淺談變電站中儲能裝置的應用與發展

王志斌，汪 毅，宋昭昭

（1.中國礦業大學應用技術學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學信電學院，江蘇 徐州 221116）

在傳統變電站中，儲能裝置主要指的是站用電源的核心設備——蓄電池，一般包括操作蓄電池組、通信蓄電池組、UPS蓄電池組（或者一體化電源的蓄電池組），主要用作后備電源。它們正常時處于備用狀態，當交流電故障失電時，蓄電池迅速向事故性負荷供電，同時為停電時的自動控制裝置、保護裝置、信號及通信等負荷供電。

隨著變電站的建設面向智能化，風力、太陽能以及燃料電池等發電的技術被用于變電站中，形成了不間斷電力變電站這一新概念[1]。在不間斷電力變電站中，原有的蓄電池儲能已不能滿足發展的需求，很多新型儲能裝置被引入變電站中。本文通過分析變電站用儲能裝置的發展歷程和現狀，詳細對比分析了各種儲能裝置的優缺點，展望了未來變電站儲能裝置的發展趨勢。

1 變電站站用蓄電池的發展與現狀

我國的變電站（所）的發展要追溯到20世紀50年代，50年代到60年代期間，變電站（所）使用的蓄電池一般為固定型開口式鉛酸蓄電池。這種蓄電池有兩個主要缺點[2]：(1)電末期水會分解為氫、氧氣體析出，需經常加酸、加水，維護工作繁重；

(2)氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設備，并污染環境，限制了電池的應用。

到了60年代中期，變電站中的開口式鉛酸蓄電池逐漸被GGF型防酸隔爆蓄電池所取代。防酸隔爆蓄電池是半密封式的，容器上部密封并裝防酸霧隔爆帽，經過濾后，僅有少量酸霧及氧逸出。這種蓄電池有效的減少了酸霧溢出，但是仍有以下缺點[3]：

(1)使用前需要配置電液，初次充電周期長，充電時酸霧大；

(2)體積大、需定期添加蒸餾水，不利于維護。

80年代中期以后，由于電磁機構的開關的應用，鎘鎳堿性蓄電池因具有承受沖擊負荷大、體積小和維護檢修方便等優點，開始獲得使用，到目前為止仍有一些對蓄電池容量要求較低的變電站采用鎘鎳堿性蓄電池。但是鎘鎳蓄電池有一個很大的問題：記憶效應嚴重。由于變電站使用的蓄電池時往往不會完全放電，很容易發生因記憶效應導致蓄電池過早失效，所以在變電站中鎘鎳蓄電池的壽命一般較短[4]。

隨著閥控式密封鉛酸蓄電池（也稱為VRLA電池）的發展，在90年初期由于其“免維護性”開始用于變電站中。閥控式密封鉛酸蓄電池基本上克服了一般鉛酸蓄電池的缺點，具有常規性免維護功能，無需添加水、調酸比重等維護工作，而且不存在鎘鎳蓄電池的“記憶效應”[5]。由于它的這些優點，使其迅速在變電站中得到推廣使用，并直到現在仍是變電站站用蓄電池的主流，約占市場80%的份額。隨著閥控式密封鉛酸蓄電池在變電站中的長期使用，其運行工況卻并不樂觀，同時“免維護”這一名詞又給使用者帶來認識上的誤區，導致使用者放松對蓄電池的日常維護管理，目前其缺陷也凸顯出來[6]：

（1）溫度對閥控式密封鉛酸蓄電池特性影響大，且有電池鼓肚現象，真實的使用壽命偏短；

（2）可能出現隱蔽缺陷的情況，當站用交流失電時，短時間容量“跳水”崩潰；

（3）對過充電比較敏感，在過充的情況下可能出現燃燒或者爆炸；

（4）變電站大量使用鉛酸蓄電池，蓄電池廢棄處理，環保壓力越來越大。

另外隨著國家開展節能減排，工信部與環保部共同研究起草的《鉛蓄電池行業準入條（征求意見稿）》正式發布，鉛酸蓄電池的前景異常暗淡。這些問題的出現引起了很多工程師和學者的注意，他們努力尋找一種能在變電站中替代閥控式密封鉛酸蓄電池的電池，磷酸鐵鋰電池的適時發展為這個問題提供了一個答案。

