（电力系统及其自动化专业论文）电池储能电站静动态功能研究及其效益评估.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆工业太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 舟签字日期冲争冶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目巴王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论 签字日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导 签字日吻，年以月衫日 电话： 邮编： 坍 储能电站静动态功能研究及其效益评估 摘要 如今电网中可再生能源电源的涌入、负荷峰谷差的加大，储能电站，特 别是新型的电池储能电站对电网的安全经济运行变得至关重要。本文先从电 池技术、储能电站及其建模模型三方面介绍并比较了包括铅酸、钠硫、液流 和锂电池在内的电池储能技术的特点、组成、技术由来和发展历史，对已有 储能电站的调度、运行模型进行了概括和综述。在此基础上，展开讨论并建 立了储能电站功能性模型，同时还提出了一种太阳能光伏电站出力的预测模 型。 传统上，电力系统中储能电站的功能可分为两种：动态功能和静态功 能。动态功能是指储能电站承担和补充电力系统运行备用的功能，而静态功 能即指承担调峰填谷的功能。针对这两种功能的定位，本文提出将储能电站 分为功率型和能量型两种，挑选电池储能电站为研究对象，分别建立了储能 电站动、静态运行和调度模型。在考虑可再生能源电源大量接入的情况下， 分别从可再生能源电站侧和含分布式电源的负荷侧两种安装位置对电池储能 电站的动态功能进行建模，并提出相应的调度策略。同时还建立了一种太阳 能光伏电站出力的马尔科夫预测模型，并总结归纳了课题组已有的风电场出 力预测模型，以模拟所得的可再生能源出力为背景对电池储能电站的动态功 能进行了算例验证。而在静态功能建模中，又以可靠性指标的改善作为评价 依据，建立了一种较为合理的储能电站静态功能运行方式，并找到了基于性 价比最佳的电池储能电站静态功能配置容量。 最后，本文挑选如今在电力系统中较有应用前景的锂电池、钠流电池和液 流电池为例，建立了新型电池储能电站的综合兼容性模型，在提炼不同电池技 术共性的同时对不同电池的特性加以区别描述，体现了差别，并比较了不同电 池储能技术对可再生能源出力波动的平抑效果。 关键词：可在生能源电池储能电站钠硫电池锂电池液流电池光伏系统马 尔科夫 s t u d y o ns t a t i ca n dd y n a m i cd u t i e so fb a t t e r ye n e r g y s t o r a g es y s t e m a b s t r a c t w i t hb o o m i n gr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c ea n dg r o w i n gg a pb e t w e e np e a ka n d o i f - p e a kl o a d ，s t o r a g ei sb e c o m i n gm o r ec r i t i c a l f o ro p e r a t i n gt h eg r i ds a f e l ya n d e c o n o m i c a l ly t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p o s i t l o n ，t e c h n l c a l o r i g i na n dd e v e l o p i n gh i s t o r y , g i v e s s o m eo v e r v i e w st oe x i s t i n gm o d e l sw h l c n s i m u l a t e st h eo p e r a t i n ga n ds c h e d u l i n gp r o c e s so fas t o r a g es y s t e m ，t h e np r o p o s e d o w nm o d e l sf o rn o to n l yt h es t o r a g es y s t e mb u ta l s op vs y s t e m g e n e 豫1 1 y ，e n e r g ys t o r a g es y s t e m ( e s s ) h a st w o f u n c t i o n si