展，加快新能源開發(fā)利用，提高能源效率，減少化石能源消費(fèi)，促進(jìn)節(jié)能減排和非化石能源發(fā)展目標(biāo)的完成，強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的重要應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)能否以設(shè)備形態(tài)應(yīng)用于電力系統(tǒng)是決定其能否得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要因素，也就是說，投入應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)易于批量化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，便于控制與維護(hù)，可以作為電力系統(tǒng)中的一類設(shè)備，而不是以工程形態(tài)出現(xiàn)。在眾多儲(chǔ)能方式中，電池儲(chǔ)能是契合設(shè)備形態(tài)需求較好的一種儲(chǔ)能技術(shù)[1]。鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備主要包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem,BMS）、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversionSystem，PCS）和監(jiān)控系統(tǒng)四部分，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.1儲(chǔ)能電池近年來，鋰離子電池技術(shù)發(fā)展迅速，在材料制備、制造工藝和電池性能上和國際水平差距不大。目前，國內(nèi)作為動(dòng)力電池使用的單體鋰離子電池技術(shù)已較為成熟，包括比亞迪、微宏在內(nèi)的多個(gè)電池廠家能提供現(xiàn)成產(chǎn)品，對(duì)于儲(chǔ)能用的電池，關(guān)鍵技術(shù)為大規(guī)模電池成組技術(shù)以及成組后的科學(xué)管理。成組示意圖如下所示：圖2電池成組示意圖電池的成組設(shè)計(jì)需要考慮：1）根據(jù)母線電壓、功率等確定電池容量；2）串并聯(lián)聯(lián)接方式，確保電池之間可靠、安全聯(lián)接；3）散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）冗余設(shè)計(jì)，考慮電池更換問題。電池管理系統(tǒng)電池在生產(chǎn)和使用過程中，會(huì)造成電池的自放電率、內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)的不一致，這種差異表現(xiàn)為電池組充滿或放完時(shí)串聯(lián)電池之間的電壓、容量的不相同。如圖3所示。圖3鋰離子電池容量不一致示意圖電池不均衡時(shí)，使用時(shí)易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，放電時(shí)電壓過低的電芯會(huì)被過放，充電時(shí)會(huì)過充，電池組的離散性增加，容量最低的電池將決定整個(gè)電池串的總?cè)萘?。電池管理系統(tǒng)通過監(jiān)控和管理儲(chǔ)能電池，實(shí)現(xiàn)電池成組后的智能化管理，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，也最大限度延長電池壽命，并將電池信息傳輸給相關(guān)子系統(tǒng)，為系統(tǒng)整體決策提供判斷依據(jù)。國內(nèi)包括高特、鉅威新能源、海博思創(chuàng)等公司已經(jīng)能提供基于較高采樣精度的BMS產(chǎn)品，技術(shù)難點(diǎn)為大規(guī)模單體電池成組后的電池一致性問題，關(guān)鍵技術(shù)是電池電量一致性均衡技術(shù)和高精度電池荷電狀態(tài)（SOC）估算技術(shù)。其中，均衡技術(shù)是指通過調(diào)整單節(jié)電池充電電流方式，保證系統(tǒng)內(nèi)所有電池的電池端電壓時(shí)刻具有良好的一致性。SOC估算技術(shù)是指通過在充放電過程中在線實(shí)時(shí)監(jiān)測電池容量，隨時(shí)給出電池系統(tǒng)的剩余容量，將電池SOC的工作范圍控制在合理范圍內(nèi)。目前主要采用的SOC估算方法有開路電壓法、安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，起到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直流電流與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞作用。用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不同于光伏逆變器和風(fēng)電變流器，光伏逆變器是電能從電池板到電網(wǎng)的單向流動(dòng)，風(fēng)電變流器只保證輸入輸出功率平衡。用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)既要與電池接口完成充放電管理，又要與電網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。目前，面向大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尚未統(tǒng)一，為了適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和滿足不同的應(yīng)用需求，PCS的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。