磷酸鐵鋰電池是近幾年發展起來新型蓄電池，解決了鈷酸鋰、錳酸鋰等鋰電池的安全性問題，且與其他蓄電池相比主要優點是儲能密度高（300～400 kWh/m3，130 kWh/t），儲能效率高（接近100%）和使用壽命長（每次放電不超過儲能的80%時可充3000次）[7]，是變電站站用蓄電池的理想選擇。在變電站中利用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池，將進一步提高直流系統在電力系統中的安全運行水平。目前已經有部分變電站采用磷酸鐵鋰電池進行試點，例如曲靖供電局110 kV城南變電站、上海電力公司10 kV配電站等。

2 新型儲能裝置及其在變電站中的應用展望

2.1 新型儲能裝置的現狀

近幾十年來，儲能技術、儲能裝置的研究及發展一直受到各國能源、電力、交通、通信等部門的重視。各種新型的儲能裝置也不斷的涌現出來，如超級電容、飛輪儲能、超導磁儲能、鈉硫電池、液流電池等，下面介紹它們的詳細特性。

（1）超級電容

超級電容器是根據電化學雙電層理論研制而成的一種新型儲能器件，所以稱之為“超級”，是因為其容量可達到法拉級甚至數千法拉。其優點是：可提供強大的脈沖功率，充電速度較快，放電深度深，能量轉換率很高，長期使用免維護，高低溫特性好，沒有“記憶效應”，循環使用壽命長，多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量高峰值功率場合[7]。超級電容歷經紐扣型、卷繞型和大型三代的發展，作為產品目前已趨于成熟。

（2）飛輪儲能

飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。飛輪儲能的效率可達90%以上，其突出優點是幾乎不需要維護、循環使用壽命長達20年，無噪聲、無污染，可連續工作；缺點是能量密度比較低，保證系統安全性方面的費用很高，在小型場合還無法體現其優勢[8]。飛輪儲能分為低速飛輪、高速飛輪和磁懸浮飛輪儲能，目前低速飛輪儲能已經實現產業化，適用于電網調頻和電能質量保障等要求較高的場合。

（3）超導磁儲能

超導磁儲能系統(SMES)利用超導體制成的線圈，將供電勵磁產生的磁場能儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網或直接給負荷供電[9]。由于裝置采用超導結構，儲能狀態下裝置損耗很小，因而效率比常規的儲能裝置高；同時超導儲能系統釋能速度快，能實現快速的有功、無功功率補償，對于提高電力系統穩定性、抑制低頻振蕩、改善供電品質都有良好的應用前景，也能應用于太陽能發電、風力發電等功率輸出不穩定的系統以提高其并網性能。但是和其他儲能裝置相比，超導磁儲能十分昂貴，且維持超導體低溫所需要的費用也相當可觀，因此僅在國外得到了初步應用。目前，在世界范圍內有許多超導磁儲能工程正在進行或者處于研制階段。

（4）鈉硫和液流電池

鈉硫和液流電池被視為新興的、高效的且具廣闊發展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池在300℃左右的高溫環境下工作，其正極活性物質是液態硫（S）；負極活性物質是液態金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點是能量密度大、充電效率高、循環壽命長等；然而鈉硫電池在工作過程中需要保持300～350℃的高溫，有一定安全隱患，需要設置防爆和防腐安全保護[10]。一般用于負荷調峰、可再生儲能、電能質量等需要大容量儲能的場合。

鈉硫電池在國外發展相對成熟，日本在2002年就已進入商業化實施階段，2007年日本年產鈉硫電池量已超過100 MW，并開始向海外輸出。在國內，國家電網同中科院上海硅酸鹽研究所合作，2008年完成了電池模塊研制、2009年度攻關百萬千瓦級儲能設備、2010年實現世博會示范應用，到2011年進入大規模產業化階段。

液流電池是利用可溶解的活性物質，分裝在兩大儲存槽中，溶液流經液流電池，在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原與氧化反應。此化學反應為可逆的，因此可達到多次充放電的能力。此系統之儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應面積。由于兩者可以獨立設計，因此系統設計的靈活性大而且受設置場地限制小[11]。

