也使我国继日本之后，成为世界上第二个拥有钠 硫电池自主知识产权的国家。短期的研究目标是 研制兆瓦级的钠硫电池储能系统，能储存 8000 度电，放电 8 小时。另外，中国电力科学研究院、 中科院电工所和华北电网公司等单位也在积极地 推进钠硫电池储能系统的研究和示范应用工作。 1.2 液流电池 氧化还原液流储能电池（Redox Flow Battery for energy storage，简称液流储能电池）是由美国 的 Thaller L.H.于 1974 年提出的一种电化学储能 原理电池。 液流储能电池系统由电堆、电解质溶液以及 电解质溶液储供体系、系统控制体系、充放电体 系等部分组成。 液流储能电池系统的核心是电堆， 有数十节至数百节进行氧化—还原反应， 实现充、 放电过程的单电池按照特定要求串、并联而成， 结构与燃料电池的电堆有类似之处。 图 4 给出了液流电池的原理图，正极和负极 电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解 液通过电池循环。电池内正、负极电解液用离子 交换膜分隔开，电池外接负载和电源。电池组和

　　Systems 公司建造了为风能发电配套的全钒液流 储 能 电 池 系 统 ， 容 量 为 800kW ， 输 出 功 率 为 250kW。 3）提高电能质量 配电系统中存在的电能质量问题包括电压 跌落、浪涌电压、电压波动和闪变、供电中断等， 会给敏感负荷拥有者造成不可避免的损失。根据 美国电力公司统计，大约 90%以上的电能质量问 题持续时间不超过 30 秒， 因此在发生短期电能质 量问题时，利用电池储能系统为负荷提供脉冲功 率来应对电能质量问题是切实可行的。电池储能 系统在短时间内可以输出数倍于其额定功率的脉 冲功率， 以抑制电压的短时间波动、 跌落等问题。

　　2005 年起上海硅酸盐研究所和上海电力公 司合作，开展基于大容量钠硫电池的城网储能系 统研究。钠硫储能电池已被国家和上海市列为储 能领域的重点发展方向之一。2008 年初，国内首 块钠硫单体电池在上海下线 安时，

　　液流电池分多种体系，其中全钒液流电池是 技 术 发 展 主 流 。 全 钒 液 流 储 能 电 池 (Vanadium Redox Flow Battery， VRB)是将具有不同价态的钒 离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别 储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充、 放电实验时，电解液通过泵的作用，由外部贮液

　　电解液储罐可以分别放置，因此可以因地制宜安 排相对位置。在液流电池充、放电过程中，仅电 解液中的离子价态发生变化，从理论上讲，具有 可变离子价态的离子对可以组成多种氧化还原液 流电池。

　　将多个单体电池依规格不同以串并联方式组 合后形成电池模块，模块的功率通常为 50 千瓦。 图 3 为钠硫电池模块的结构示意图。其中，维持 真空热保温箱内的温度在 300 C 附近且比较均匀 是一个难点。

　　了需要解决与电池容量匹配的问题外，还需考虑 与电网的接口问题。在容量选择上，电力变流系 统要在电池基本容量基础上，考虑留有足够的备 用容量，以满足电网负荷突然增大时短时间内大 功率输出的需要。在并网运行时，电力变流系统 要满足电网对储能系统在交流并网电压波动、谐 波含量等方面的要求 [16-17]。