典型的可分為以下兩種：僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS這種結(jié)構(gòu)如圖4所示，PWM變換器的輸出部分接有升壓變壓器，以便其電壓與所并聯(lián)的交流網(wǎng)絡(luò)電壓相匹配，同時(shí)起到將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的電氣隔離作用。蓄電池系統(tǒng)充電時(shí)，PWM變換器工作在整流器狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將能量儲(chǔ)存在蓄電池中；放電時(shí)PWM變換器工作在逆變器狀態(tài)，將蓄電池釋放的能量由直流轉(zhuǎn)換為交流回饋外部系統(tǒng)[2]。這種僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是適于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，PCS環(huán)節(jié)能耗相對(duì)較低。該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、造價(jià)高；儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性；電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障有可能在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時(shí)大電流，對(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。圖4僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS該結(jié)構(gòu)的DC/DC環(huán)節(jié)主要是進(jìn)行升、降壓變換，從而避免變壓器的使用。電池充電時(shí)，PWM變換器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電壓整流為直流電壓，該電壓經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓得到電池充電電壓；放電時(shí)，PWM變換器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變換器升壓向逆變器提供直流側(cè)輸入側(cè)電壓，經(jīng)逆變器輸出合適的交流電壓。這種含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PCS的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理；由于DC/DC環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升、降，使得電池的容量配置更加靈活；適于風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性比較強(qiáng)的分布式電源的接入配合，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來電壓波動(dòng)。主要缺點(diǎn)是多了DC/DC環(huán)節(jié)，整個(gè)PCS系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低；大容量PCS的DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系還有待研究。圖5包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS國內(nèi)專門從事面向儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS的生產(chǎn)廠商并不多，比亞迪基于其先進(jìn)的大功率逆變技術(shù)，現(xiàn)已成功開發(fā)出應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的50kW、100kW、200kW、250kW、500kW、1MW等各規(guī)格的PCS，國內(nèi)知名廠家還有合肥陽光電源、北京四方繼保、北京索英電氣等。監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)目前在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)，還需實(shí)現(xiàn)對(duì)電池堆的有效管理以及承擔(dān)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用控制功能，市場上已有的產(chǎn)品難以滿足上述技術(shù)需求，需要在現(xiàn)有的監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行二次深化開發(fā)。系統(tǒng)集成儲(chǔ)能系統(tǒng)集成方面，比亞迪公司、寧德時(shí)代新能源有限公司提出可根據(jù)客戶需要定制移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品方案，中航鋰電已成功開發(fā)出2.5kWh、50kWh的儲(chǔ)能電源模塊，以及200kWh一體化移動(dòng)電源系統(tǒng)。系統(tǒng)的集成主要包括完整的集成方案與關(guān)鍵設(shè)備的集成。