目前液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系，液流電池電化學極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實現快速充放電，且壽命長等優點，全釩液流電池已經實現商業化運作，一般用于風力發電儲能，能夠有效平滑風能發電功率。

2.2 儲能裝置在變電站中的應用展望

變電站用儲能裝置目前來看主要有兩個用途：（1）用作變電站的后備電源和電力UPS的儲能；（2）用于裝設有風力/光伏等發電設施的變電站儲能系統。第一種儲能裝置用途的要求比較低，一般免維護、使用壽命長，能滿足變電站運行環境的儲能裝置都能勝任；第二種要求較高，在第一種要求的基礎上還要滿足動態循環壽命長，動態響應能力好，倍率特性優秀等特點。儲能裝置是否適合用于變電站，需要知道各自的特性能否滿足變電站用的要求。表1給出了目前常見及上述新型的儲能裝置特性。

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綜合文章上面的描述和表1來看，未來幾年到十幾年內鋰電池將在變電站中發揮極大的優勢，主要表現在：（1）鋰離子電池是目前轉換效率最高的儲能裝置；（2）鋰離子電池已經形成規模的產業鏈，而液流電池和鈉硫電池目前還是少數幾家壟斷技術局面；（3）鋰離子電池性能具有巨大提高的空間，循環壽命、動態響應能力、倍率特性、成組規模均不斷提高；（4）鋰離子電池成本具有巨大下降空間，且鋰離子電池材料和成品制造過程不高耗能，也不借助于貴重金屬屬于環保類產品。

此外，超級電容由于其技術成熟、能夠真正的免維護、使用壽命長，很適合變電站的第一種需求。但是超級電容的價格比較高，從經濟性考慮目前很少用于變電站中，未來若是超級電容的成本下降，它也將成為變電站用儲能裝置的可選方案。

鈉硫和液流電池作為近年來新興的高效儲能裝置，是未來風力/光伏發電中儲能系統的絕佳選擇，所以它們能很好的滿足變電站的第二種需求。但是鈉硫和液流電池目前還在快速的發展中，國內制造廠商少，使用也處于剛剛起步的階段，用作變電站儲能裝置的條件還不成熟，需要進一步完善其研究，加快其產業化發展。飛輪和超導磁儲能由于自身的特性：飛輪儲能的安全性維護、超導磁儲能的低溫保持等，不適合用于變電站這種較小的場合。

3 儲能裝置在智能變電站中的應用實例

為了改善新能源發電特性，提高源網協調性能，以形成完整的新能源接入解決方案，在國家科技部、財政部和能源局的支持下，國家電網公司啟動實施了風光儲輸示范工程的建設。2011年12月25日，國家風光儲輸示范工程在河北省張北縣建成投產，總體系統如圖1所示。

國家風光儲輸示范工程中包含一座220 kV智能變電站，該站屬我國新能源領域示范變電站，一期已經接入100 MW風電，40 MW光伏發電，20 MW儲能裝置包括：14 MW磷酸鐵鋰電池、4 MW鈉硫電池和2 MW液流電池。該站集風力發電、光伏發電及儲能裝置為一體，實現世界首創的風、光、儲、輸聯合運行模式，并可根據需要實現電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動。該電站的投運，為儲能提高可再生電源接入能力的應用和多種類型電池儲能裝置的并網特性提供了試驗平臺，也為我國儲能技術的發展起到示范引領作用。

圖1 國家風光儲輸示范工程系統總結構圖

4 結語

本文回顧了變電站站用儲能裝置的發展歷程，綜述了目前各種新型儲能技術的現狀，分析了變電站站用儲能裝置未來的發展趨勢。近年來，由于智能電網建設的大力發展，智能變電站作為智能電網不可分割的一部分也迅速的推廣開來。站用儲能裝置作為變電站的一個重要環節，擔負著提供變電站的事故后備電源、為風光發電變電站提供儲能、維持變電站的安全和穩定運行的職責，也得到了長足的發展。隨著國家風光儲輸示范工程220 kV智能變電站的順利投運，新型的儲能裝置在智能變電站中將得到更加廣泛的應用。

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