np o w e rs y s t e m o p e r a t i o n ，w h i c ha r es oc a l l e da sd y n a m i ca n d s t a t i cf u n c t i o n s d y n a m i cf u n c t l o no f ae s si st oc o m m i to rs u p p l e m e n tt h eo p e r a t i n g r e v e r s eo fag r i d ；s t a t i cf u n c t l o n1 s a l s ok n o w na st h e l o a ds h i f t i n g o r p e a ks h a v i n g i nc o n n e c t i o nw l t ht h e s e t w o f u n c t i o n s e ssc a nb ec l a s s i f i e d i n t ot w oc a t e g o r i e s ，w h i c h a r ep o w e rp u l s e a p p l i c a t i o na n dc a p a c i t ya p p l i c a t i o n g i v i n g t h eb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ( b e s s ) f o re x a m p l e ，t h i sp a p e r p r o v i d e ss e v e r a l m o d e l sf o rd e s c r i b i n gd y n 锄1 ca n d s 落t i c 如n c t i o n sa n di t ss c h e d u l i n gp r o c e s so fe s s w h e n i tc o m e st ot h em a s s i v e r 矗e w a b l ee n e r g ys o u r c e s ( r e s ) i s s u e s ，t h em o d e l so fd y n a m i cf u n c i o n a n di t s c o n t r 0 1 l i n gm e t h o d sf o re s sb o t ho nt h er e s s i d ea n dd e m a n ds i d ew i t hd i s t r i b u t e d e n e r g ys o u r c e s ( d e s ) i sa n a l y s e d b e s i d e s ，am a r k o v i a nm e t h o d f o rs h o r t - t e 皿 f b r e c a s t i n gt h eo u t p u to f ap vs y s t e mi sa l s og i v e n ，s oa st ot h ef o r e c a s t i n gm e t h o d s f o rw i n df a r m sw h i c hi sd e v e l o p e db yo u rs t u d yt e a m w i t ht h o s em e t h o d 8 ，t h e m o d e lo fd y n a m i cf u n c t i o no fe s sc a nb ev e r i f i e db y n u m e r i c a le x a m p l e s a st ot h e s t a t i cf u n c t i o n ，r e l i a b l ei n d i c e sa r eu s e dt oe v a l u a t et h e l o a ds h i f t i n g d u t yo fe s s a n dar e a s o n a b l el o a ds h i f t i n gm e t h o da n dab e s tc o n f i g u r a t i o nf o rb e s s s t a t i c f u n c t i o na r ea l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h r e em o s tp r o m i s i n gb a t t e r yt e c h n o l o g i e s i np o w e rs y s t e m s a r e c h