大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)的完整集成方案可以分為以下三步：（1）首先考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合效率和荷電狀態(tài)限制，并綜合考慮不同應(yīng)用模式以及不確定因素（包括電網(wǎng)故障和負(fù)荷增長），當(dāng)配合分布式能源時(shí)還要考慮輸出功率的波動(dòng)特性等，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）根據(jù)儲(chǔ)能容量開展電池成組設(shè)計(jì)，從可靠性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)串并聯(lián)連接方式，特別要注意散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；根據(jù)儲(chǔ)能容量和應(yīng)用模式，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備（主要是能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，這里涉及到大容量PCS的技術(shù)規(guī)范要求和多臺(tái)PCS并聯(lián)技術(shù)；（3）整體設(shè)計(jì)完成后，通過仿真軟件或者實(shí)際工程數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容可以從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面展開，比如壽命評(píng)估、效率評(píng)估、補(bǔ)償效果評(píng)估、技術(shù)性總體評(píng)估、單位投資成本評(píng)估等。關(guān)鍵設(shè)備間的集成主要包括大容量能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與電池及電池管理系統(tǒng)的接口技術(shù)。由于電池模塊眾多，串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，匹配不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流/對(duì)充等問題，檢修更換也易產(chǎn)生安全事故。需要綜合考慮可靠性、維護(hù)檢修等多方面因素，在保證大容量鋰離子電池的使用壽命和安全性的條件下，合理地進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析綜合分析發(fā)現(xiàn)，目前整個(gè)市場的研究側(cè)重點(diǎn)還在電池技術(shù)和單一裝置上，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用和集成的研究不夠，技術(shù)路線尚不清晰，還沒有完整、成熟的針對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的解決方案。開展大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：1）大量單體電池構(gòu)成的大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)，成組技術(shù)、SOC及SOH狀態(tài)估計(jì)與監(jiān)測技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜程度都遠(yuǎn)超過中小容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，國內(nèi)可供借鑒的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)非常有限。2）大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的PCS方案十分關(guān)鍵，若采用單臺(tái)大容量PCS，難點(diǎn)在于研究大容量PCS的技術(shù)規(guī)范要求；若采用多臺(tái)PCS方案，則站內(nèi)多臺(tái)PCS之間直接協(xié)作機(jī)制與實(shí)現(xiàn)方法尚待研究。3）在大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的控制技術(shù)上，既要考慮能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與鋰離子電池的接口技術(shù)，在保證大容量鋰離子電池的使用壽命和安全性的條件下，合理地對(duì)電池進(jìn)行充放電管理；同時(shí)，還要考慮以能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作為接口的電網(wǎng)接入技術(shù)，考慮能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求，發(fā)揮移峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等功能。4）大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)信息量大，又要滿足實(shí)時(shí)性的要求，站內(nèi)信息的分層分區(qū)設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的容量與接入技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用情況目前，電力行業(yè)仍是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。儲(chǔ)能在電力行業(yè)的應(yīng)用貫穿整個(gè)發(fā)輸配用過程，而儲(chǔ)能技術(shù)也已經(jīng)在削峰填谷、調(diào)頻、新能源并網(wǎng)、輸配電系統(tǒng)等方面成功開展了多個(gè)項(xiàng)目，各儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的裝機(jī)情況如表3-1所示。