淺談電化學儲能技術在電力系統用戶側的應用

凌震宇

上海電力綠色能源有限公司 上海 200126

引言

自20世紀90年代起，我國已經逐漸針對電力需求側管理技術進行大力推廣，而電力需求側在管理工作中主要是針對企業或者是終端用戶實現的精細化管理以及對企業用電進行全方位管理。在當前電力系統節能服務工作中，企業越來越重視用戶側的節能手段，在該過程中逐漸產生可觀的收益。并且作為以節能服務為主的相關企業，以用戶側作為節能工作的重心逐漸成為當前新興行業的重要節點。通過對用戶當前節能狀況，以及用戶潛在的節能潛力，提出更加高效的節能減排方案。過去在電力系統中，發電、用電可以同時進行，如此導致在用電高峰的時候所造成的發電壓力是非常大的，但是在用電低谷的時候往往又出現大量的電力被閑置，導致大量電力資源被浪費。電力系統中儲能技術的應用可以幫助電力系統中生產調動更加順利，可以有效地提高電力設備利用率，降低電網壓力，在電力系統應用中更好的保證用電安全，降低故障發生的概率，如此不僅可以降低電網建設以及電網維護的資金投入，并且可以實現現有的外延擴張性的發展模式逐漸轉變為內涵增效型，在電力系統用戶側的應用更加廣泛、高效。

1 電化學儲能技術的意義與作用

在傳統電力系統能源供應中主要以煤炭能源為主，但是目前世界上煤炭能源逐漸匱乏，并且生態環境也在不斷的惡化之中，所以新能源技術的研究與發展是必然趨勢，新能源發電系統規模正在不斷的擴大，在當前電力應用中所發揮的角色越來越重要。在傳統的發電模式中，比如火力發電，一般根據電網的用電需求整個過程需要進行發電、輸電、配電以及用電等幾個步驟進行電力的調度和調整；而新能源，例如風能、太陽能等為基礎的新能源技術更多的是依賴自然資源，所以受自然環境的影響比較大，整個發電過程的波動性和間歇性比較明顯，因此在發電過程中想要進行合理的調節控制比較困難，并且將此類電力發電并網之后所帶來的不利影響也是巨大的。而電化學儲能技術的應用對于新能源發電的波動性以及間歇性可以起到很好的緩解作用，從而使得電網的運行更加安全穩定，尤其是在用戶側應用中更加穩定，大大提高用電效率，降低自然環境對新能源發電的影響，讓其優勢更加突出。

在傳統的電網發電中，電網負荷始終處于動態平衡狀態，也不會發生儲能問題，但是電力的動態平衡狀態所帶來的問題是用電高峰會面臨巨大的用電壓力，而在用電低谷會造成大量的電力資源被浪費，所以這種供電模式已經逐漸不適用于當前新興社會發展模式，尤其是對于之后的電力調度管理以及安全維護等工作帶來了更多的不便之處。同時伴隨著電力系統的應用越來越重要，想要維持用電高峰期的用電穩定性，必然需要投入大量的資金用于輸電設備購置，導致電力設備的總利用降低，提高用電成本。而電化學儲能技術的引入，不僅有效的提高電力應用率，供電用電不會在同一時段產生波峰，因此對維持電力平衡狀態有著極為重要的意義。在這種新的儲能理念的推動之下電網的結構、規劃設計、輸配電調度等也將發生根本性的變革。

2 電化學儲能技術的應用現狀

所謂的電化學儲能技術實際上就是通過化學反應實現化學能和電能之間的轉換，借此進行能量存儲。電池是在電化學儲能中最常用的載體之一。而電池發展至今種類眾多，并且其內部材料以及工作原理都存在非常大的區別，但是其內部核心大同小異，基本都是由正極、負極、隔膜以及電解質組成。其儲能的過程為化學反應正極失去電子發生氧化反應，負極得到電子發生還原反應。電化學儲能技術是當前一種被廣泛關注的儲能形式，使用該儲能方法的優勢是根據不同的應用需求自由的進行配置，受地理因素的限制非常小，在大規模實際應用中非常適合，但是使用電化學儲能的缺點是使用壽命比較短，并且成本比較高，這是目前電池在實際應用中的最大阻礙。目前鋰離子電池、鉛酸電池等相關研究逐漸趨于成熟，而大規模儲能電池如鈉硫電池、全釩液流電池等也取得了一定的研究成果。

3 用戶側儲能應用

3.1 充電站

目前在用戶側儲能應用中比較常用場景為光儲充一體化應用，使用該體系的主要優勢為不僅可以有效緩解在充電高峰期充電樁在大量應用時所產生的大電流充電區域對于電網所造成的沖擊，另一方面可以通過電力應用峰谷差價為充電站的應用帶來較大的經濟效益，目前充電站已經在各大區域試點建設。