o s e nf o re s t a b l i s h i n gac o m p a t i b l eu n t i e dm o d e lf o re s s d y n a m i cf u n c t i o n ， w h i c ha r el i t h i u m ，s o d i u m s u l f u ra n dr e d o xb a t t e r y , e m b o d y i n gt h e i rc o m m o n a n d d i s t i n c t i v ef e a t u r e s g i v i n gt h er e s s i d es i t u a t i o n ，c o m p a r i s o n s o fl e v e l i n ge f f e c t s b e t w e e nt h e s eb a t t e r yt e c h n o l o g i e sa r eg i v e ns i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：r e n e w a b l ee n e r g y ；b e s s ；n a sb a t t e r y ；l i t h i u mb a t t e r y ；r e d o xb a t t e r y ； p h o t o v o l t a i cs y s t e m ；m a r k o v i a nm e t h o d 致谢 从学习的角度来看，有两个人我非常敬佩，也非常感谢一我的父亲和丁明 老师。 父亲对待任何事情容不得半点马虎的精神深深地影响和感染了我。无疑， 这种作风习惯对科研工作是裨益良多的，不论看书、做学问或是工作，父亲每 每伏案，如同进入另一世界，任何琐事都无法打搅他。小时候总奇怪为什么父 亲能整日伏案，直到现在，每当我偶尔望向窗外的天色从白变黑，才发现原来 时间是多么悄无声息。父亲常常教训我的“走小步、不停步”更是让我在科研和 学习上受益良多。 丁老师很忙，我时常在想一个人同时需要多好的智商、记忆、修养、应变 能力和体力才能够应付如此多的人和事，抓住事物的关键所在，缕清千丝万缕 的关系。而更可贵的是，丁老师对学术的追求从来没有停顿，他对研究的需求 和方向把握之准确远非常人所能及。能在丁老师的亲自指导下学习无疑是幸运 的。而记忆中老师忙里偷闲，哪怕是五分钟的功夫也会专注地翻阅书籍、稿件 的情景则时时激励着我、提醒我应珍惜时间做有意义的事。 妈妈，谢谢你对我不断的督促和支持：婆婆、奶奶、爷爷，很难过你们不 能看到我硕士毕业的那一刻，常常想起曾经拥有的婆婆的好，想起奶奶百感交 集的双眼，想起爷爷的淳淳教诲，悲从中来： 感谢工大电气学院，让我完成了人生的两次蜕变，让我遇到杜少武、李红 梅、汪兴强、肖立、杨继盛等许多好老师。 另外，我也非常感谢李小燕师姐和韩平平师姐。我从刚进实验室的无知， 到现在所有成绩，离不开李小燕师姐在科研和生活上的关照，离不开韩平平师 姐的鼓励和建议，让我受益匪浅。 丁逸敏、赵一宇、张华滋、彭苏捷、孟云舟、管征超、易欣、王文宗、龚 佳，大家从小学、初中、高中直到现在的一路互相陪伴、扶持和鼓励，谢谢你 们；丁银师兄，你的幽默能感染每个人；还有牛成玉同学的博学、张宏完、翁 仕庭、谢添、晁超、杨鹏、卢朝英同学，你们对人、对事的态度和方法，都是 我要永远学习的；感谢何姬纯和潘寒菲同学，和你们聊天真的能排解苦恼、消 除忧虑。 昨天的时光不会重现，美好的记忆也无法复制，维有做好准备，迎接明天 的挑战。生命中有你们，我从不孤单。 作者：徐宁舟 2 0 11 年3 月8 日 目录 第一章电池储能电站。1 1 1 概述。1 1 2 电池储能技术介绍2 1 2 1 铅酸电池2 1 2 2 钠硫电池介绍4 1 2 3 液流电池介绍7 1 2 4 锂电池介绍1 2 1 2 5 电池技术的比较和发展前景1 5 1 3 电池储能电站介绍1 7 1 3 1 储能电站的由来和发展历史1 7 亳1 3 2 储能电站的分类1 9 1 3 3电池储能电站的组成2 1 1 4 电池储能电站建模概述2 4 1 4 1 传统的模型2 4 1 4 2 现有的模型2 8 1 5 本文的工作2 9 l 。5 1 可再生能源电站侧电池储能电站的功能性模型3 0 1 5 2 负荷侧电池储能电站的功能性建模3 0 1 5 3 多种电池储能电站综合建模与比较研究3 0 1 5 4 电池储能电站的综合建模和评价3 0 1 5 5 光伏发电系统输出功率短期预测的马尔科夫方法3 0 第二章可再生能源电站侧电池储能电站的功能性建模3 2 2 1 概述3 2 2 1 1 建模的背景3 2 。