表3-1儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的裝機(jī)情況儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)容量/MW所占比例/%可再生能源并網(wǎng)鋰離子電池68.815.52鈉硫電池27161.15液流電池31.77.15鉛酸電池30.96.97鎳鎘電池0.80.18飛輪儲(chǔ)能409.03總?cè)萘?43.2100電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)鋰離子電池206.953.53鈉硫電池276.99鉛酸電池60.315.60鎳鎘電池276.99飛輪儲(chǔ)能65.316.89總?cè)萘?86.5100電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、備用容量等鋰離子電池136.8710.61鈉硫電池1094.284.78液流電池0.520.04鉛酸電池594.57總?cè)萘?290.59100用戶側(cè)應(yīng)用，削峰填谷、電能質(zhì)量管理、家庭儲(chǔ)能等鋰離子電池2.5812.89液流電池0.130.65鉛酸電池17.2185.95超導(dǎo)儲(chǔ)能0.0030.01飛輪儲(chǔ)能0.10.5總?cè)萘?0.023100注：數(shù)據(jù)來自儲(chǔ)能委員會(huì)2000年~2012年1月開展的儲(chǔ)能項(xiàng)目的不完全統(tǒng)計(jì)，不包含抽水蓄能、壓縮空氣能、儲(chǔ)熱。僅列舉了最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，且各應(yīng)用之間存在交叉，即有的項(xiàng)目同時(shí)用于數(shù)種應(yīng)用領(lǐng)域，表中將該類項(xiàng)目分別歸納計(jì)算于相關(guān)應(yīng)用中。通過對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)容量進(jìn)行比較分析[3]，鋰離子電池技術(shù)是除鈉硫電池外，在可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、備用容量等領(lǐng)域占比例最高的儲(chǔ)能技術(shù)，特別是在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)方面的表現(xiàn)最為突出，是調(diào)頻應(yīng)用中最主要的技術(shù)。這表明鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展速度較快，正通過參與到更多的儲(chǔ)能應(yīng)用中，逐步走向成熟。在用戶側(cè)的應(yīng)用中，鉛酸電池仍然占據(jù)了大部分市場，這與鉛酸電池的應(yīng)用歷史和成本優(yōu)勢有關(guān)。隨著家庭儲(chǔ)能的興起，鋰離子電池的應(yīng)用空間逐漸被打開，技術(shù)進(jìn)步帶來成本下降，相信鋰離子電池的裝機(jī)量會(huì)逐步攀升。微網(wǎng)和分布式發(fā)電也是儲(chǔ)能的重要應(yīng)用領(lǐng)域，下表對(duì)國內(nèi)外共12個(gè)裝機(jī)容量在千瓦級(jí)以上的項(xiàng)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。表3-2儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電和微網(wǎng)的裝機(jī)情況儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)容量/kW所占比例/%鋰離子電池704880.94液流電池800.92先進(jìn)鉛酸電池158018.14從表中看到，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在千瓦級(jí)以上的微網(wǎng)和分布式發(fā)電項(xiàng)目中占有比例遠(yuǎn)高于其他類型的儲(chǔ)能技術(shù)。鋰離子電池儲(chǔ)能示范工程國內(nèi)外，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的示范項(xiàng)目不斷增加，圖6列舉了較具代表性的3個(gè)示范項(xiàng)目。圖6國內(nèi)外鋰離子電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目結(jié)論和展望本文首先介紹了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展情況，然后對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，并對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域。智能電網(wǎng)和新能源并網(wǎng)催生儲(chǔ)能需求潛力，這是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在市場中獲得發(fā)展的重要契機(jī)。綜合考慮規(guī)模等級(jí)、設(shè)備形態(tài)、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)成本，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)具備大力推廣的潛力，但還需克服技術(shù)難點(diǎn)，朝著高安全、長壽命、低成本的目標(biāo)努力發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)新技術(shù)前景研究”項(xiàng)目咨詢組.大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013,37(1):3-8,30.[2]李戰(zhàn)鷹，胡玉峰，吳俊陽.大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(5)：39-42.[3]蘇偉等.化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2013.8.