　　罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电 极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放 电。 液流电池的储能容量取决于电解液容量和密 度，配置上相当灵活，只需增大电解液容积和浓 度即可增大储能容量， 并且可以进行深度充放电。 由于全钒液流储能电池的开发时间比较短， 技术上还没有成熟，如离子交换膜的选择性比较 差，导致正负极电解质离子渗透降低了效率和寿 命。另外，电解液制备技术和电池组的结构优化 也是急需解决的问题。 中国科学院大连化学物理研究所从 2002 年 开始全钒液流储能电池的研究开发。2006 年，通 过国家 863 计划后续能源领域的支持，开发出高 效 10 kW 级全钒液流储能电池系统试验样机。目 前，液流储能电池绝大多数关键材料可基本实现 国产化。 1.3 锂离子电池 锂离子电池的主要优点是储能密度高、储能 效率高、倍率特性好。目前单体电池标准循环寿 命已经超过 1000 次，仅从单体电池的角度来看， 锂离子电池的比容量和循环寿命已基本满足储能 应用需求。在锂离子的应用方面，美国处于领先 地 位 ， 美 国 电 科 院 （ EPRI ） 在 2009 年 开 展 2kW/4kWh、 50kW/200kWh 和 100kW/400kWh 锂 离子电池用于分布式储能的研究和开发，并开展 兆瓦级锂离子电池储能系统的示范应用，用于电 力系统的频率和电压控制以及平滑风力发电等。 钠硫电池、锂离子电池和全矾液流电池的部 分性能比较分析见表 1。

　　图 6 中电池储能系统等效为一个理想的电压 源，其电压的幅值为 U1 ，电压相角为  ；串联的 R、 L 代表总的功率损耗、线路损耗等；电池储 能系统注入电力系统的电流幅值为 I L ，电流相角 为  ；电力系统的接入点的电压幅值为 U s ，电压 相角为  。在电池储能系统中，电压幅值 U1 和电 压相角  都是可以控制的，当需要向系统注入有 功功率时，可以控制    ，这时电池储能系统的 电压相角超前于系统接入点的电压相角，有功功 率由电池储能系统流入系统。反之，当需要向系 统注入无功功率时，便可以控制 U1  U s ，这时电 池储能系统的电压幅值高于系统接入点的电压幅 值，所以无功功率由电池储能系统流入系统；反 之亦然。可见，适当地调整换流器来控制电池储 能系统的电压幅值 U1 和相角  ，便可以实现电池 储能系统与接入的电力系统之间的有功功率和无 功功率的交换。 2.2 电池储能系统在电力系统中的应用 电池储能系统可用于电力系统中的削峰填 谷，风能、太阳能等可再生能源的稳定输出以及 提高电能质量等方面。 1） 削峰填谷(Peak Shaving and Load Leveling) 在电力需求逐年增加的情况下，较大负荷中

　　心配电网中普遍存在负荷因数偏低的问题，即白 天与夜晚的电力负荷需求存在很大差异。利用高 能量密度和高效率的电池储能系统，可削减这种 随时间变化的能量需求波动，从而提高现有发电 系统运行效率，降低运行成本，延缓电网建设投 资。 电池储能系统在夜晚用电低谷期将电能吸收 进电池存储起来， 在白天用电高峰期将电能释放， 满足负荷的需求，使供需平衡。电池储能系统额 定输出功率 PNaS 应满足[18]：

　　王育飞[1]，符杨[1]，张 宇 [Байду номын сангаас]

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　　（1. 上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090；2. 上海电力公司，上海 200122）

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　　以储能电池为代表的储能技术日新月异。 论文分析了电力 储能系统的现实需求，各种储能技术的特点和适用场合； 全面介绍了电池储能系统的结构和工作原理；从削峰填 谷、 稳定可再生能源输出、 提高电能质量等几个方面对储 能电池在电力系统中的应用进行综述， 并对电池储能技术 的研发与应用前景进行展望。 电池储能技术由于自身具有 的优势，必将能够在未来的智能电网构建中大显身手。 关键词：储能电池；储能技术；削峰填谷；可再生能源； 电能质量

　　PD 是配电网额定功率， Kmax 是功率变动系 图 7 为 1MW 钠硫电池储能系统在美国查尔 斯顿电网中实现削峰填谷功能示意图。 由图可见， 2006 年夏， 该变电站用电负荷峰谷差由无电池储 能系统的 9.697MVA 削减为有电池储能系统的 7.57MVA ， 最 高 负 荷 由 21.234MVA 降 低 为 20.305MVA ， 最 低 负 荷 由 11.537MVA 提 高 为 12.735MVA。