2 1 2 对可再生能源的建模3 2 2 1 3 本章的工作3 3 2 2 光伏电站出力短期预测模型的建立3 3 2 2 1 现有的模型3 3 2 2 2 马尔科夫光伏功率预测模型3 5 2 2 3 马尔科夫光伏功率预测模型的解法3 5 2 2 4 光伏发电系统出力短期预测的算例分析3 7 2 2 5 小结4 0 2 3 风速及风电出力预测4 l 2 3 1 风速预测4 1 2 3 2 利用b o x j e n k i n s 模型进行风电出力预测4 2 2 3 3 风速频率分布函数4 3 2 3 4 风力发电机的输出模型4 3 2 3 5 风电输出概率模4 4 本文模型描述4 5 2 3 7 算例分析4 6 2 4 可再生能源电站侧电池储能电站的动态功能建模4 6 2 4 1 模型目标函数4 7 2 4 2 模型约束条件4 7 2 4 3 模型的解法实现与策略5 0 2 4 4 算例分析5 2 2 5 本章小结5 7 第三章负荷侧电池储能电站的功能性建模。5 8 3 1 概述5 8 3 2 模型描述5 8 3 3 模型的求解及实现6 1 3 3 1 运行与控制模式1 时模型的解法及框图6 1 3 3 2 运行与控制模式2 时模型的解法6 4 3 4 算例分析6 4 3 4 1 算例系统介绍6 4 3 4 2 运行与控制模式1 时的算例结果与分析6 6 3 4 3 运行与控制模式2 时的算例结果与分析6 9 3 5 本章小结7 0 第四章能量型电池储电站的功能性建模7 1 4 1 概述7 1 4 2 模型描述7 1 4 3 算例分析7 4 4 4 本章小结8 1 第五章不同介质电池储能电站的综合建模和评价8 2 5 1 各种电池储能电站的介绍8 2 5 1 1 锂电池储能电站8 2 5 1 2 钠硫电池储能电站8 2 5 1 3 液流电池储能电站8 2 5 2 新型电池储能电站综合建模8 3 5 2 1 平抑目标8 3 5 2 2 储能电站的成本8 4 5 2 3 储能电站充放电功率约束8 4 5 3 算例分析8 7 5 4 本章小结9 2 第六章结论与展望9 3 6 1 论文主要工作、创新点和结论。9 3 6 2 未来工作的展望9 4 参考文献9 6 攻读硕士学位期间发表的论文1 0 6 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图1 1 7 图1 18 图1 19 图1 2 0 事图1 - 2 1 7 图1 2 2 图1 2 3 图1 2 4 图1 2 5 图1 2 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 插图清单 淹没式铅酸电池3 钠硫电池原理简图6 钠硫电池特性6 钠硫电池结构简图7 锌溴电池基本结构1 0 全钒电池原理图1 0 全钒电池结构1 l t o s h i b a 的s c i b 1 3 a 1 2 3s y s t e m s 量产的具有n a n o p h o s p h a t e 技术的l f p 电池1 3 锂电池充放电原理图1 5 电力系统中储能的各种应用【39 1 1 9 储能技术特性比较与应用方向2 0 电池储能电站原理图【38 1 2 2 智能电网稳定系统s g s s 外观2 2 s g s s t m 具有可扩展性2 3 单台s g s s t m 中的1 8 个电池架2 3 单台s g s s t m 中的6 个电力电子器件柜2 3 单台s g s s t m 中的2 个热控制柜2 3 单台s g s s t m 中的安全系统。2 3 电池架内有8 个支持热插拔的电池托盘2 4 每个托盘内又有6 个电池模块2 4 电池架内的b m s ( 电池管理系统) 一2 4 b m s 2 4 影响图分析法b e s s 的经济模型2 6 b e s s 经济效益分析结果2 7 电力系统中储能应用的分类2 9 直接正常辐射和扩散水平辐射的笛卡尔空间3 4 扩散辐射和直接辐射的核密度估计3 4 马尔科夫光伏功率预测模型流程3 6 修正前的状态空间转移图3 8 修正后的状态空间传递图3 8 单位时间为l 小时的预测结果与实测功率对比3 9 单位时间为0 5 h 的预测结果与实测功率对比4 0 基于归一化递推算法的风速预测4 1 图2 9基于卡尔曼滤波器算法的风速预测4 2 图2 1 0基于具有遗忘因子的递推最小二乘算法的风速预测4 2 图2 1 1b j 3 3 2 3 l 模型预测结果4 3 图2 1 2风频曲线4 3 图2 1 3风电场出力预测模型4 5 图2 1 4风电场风速模拟4 6 图2 15风电场出力模拟4 6 图2 1 6可再生能源电站侧b e s s 动态功能模型的动态规划解法的框图5 2 图2 1 7可再生能源电站侧b e s s 平抑前后的对比及剩余电量的变化 ( n 8 e s s = 2 0 ) 5 3 图2 1 8可再生能源电站侧b e s s 平抑前后的对比及剩余电量的变化 ( n b e s s = 3 0 ) 5 4 图2 1 9可再生能源电站侧b e s s 配置数量和平抑效果的关系5 4 图2 2 01 5 m i n 的可再生能源电站侧的发电计划5 5 图2 2 1 15 m i n 可再生能源电站侧发电计划对应的b e s s 平抑后的功率波动5 6 图2 2 2可再生能源电站侧b e s s 的e s s 发电计划时长- 平抑效果图5 6 图3 1负荷侧b e s s 动态功能模型解法的框图6 3 图3 2电力负荷曲线6 5 图3 3风力发电总注入功率6 5 图3 4光伏电站总注入功率6 5 图3 5地区内b e s s 投运前总功率平衡值p s u m ( f ) 6 5 图3 6联络线协议功率值p t l ( f ) ( 1 小时) 6 6 图3 7互联时负荷侧b e s s 平抑前后的对比及剩余电量的变化 ( n b e s s = 2 0 ) 6 6 图3 8互联时负荷侧b e s s 平抑前后的对比及剩余电量的变化 ( n b e s s = 3 0 ) 6 7 图3 - 9负荷侧b e s s 的b e s s 联络线协议时长平抑效果图 ( 目标函数1 ) 6 8 图3 1 0负荷侧b e s s 的b e s s 联络线协议时长平抑效果图 ( 目标函数1 的下降倍数) 6 8 图3 1 1不同联络线协议时长下负荷侧b e s s 的b e s s 平抑效果及趋势 ( 目标函数1 的下降倍数) 6 8 图3 1 2尸。i m 、平抑效果及剩余电量的情况( p 。i m = 0 m w ) 6 9 图3 一1 3p 。i m 、平抑效果及剩余电量的情况( p 。i m = 3 0 m w ) 7 0 图4 1可靠性指标计算过程7 5 图4 2使用b e s s 前后系统负荷变化、备用和b e s s 剩余电量情况 ( 模式1 ) 7 6 图4 3使用b e s s 前后系统负荷变化、备用和b e s s 剩余电量情况 ( 模式1 ) 7 7 图4 4使用b e s s 前后系统全天每时段l o l p 和e e n s 的情况 ( 模式1 ) 7 7 图4 5使用b e s s 前后系统全天每时段l o l p 和e e n s 的情况 ( 模式2 ) 7 8 图4 6目标函数1 和b e s s 配置数量的关系7 8 图4 7目标函数2 和b e s s 配置数量的关系7 9 图4 8目标函数和b e s s 配置数量的关系7 9 图4 9改变后的负荷曲线8 0 图4 1 0不同负荷特性对优化结果的影响8 0 图5 1钠硫电池高功率放电限制8 2 图5 2钒流电池高功率放电限制8 3 图5 3可再生能源电源原始出力及平抑目标8 8 图5 4平抑目标外的功率波动和电池剩余电量 ( b e s s = 5 ，铁锂电池，m = 3 0 ) 8 9 图5 5平抑目标外的功率波动和电池剩余电量 ( 耶产5 ，钠硫电池，m = 3 0 ) 8 9 图5 6平抑目标外的功率波动和电池剩余电量 ( n s 脚= 5 ，钒流电池，m = 3 0 ) 8 9 图5 7平抑目标外的功率波动和电池剩余电量 ( n s 脚= 1 0 ，钠硫电池，m = 3 0 ) 9 0 图5 8平抑目标外的功率波动和电池剩余电量 ( n b e 萨1 0 ，钒流电池，m = 3 0 ) 9 1 图5 - 9单位价格平抑效果成本关系图9 1 列表清单 表1 1四种电池参数对比1 5 表1 2美国电力公司( a e p ) 电力储能项目与应用的回顾1 8 表1 3b e s s 经济效益分析软件所需输入的信息2 7 表2 1 光伏系统出力状态的划分3 7 表2 2实测功率和预测功率对比3 9 表2 3状态及其相应的电量惩罚5 0 表2 4放电倍数及其相应的持续时间4 8 表3 1b e s s 放电方式6 1 表5 1各储能介质b e s s 规格8 7 表5 2各储能介质b e s s 平抑效果比较8 9 第一章电池储能电站 电池是作为一种储能介质，是电池储能电站( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g e s y s t e m ，b e s s ) 中最核心的组成部分，在电力电子器件飞速发展的今天，电池 的性能直接影响了电池储能电站的性能。要研究电池储能电站，必须先对各种 类型的电池技术有一个全面的了解，包括性能参数、优缺点等。另外，为便于 实际储能电站工程中储能介质的选型，还须了解各电池技术的由来、发展历史、 主要生产厂商等信息。