附錄資料：不需要的可以自行刪除常用電工與電子學(xué)圖形符號(hào)序號(hào)符號(hào)名稱與說明1—直流注：電壓可標(biāo)注在符號(hào)右邊，系統(tǒng)類型可標(biāo)注在左邊2直流注：若上述符號(hào)可能引起混亂，也可采用本符號(hào)3交流頻率或頻率范圍以及電壓的數(shù)值應(yīng)標(biāo)注在符號(hào)的右邊，系統(tǒng)類型應(yīng)標(biāo)注在符號(hào)的左邊 50Hz示例1：交流50Hz 100~600Hz示例2：交流頻率范圍100~600Hz380/220V3N50Hz示例3：交流，三相帶中性線，50Hz，380V（中性線與相線之間為220V）。3N可用3+N代替3N50Hz/TN-S示例4：交流，三相，50Hz，具有一個(gè)直接接地點(diǎn)且中性線與保護(hù)導(dǎo)線全部分開的系統(tǒng)4低頻（工頻或亞音頻）5中頻（音頻）6高頻（超音頻，載頻或射頻）7交直流8具有交流分量的整流電流注：當(dāng)需要與穩(wěn)定直流相區(qū)別時(shí)使用9N

中性（中性線）10M中間線

11+

正極12-負(fù)極

13熱效應(yīng)14電磁效應(yīng)過電流保護(hù)的電磁操作15電磁執(zhí)行器操作16熱執(zhí)行器操作（如熱繼電器、熱過電流保護(hù)）17電動(dòng)機(jī)操作18正脈沖19負(fù)脈沖20交流脈沖21正階躍函數(shù)22負(fù)階躍函數(shù)23鋸齒波24接地一般符號(hào)25無噪聲接地（抗干擾接地）26保護(hù)接地27接機(jī)殼或接底板28等電位29理想電流源30理想電壓源31理想回轉(zhuǎn)器32故障（用以表示假定故障位置）33閃繞、擊穿34永久磁鐵35動(dòng)觸點(diǎn)注：如滑動(dòng)觸點(diǎn)36測試點(diǎn)指示示例點(diǎn)，導(dǎo)線上的測試37交換器一般符號(hào)/轉(zhuǎn)換器一般符號(hào)注：①若變換方向不明顯，可用箭頭表示在符號(hào)輪廓上38電機(jī)一般符號(hào)，符號(hào)內(nèi)的星號(hào)必須用下述字母代替C同步交流機(jī)G發(fā)電機(jī)G8同步發(fā)電機(jī)M電動(dòng)機(jī)MG擬作為發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)使用的電機(jī)MS同步電動(dòng)機(jī)注：可以加上符號(hào)—或∽SM伺服電機(jī)TG測速發(fā)電機(jī)TM力矩電動(dòng)機(jī)IS感應(yīng)同步器39三相籠式異步電動(dòng)機(jī)40三相線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)41并勵(lì)三相同步變速機(jī)42直流力矩電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)一般符號(hào)43電機(jī)示例：短分路復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)示出接線端子和電刷44串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)45并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)46單相籠式有分相扇子的異步電動(dòng)機(jī)47單相交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)48單向同步電動(dòng)機(jī)49單向磁滯同步電動(dòng)機(jī)自整角機(jī)一般符號(hào)符號(hào)內(nèi)的星號(hào)必須用下列字母代替：CX控制式自整角發(fā)送機(jī)CT控制式自整角變壓器TX力矩式自整角發(fā)送機(jī)TR力矩式自整角接收機(jī)50手動(dòng)開關(guān)一般符號(hào)51按鈕開關(guān)（不閉鎖）52拉拔開關(guān)（不閉鎖）53旋鈕開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)（閉鎖）54位置開關(guān)動(dòng)合觸點(diǎn)限制開關(guān)動(dòng)合觸點(diǎn)55位置開關(guān)動(dòng)斷觸點(diǎn)限制開關(guān)動(dòng)斷觸點(diǎn)56熱敏自動(dòng)開關(guān)動(dòng)斷觸點(diǎn)57熱繼電器動(dòng)斷觸點(diǎn)58接觸器觸點(diǎn)（在非動(dòng)作位置斷開）59接觸器觸點(diǎn)（在非動(dòng)作位置閉合）60操作器件一般符號(hào)注：具有幾個(gè)繞組的操作器件，可由適當(dāng)數(shù)值的斜線或重復(fù)本符號(hào)來表示61緩慢釋放（緩放）繼電器的線圈62緩慢吸合（緩吸）繼電器的線圈63緩吸和緩放繼電器的線圈64快速繼電器（快吸和快放）的線圈65對(duì)交流不敏感繼電器的線圈66交流繼電器的線圈67熱繼電器的驅(qū)動(dòng)器件68熔斷器一般符號(hào)69熔斷器式開關(guān)70熔斷器式隔離開關(guān)71熔斷器式負(fù)荷開關(guān)72火花間隙73雙火花間隙74動(dòng)合（常開）觸點(diǎn)注：本符號(hào)也可以用作開關(guān)一般符號(hào)75動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn)76先斷后合的轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)77中間斷開的雙向觸點(diǎn)78先合后斷的轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)（橋接）79當(dāng)操作器件被吸合時(shí)延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)80有彈性返回的動(dòng)合觸點(diǎn)81無彈性返回的動(dòng)合觸點(diǎn)82有彈性返回的動(dòng)斷觸點(diǎn)83左邊彈性返回，右邊無彈性返回的中間斷開的雙向觸點(diǎn)84指示儀表的一般符號(hào)星號(hào)須用有關(guān)符號(hào)替代，如A代表