3.2 用戶側儲能電池的選擇

目前在用戶側儲能電池選擇中因為電化學儲能技術比較成熟并且適用范圍比較廣，因此應用也相對比較廣泛。綜合電池各方面的指標以及用戶側使用的基本情況統計分析，不同電池的應用性能對比如下：首先全釩電池具有非常高的循環次數，但是全釩電池的能量密度低，需要維護的成本比較高，而鋅鎳電池其本身的性質存在問題，所以在實際應用中很難進行推廣。而鉛炭電池在初期使用中由于其成本相對較低，并且可以回收利用被廣泛應用，通常鉛炭電池的折舊回收率大約為30%，其成本優勢還是十分明顯的，但是在實際應用中鉛炭電池的充放電倍率較低，每天僅能完成充放電一次，而且鉛炭電池的占地面積比較大，造成的環境壓力比較大。目前比較流行并且應用比較廣泛的電池為鋰電池，鋰電池的優勢為能量較高，尤其是近年來鋰電池汽車的發展，使得鋰電池的研究正在如火如荼的進行當中，在未來其成本的下降空間還是很大的，但是和磷酸鐵鋰電池相比較來說三元鋰電池在應用中引發火災的可能性較大，所以在大規模調峰儲能電站中并不適用。

4 電化學儲能效益分析

4.1 儲能削峰填谷以及發電容量效應

理論上電力系統的最大裝機量的判定標準是最大發電負荷進行，如果說負荷曲線的頂端尖峰部分負荷維持的時間比較短，也就是說可以通過削峰填谷的方式降低發電裝機容量，以此來降低建設成本，通過該方法不僅可以有效提高整個電力系統的運行效率，同時也可以降低檢修費用，提高使用壽命，提高經濟效益。

4.2 提高緊急事故備用

伴隨著用電需求的增加，超高壓直流電大規模介入，而受端電網基本使用直流電取代大量常規機組，使得系統在運轉時其轉動慣量會出現大幅度的下降，電化學儲能的優勢在于可以快速啟動，從空載到滿載的時間可以控制在秒級，因此作為緊急事故備用再合適不過，可以有效防止電力系統崩潰。

4.3 提高新能源的發電滲透率

伴隨著我國能源需求越來越大，傳統發電模式受各種原因影響逐漸被新能源發電取代，但是光伏發電、風力發電受自然因素影響較大，間歇性和隨機性是自身固有屬性，無法向傳統發電模式一樣制定準確的發電計劃，如此在電網運行的時候其壓力可想而知。而電化學儲能的應用可以有效彌補其間歇性和隨機性，有助于平衡負荷波動，降低新能源在并網的時候對電網正常運行的影響，提高其發電滲透率。

5 實施案例

以國內某小鎮為例：化學儲能容量為1MW/6MWh，每250kW/1500kWh為一個單元，共計4個單元。每個單元電池分系統經過1臺250kW變流器與微網直流配電系統換能柜相連，變流器可實現電能的雙向轉換：在充電狀態時，變流器將電能從交流整流為直流儲存到儲能裝置中；在放電狀態時，變流器將儲能裝置儲存的電能逆變為交流送進配電網。儲能系統主要由儲能電池組、電池管理系統（BMS）、儲能雙向變流裝置（PCS）、儲能監控系統等組成。在外部電源失電的情況下，儲能系統還能作為后備電源為整個小鎮的電網系統的重要負荷不間斷電，同時在離網狀態下，提供微電網電壓電流支撐。通過本項目的建設可以探索儲能電站交叉使用的模式，實現園區內電網及用戶互利共贏局面。

6 總結

在傳統電網的改造過程中儲能產業的重要性在智能電網建設中的重要性愈發凸顯，目前相對比較成熟的是抽水儲能，但是發展前景最為廣闊的便是電化學儲能，電化學儲能技術已經在電網穩定性的維持和微網可再生發電等領域得到了廣泛的應用。對于電力用戶來說，化學儲能電池系統響應速度快，可以在電網常規電源故障情況下提供快速及時的電力響應，保障用戶的用電可靠性?；瘜W儲能電池系統對園區電力缺口具有重要貢獻意義，可以減少增加裝機容量。在作為用戶側儲能投入使用，同時還可起到兼顧電網側儲能調峰作用。

目前在電化學儲能應用中最為廣泛的就是鋰離子電池，但是在實際應用中電池的使用安全性需要進一步提高，而成本需要進一步降低。在大規模儲能系統應用中比較具有發展前景的是鉛炭電池，但是其制作工藝和負極析氫問題還需要進一步優化和改進。

經濟的發展和能源是息息相關的，伴隨著我國經濟社會的不斷發展，傳統能源供應已經逐漸無法滿足當前社會發展能源需求，能源行業也在面臨著行業改革，電力行業的發展速度直接影響其他行業的發展，在社會新形勢發展背景之下電力行業想要得到長足發展，不需做到不斷加強用戶側的服務，提高電化學儲能技術在用戶側的應用，提高能源利用率，降低能耗成本，全面提高企業效益和社會效益，實現企業和用戶雙贏。