与电池技术不同，储能电站作为直接服务于电力系统的 产品，在调度时仅需要知道储能电站的功率、能量、荷电状态、持续时间等参 数即可，而电池内部的具体等效电路、电压、电流、电阻等参数并不属于电力 系统的考虑范畴。 本章第一节先从电力储能和电力系统两方面概括地分析了电力储能对电池 技术的需求；第二节介绍了各种电池技术，侧重于介绍技术的发展而不是电池 内部的参数；第三节阐述了储能电站的组成和发展情况，并着重介绍了电池储 能电站的组成；第四节对现有电池储能电站的调度和运行评估模型进行了综述， 包括传统的电池模型以及面向新能源、新电池技术的建模研究成果；最后在第 五节介绍本文所作的工作。 1 1 概述 按照储存能量的形式，储能介质一般可分为电化学储能、机械储能、电磁 储能等。电化学储能包括电池和超级电容储能；机械储能包括飞轮储能、抽水 储能、压缩空气储能等；电磁储能则是以超导储能作为代表的以磁场作为介质 的储能形式。其中电池储能是所有储能类型中种类最多、技术更新和发展速度 最快的。 从储能技术的实现方式上讲，电池储能与其他类型的储能形式最大的不同 在于其种类即实现方式的多样性，理论上，只要能形成可逆氧化还原反应的物 质就可以组成电池，而实现方式的多样性又导致了不同电池技术之间的性能差 别巨大。从性能上讲，相比其他储能类型，电池储能具有体积小、反应速度快、 安装方便的共同特点，虽然在铅酸电池做为主流电池技术的年代里，电池储能 曾一度被视为低能量密度、低功率密度储能技术的代表，但随着近十几年新电 池种类的出现，电池在性能方面已有极大的突破。从经济方面，因为种类多样， 电池生产厂商众多，不同的电池技术之间、甚至同种电池技术往往出现多家生 产厂商竞争的局面，这在推动技术革新的同时也促进了电池成本的下降。 电力系统中传统的储能形式有抽水蓄能、铅酸电池和压缩空气储能等。其 中抽水蓄能电站和压缩空气储能虽然容量大、功率高，但电站的建设需要依赖 于地形条件，选址往往远离负荷中心和可再生能源电站。若使用这两种储能技 术，就会加大调度难度、增高输电成本，且抽水蓄能电站的运行会破坏自然环 境。另一方面，虽然由铅酸电池组成的储能电站可以安装在电力系统的任意位 置、反应迅速易于调度，但其在性能上并不足以应付如今电力系统负荷需求的 加速上升以及可再生能源比例的增大。 综合以上各因素可以看出，电池储能技术自身较有发展潜力，而当今电力 系统又亟需储能技术来缓解可再生能源电源容量和负荷需求增长所带来系统安 全稳定运行的压力。新型的电池技术包括钠流电池、液流电池和锂电池等，由 于性能上的提高就能很好地满足当今电力系统的需求。 1 2 电池储能技术介绍 本节先从电池技术的发展历史和技术原理两方面介绍了一些电力系统中主 流的和有应用前景的电池储能技术，包括铅酸电池、钠流电池、液流电池、锂 电池，然后将不同的电池技术进行横向的比较并在技术实现的层面上对发展前 景进行了展望，为电池储能电站中具体电池技术的选择和下一步研究打下基础。 1 2 1 铅酸电池 铅酸电池在当前仍然是使用最普遍的电力储能形式，广泛地应用于各个工 业领域，包括便携式电子产品，电动工具，交通运输，物料处理，通信，应急 电源，还可作为发电厂的辅助动力。其商业化应用历史长达一个多世纪。 铅酸电池的优点【1 】： 成本低、容易获得。 结构简单，常温电池。 铅酸电池的缺点【1 】： 比能量( 瓦公斤) 和比功率( 瓦公斤) 低； 循环寿命短； 运行限制多； 一高维护需求； 危害环境。 尽管存在不少缺点，但铅酸电池成本低、容易获得的优点使其至今仍然是 应用最广的储能介质。如，1 9 9 9 年铅酸电池的全球总销售额为4 5 0 - 一6 0 0 亿美 元之间，占世界上的所有电池销售额的4 0 - - - - 4 5 f 2 i 。 2 1 2 1 1 技术的由来和发展历史 早在1 8 3 6 年就有人讨论了用硫酸作为电池电解液的可行性【2 】。第个铅酸 电池是由g a s t o np l a n t e 制作出来的。从l8 5 9 年起g a s t o np l a n t e 就开始为蓄电 池的商业化发展进行试验。当时，他将两块夹有亚麻布条的铅片带卷起，然后 浸在一个装有硫酸的玻璃容器中，并在铅片上施加电压。铅片的颜色开始改变， 这表明两种物质间正发生化学反应。同时，铅片之间还出现了与充电电流方向 相反的电流。通过反复充放电试验，g a s t o np l a n t e 还发现，提高铅片的表面积 可以提高电池的功率【3 】【4 】。到了1 9 世纪7 0 年代，g a s t o np l a n t e 将其发明用在了 当时一座新建的电厂中，用以提供平衡负载和调峰的服务【n j 。 如今，铅酸电池技术在设计、制造、回收、原材料、包装等方面均已十分 成熟。低廉的价格使其在市场中仍然保持着竞争力。 在阀控铅酸电池( v r l a ) 出现( 即2 0 世纪7 0 年代中期) 之前，淹没式 铅酸电池在电力系统中使用得较为广泛。