　　基金项目 : 上海市教委重点学科建设项目(J51301)，上海 市科委工程技术研究中心建设项目（10DZ2251100）， 上海市科委地方能力建设项目（）资助

　　和电池储能。其中抽水蓄能、压缩空气储能和电 池储能适用于大规模储能，如削峰填谷等 [9-10] ； 而抽水蓄能和压缩空气储能对自然条件有特殊的 要求，抽水蓄能需要上下水库，压缩空气储能需 要有可利用的密闭储气空间；超导磁储能、超级 电容储能和飞轮储能由于自放电率较高，较适用 于短时间储能，如提高电能质量等 [11-12]。常用的 大规模电力储能电池有钠硫电池、液流电池和锂 离子电池等[13-15]。

　　1.1 钠硫电池 钠硫电池具有能量密度大、运行寿命长（15 年以上） 、 效率高(约 89%)、 便于现场安装与维护、 无自放电现象、能够提供强脉冲功率、与外界环 境友好等优点，特别适用于城市和其他需要的地 区，已成为目前最具市场活力和应用前景的电力 储能电池。截至 2009 年，世界各地共应用了 200 多套钠硫电池储能系统，总容量超过 300MW， 2000MWh；美国投运 3 套共 9MW 钠硫电池储能 系统，另有 10MW 钠硫电池储能系统在建设中。 钠硫储能电池是在 300℃附近充放电的高温 型储能电池，负极活性物质为金属钠，正极活性 物质为液态硫， 传导钠离子的 β 氧化铝电解质膜 材料将正负极活性物质分开。 钠硫电池系统的基本单元为单体电池，单体 钠硫电池的结构示意图如图 1 所示。目前单体钠 硫电池最大容量达到 650 安时、功率 125 瓦。钠 硫电池充放电原理示意图如图 2 所示。钠硫电池 充放电反应式为：

　　2.1 电池储能系统基本结构与工作原理 电池储能系统主要由电池组和变流器两部分 组成，变流器主要采用电压源型变流器，其基本 结构如图 5 所示。电力变流系统是连接在储能电 池和交流电网之间的接口电路，能够实现直流储 能电池和交流电网之间双向能量传递，其核心部 分是一个大容量电压源逆变器。电力变流系统除

　　在放电过程中，钠(Na)被电离，电子通过外 电路流向正极，钠离子(Na)通过 β 氧化铝电解

　　质扩散到液态硫(S)正极， 并与硫发生化学反应生 成多硫化钠(Na2Sx)。在充电过程中，多硫化钠分 解成硫和钠离子，钠离子通过电解质膜扩散到负 极，获得电子(e-)形成钠原子。

　　我国坚强智能电网的构建对储能系统有着现 实的大量需求。首先，随着社会总用电量的不断 增加，电力消耗的昼夜峰谷差在日益扩大。以上 海市为例，预计 2010 年和 2015 年的用电峰谷差 分别高达 13000MW 和 16000MW； 用电低谷电力 平衡时，上海电网内的大型火电机组出力大多要 减至最低， 小型机组更是需要视情况而日开夜停， 这对机组运行的安全性和经济性都十分不利 [1]。 其次，风能、太阳能等可再生能源的输出功率受 自然环境的影响，会产生随机的、间歇的波动。 随着风能等可再生能源在电力系统中占比的逐渐 增加，其并网稳定性问题已成为风力发电等技术 的关键问题[2-5]。再次，越来越多具有高度自动化 生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户 对负荷侧电能质量提出更高的要求 [6-7]。 在电力系统中运用储能技术，可以有效地实 现用户需求侧管理， 消除昼夜峰谷差， 平滑负荷， 能够有效地利用电力设备，降低供电成本；可以 促进可再生能源的利用，提高电网系统的运行稳 定性；可以提高电网电能质量，保证供电的可靠 性[8]。常用的电力储能技术有抽水蓄能、压缩空 气储能、超导磁储能、超级电容储能、飞轮储能