電流表等85記錄儀表一般符號(hào)星號(hào)須用有關(guān)符號(hào)替代，如W代表功率表等86指示儀表示例：電壓表87電流表88無功電流表89無功功率表90功率因數(shù)表91相位表92頻率表93檢流計(jì)94示波器95轉(zhuǎn)速表96記錄儀表示例：記錄式功率表97組合式記錄功率表和無功功率表98記錄式示波器99電度表（瓦特小時(shí)計(jì)）100無功電度表101燈一般符號(hào)信號(hào)燈一般符號(hào)注：①如果要求指示顏色則在靠近符號(hào)處標(biāo)出下列字母：RD紅、YE黃、GN綠、BU藍(lán)、WH白②如要指出燈的類型，則在靠近符號(hào)處標(biāo)出下列字母：Ne氖、Xe氦、Na鈉、Hg汞、I碘、IN白熾、EL電發(fā)光、ARC弧光、FL熒光、IR紅外線、UV紫外線、LED發(fā)光二極管102閃光型信號(hào)燈103電警笛報(bào)警器104優(yōu)選型其它型峰鳴器105電動(dòng)器箱106電喇叭107優(yōu)選型其它型電鈴108可調(diào)壓的單向自耦變壓器109繞組間有屏蔽的雙繞組單向變壓器110在一個(gè)繞組上有中心點(diǎn)抽頭的變壓器111耦合可變的變壓器112三相變壓器星形—三角形聯(lián)結(jié)113三相自耦變壓器星形連接114單向自耦變壓器115雙繞組變壓器注：瞬時(shí)電壓的極性可以在形式Z中表示示例：示出瞬時(shí)電壓極性標(biāo)記的雙繞組變壓器流入繞組標(biāo)記端的瞬時(shí)電流產(chǎn)生輔助磁通116三繞組變壓器117自耦變壓器118電抗器扼流圈119優(yōu)選型其它型電阻器一般符號(hào)120可變電阻器可調(diào)電阻器121壓敏電阻器、變阻器注：U可以用V代替122滑線式變阻器123帶滑動(dòng)觸點(diǎn)和斷開位置的電阻器124滑動(dòng)觸點(diǎn)電位器125優(yōu)選型其它型電容器一般符號(hào)注：如果必須分辨同一電容器的電極時(shí)，弧形的極板表示：①在圈定的紙介質(zhì)和陶瓷介質(zhì)電容器中表示外電極②在可調(diào)和可變的電容器中表示動(dòng)片電極③在穿心電容器中表示紙電位電極126優(yōu)選型其它型極性電容器127優(yōu)選型其它型可變電容器可調(diào)電容器128優(yōu)選型其它型微調(diào)電容器129電感器線圈繞組扼流圈130半導(dǎo)體二極度管一般符號(hào)131發(fā)光二極管一般符號(hào)132利用室溫效應(yīng)的二極管Q可用t代替133用作電容性器件的二極管（變?nèi)荻O管）134隧道二極管135單向擊穿二極管電壓調(diào)整二極管江崎二極管136雙向擊穿二極管137反向二極管（單隧道二極管）138雙向二極管交流開關(guān)二極管139三極晶體閘流管注：當(dāng)沒有必要規(guī)定控制極的類型時(shí)，這個(gè)符號(hào)用于表示反向阻斷三極晶體閘流管140反向阻斷三極晶體閘流管N型控制極（陽極側(cè)受控）141反向阻斷三極晶體閘流管P型控制極（陰極側(cè)受控）142可關(guān)斷三極晶體閘流管，末規(guī)定控制極143可關(guān)斷三極晶體閘流管N型控制極（陽極側(cè)受控）144可關(guān)斷三極晶體閘流管P型控制極（陰極側(cè)受控）145反向阻斷四極晶體閘流管146雙向三極晶體閘流管三端雙向晶體閘流管147反向?qū)ㄈ龢O晶體閘流管，末規(guī)定控制極148反向?qū)ㄈ龢O晶體閘流管，N型控制極（陽極側(cè)受控）149反向?qū)ㄈ龢O晶體閘流管，P型控制極（陰極側(cè)受控）150光控晶體閘流管151PNP型半導(dǎo)體管152NPN型半導(dǎo)體管，集電極接管殼153NPN型雪崩半導(dǎo)體管154具P型基極單結(jié)型半導(dǎo)體管155具有N型基極單結(jié)型半導(dǎo)體管156N型溝道結(jié)型場效應(yīng)半導(dǎo)體管注：柵極與源極引線應(yīng)繪在一直線上157P型溝道結(jié)型場效應(yīng)半導(dǎo)體管158增強(qiáng)型、單柵、P溝道和襯底無引出線絕緣相場效應(yīng)半導(dǎo)體管159增強(qiáng)型、單柵、N溝道和襯底無引出線絕緣相場效應(yīng)半導(dǎo)體管160增強(qiáng)型、單柵、P溝道和襯底有引出線絕緣相場效應(yīng)半導(dǎo)體管161增強(qiáng)型、單柵、N溝道和襯底與源極在內(nèi)部連接絕緣相場效應(yīng)半導(dǎo)體管162耗盡型、單柵、N溝道和襯底無引出線的柵場效應(yīng)半導(dǎo)體管163耗盡型、單柵、P溝道和襯底無引出線的柵場效應(yīng)半導(dǎo)體管164耗盡型、單柵、N溝道和襯底有引出線的柵場效注：在多柵的情況下，主柵極與源極的引線應(yīng)在一條直線上165光敏電阻具有對(duì)稱導(dǎo)電性的光電器件166光電二極管具有非對(duì)稱導(dǎo)電性的光電器件167光電池168光電半導(dǎo)體管（示出PNP型）169原電池或蓄電池170原電池組或蓄電池組171“或”單元，通用符號(hào)只有一個(gè)或一個(gè)以上的輸入呈現(xiàn)“1”狀態(tài)，輸出才呈現(xiàn)“1”狀態(tài)注：如果不會(huì)引起意義混淆，“≥1”可以用“1”代替172“與”單元，通用符號(hào)只有所有輸入呈現(xiàn)“1”狀態(tài)，輸出才呈現(xiàn)“1”狀態(tài)173邏輯門檻單元，通用符號(hào)只有呈現(xiàn)“1”狀態(tài)輸入的數(shù)目等于或大于限定符號(hào)中用m表示的數(shù)值，輸出才呈現(xiàn)“1”狀態(tài)注：①m總是小于輸出端的數(shù)目②具有m―1的單元就是上述“或”單元174等于m單元，通用符號(hào)只有呈現(xiàn)“1”狀態(tài)輸入的數(shù)目等于限定符號(hào)中以m表示的數(shù)值，輸出才呈現(xiàn)“1”狀態(tài)注：①m總是小于輸出端的數(shù)目②m―1的2輸入單元就是通常所說的“異或”單元175多數(shù)單元，通用符號(hào)只有多數(shù)輸入呈現(xiàn)“1”狀態(tài)，輸出才呈現(xiàn)“1”狀態(tài)176邏輯恒等單元，通用符