由于一次投资费用和运行维护费用低 的缘故，阀控式密封铅酸蓄电池曾一度应用广泛。但由于阀控式铅酸电池寿命 比淹没式铅酸电池短、需要频繁更换，许多电力公司后来又重新开始使用淹没 式电池。如图1 。l 为淹没式铅酸电池。 图l - l淹没式铅酸电池 1 2 1 2 技术的原理 所有铅酸电池的基本化学反应都相同。正电极是二氧化铅，p b 0 2 ，负极则 是金属铅。电解液是硫酸溶液，当电池电量充足时，硫酸一般占电解液重量的 3 7 。两极的反应产物为硫酸铅，p b s 0 4 。式1 1 和1 2 分别为铅酸电池正、负 极反应式： p b 0 2 + 3 h + + h s o j + 2 e 。争p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 3 p b + h s o ：, p b s o a + h + + 2 e ( 1 2 ) 在反应过程中，硫酸会随着放电反应的进行而不断消耗，所以电解液浓度 会随着放电程度的变化而变化。这意味着通过重力测量法得到的电解液浓度即 可确定铅酸电池的荷电状态，具体的电解液浓度比重值和具体电池的设计有关。 当两电极活性物质耗尽、或当电解液中的硫酸浓度太小而不足以维持放电反应 时，放电终止。 1 2 2钠硫电池介绍 钠硫电池的能量密度是铅酸电池的三倍，并且具有更长的寿命。其特点是 可提供独立持续的放电特性或短暂的高功率脉冲，并具有在长期持续放电期间 提供脉冲以及高充放电循环次数( 大于3 0 0 0 ) 次的能力。随着钠硫电池产品容量 的提高，这一储能技术己从试用工程转为商业化应用。 钠硫电池的优点： 能量密度高，空间需求是铅酸蓄电池的三分之一，可在狭小空间、紧凑 型变电站安装； 很少或没有自放电，储电、放电效率高； 充放电循环次数达3 0 0 0 次以上，耐久性佳； 完全没有废气排放和噪音，具有优异的环保特性； 由于没有移动部件，维修和处理方便； 一因为电池完全密封结构，安全性高，省去了人工维修的需要； 一正负极活性物质为液态，没有寿命极限； 高效率放电时容量减少极小； 主要组成部分为无机材料，具有优良的耐久性的； 不需要外部管道、泵、阀等辅助设备； 可在短期内安装。 钠硫电池的缺点： 高温运行，需要保温温度控制机制； 由于高温运行一定程度上降低了电池的效率； p 氧化铝生产较困难，化学稳定性还需改进。 1 2 2 1 技术的由来和发展历史 基于b 氧化铝基固体电解质的钠流电池最早是由福特汽车公司在2 0 世纪 6 0 年发现的【5 】【6 】。2 0 世纪7 0 年代初，福特公司( k u m m e r 和w e b e r ) 对钠硫电 池技术展开广泛的研究，包括在一系列在欧洲( b r o w nb o v e r i 公司，即后来的 a b b 公司) 和日本( 新能源产业技术综合开发机构( n e we n e r g ya n di n d u s t r i a l t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o n ，n e d o ) ) 的项目，主要研究其在电动 4 汽车上的应用。到了2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，已经有许多不同的开发商 将先进的钠硫电池技术应用于卫星通信以及提供大功率服务上。 到2 0 世纪8 0 年代初，日本东京电力公司( t o k y oe l e c t r i cp o w e rc o m p a n y ， t e p c o ) 将钠流电池列为首选分布式储能介质，以缓解能量储对集中式抽水蓄 能电站的日益依赖【7 1 。东京电力公司认识到，钠硫电池技术在电力系统中实现 大规模应用的关键在其中陶瓷元件的生产工艺上，因此要求与日本n g k 电瓷 公司合作。到了2 0 世纪9 0 年代后期，n g k 和东京电力公司已经部署了大量 的示范系统系统，其中包括两个6m w ，4 8 m w h 的电池储能电站j 。目前，日 本n g k 是唯一已知的钠硫电池供应商。 2 0 0 2 年4 月，东京电力公司和n g k 联合宣布钠硫电池在日本的生产线正 式商业化，试图在全球范围内推广其产品。2 0 0 2 年9 月，美国电力公司( a m e r i c a n e l e c t r i cp o w e rc o m p a n y ，a e p ) 主持部署了美国第一个钠流电池储能电站的示 范工程，此项目的合作伙伴包括美国桑迪亚国家实验室( s a n d i an a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 、t e p c o