电力储能系统的发展与应用
电力储能系统的发展与应用
在碳达峰碳中和以及加快绿色转型发展背景下，本文通过对不同类型储能系统的比较，进一步分析电化学储能的技术特点，从电力储能系统的安全、并网、容量、成本控制以及在新型电力系统中的应用等各方面进行了系统性分析，为“双碳”战略目标下的电力储能系统的建设提供了参考依据。
引言
“双碳”战略目标下，国家发改委、能源局、工信部等政府部门相继出台文件，要求深入推进绿色低碳转型，加强新型电力系统的建设。深挖电力负荷侧灵活性，整合负荷侧需求响应资源。在建筑领域科学安排储能建设、结合应用场景和使用需求充分发挥各类新型储能的优势，可以在发展新型电力系统的过程中起到积极作用。
技术发展状况
电力储能所包括的技术类型众多，且不同类型中又具有多种完全不同的技术路线。相对于传统储能方法，新型储能技术在应对能源转型和全球气候变化具有明显优势且发展迅速。其中电化学储能占据主导地位，广泛应用。
储能电池分类及特点
储能及储能电池的分类
根据能量存储方式的不同，储能可以分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能和化学储能五大类。从能量释放的方式看，除热储能外，大部分储能最终以电能形式释放。储能电池则以其内部的储能原理进行分类，现有的主流储能技术分类如图1所示。
储能电池的原理与应用
（1）铅酸电池
铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成、电解液是硫酸溶液的蓄电池。在电池储能技术当中，铅酸电池储能是最成熟、成本最低的一种，至今已有150 多年历史，是最早规模化的二次电池。
（2）铅炭电池
铅炭电池是一种新型的超级电池，即在铅酸电池的负极中加入活性碳，显著提高铅酸电池的寿命。碳材料的加入，同时发挥了超级电容瞬间大容量充电比铅酸电池能量高的优势，使铅炭电池具备良好的充放电性能。
（3）锂离子电池
锂离子电池在目前电化学储能中以92％的装机规模占据了主导地位，其以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，依靠锂离子在电极间往返嵌入和脱嵌进行充放电，是实现电子设备无线使用的重要技术手段，也是现阶段最重要的电化学储能技术。
（4）钠硫电池
钠硫电池由熔融电极和固体电解质组成，负极的活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。高温钠硫电池适用于大规模固定式储能。由于钠和硫的储量丰富，其在大规模发电侧储能领域具有较好的发展前景，但需要解决因工作温度过高而带来的严重安全隐患。
（5）钠离子电池
钠离子电池与锂离子电池的工作原理和生产制造路线相似，与锂离子电池相比，钠离子电池具有成本低、安全性好的特点。但钠离子电池尚存在能量密度低、循环寿命短等缺点，需要改进和提升。
（6）全钒液流电池
全钒液流电池的活性物质是含有钒离子的稀硫酸水溶液，无有机物质，电池故障时不易发生爆炸和燃烧，因此具有安全环保的特性。但由于制造与维修成本过高、体积庞大、不易搬运，且对环境温度要求苛刻应用条件较为有限，阻碍了全钒液流电池的推广与普及。
（7）固态电池
固态电池的原理与锂离子电池相同，只不过其电解质为固态，其结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。
不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。
目前全固态电池中仍存在界面稳定性不良、界面阻抗大等严重问题，直接影响电池的性能。另外，成本高昂也限制了固态电池的普及。
（8）镍镉电池
镍镉电池是一种直流供电电池，正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成。镍镉电池可重复 ５００ 次以上的充放电，经济耐用；是一种非常理想的直流供电电池。
然而，镍镉电池在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，从而引起电池容量的降低。此外，镉及镉化合物具有生物毒性，含镉废水一旦处理不当则会污染耕地和水源，对环境和生物造成进一步的伤害。
各类储能技术的比较
结合储能行业技术研究进展，本文对各类储能技术在典型额定参数、全响应时间、循环寿命与效率及应用场合等方面进行比较，如表1所示。
电力储能系统安全性分析
（1）储能系统装置安全布置
（2）电池管理系统安全保护
（3）储能变流器
（4）其他系统保护措施
电力储能系统容量及并网
（1）电力储能系统接入
（2）储能电池容量估算
电力储能应用
新能源消纳、电能质量改善
在“碳达峰、碳中和”的目标下，新能源快速发展，光电、风电的规模逐步扩大并替代传统发电。同时，“弃光弃风”的新能源消纳和供电波动的问题也随之出现。国家能源局给出的2018 ～ 2019年全国弃风弃光率如表4所示。
新能源与储能的融合，可有效提高系统新能源的消纳能力：对新能源输出功率进行平抑、减少系统调峰调频和备用容量的需求、降低多能互补系统中各发电单元的性能压力，从而有效减少弃风、弃光现象。储能系统具有快速有功、无功吞吐能力，通过采用虚拟同步发电技术主动参与系统独立运行时的电压、频率调节，提高区域负荷供电电能质量及供电可靠性。
峰谷套利
“峰谷套利”，即在用电低谷时利用低电价充电，在用电高峰放电。这样的模式可以有效避免极端情况下被拉闸限电的风险，也可以帮助用户在日常使用过程中节约用电成本。工商业储能收益模式示意如图2所示。
全国工商业、大工业峰谷价差中位数分别约0.49、0.54元／kWh。当前我国用户侧（主要为工商业用户）主要利用储能进行峰谷价差套利和容量费用管理。根据北极星储能网统计，2023年4月代理购电价差最大的地区是浙江省，最高价格为1.28元／kWh；同时峰谷价差超过 0.7元／kWh以上的地区达到22个。
据市场数据统计，储能度电成本（ LCOS） 约为0.51元／kWh。因此，在全国多数发达省份已基本具备套利空间。
需求侧响应
电力需求响应是指在电力市场价格产生明显波动或系统安全可靠性存在风险时，电力用户根据价格信号或激励措施，暂时改变其固有的习惯用电模式，调整用电量，从而促进电力供需平衡、保障系统稳定运行的行为。需求侧响应，作为需求侧管理的一种实施手段或者措施，依靠价格信号，让用户主动参与调节，也更好的还原电力的商品属性。
削峰填谷，作为需求侧响应的主要类型，通过电力储能系统输电按照响应时段进行调节：在用电高峰时段削减用电量、在用电低谷时段增加用电量。储能系统参与负荷侧响应，可以缓解发电压力，增加调度资源，改善电网稳定性，提高电力系统效率、减少排放；也有助于消纳可再生能源，并降低对煤炭的依赖。通过需求侧响应来鼓励消费者调整消费行为，将会为能效领域创造新的商业机会。
电力动态增容
工业企业、民用建筑用户变压器超负荷或用电设备增加时，传统解决方案是考虑变压器增容。但由于增容需向供电部门提出申请，投资高、周期长，且后期维护及电费使用成本也增加。而一般用户，尤其是企业，用电不平衡，也导致用电低谷时变压器负荷率偏低，增加损耗。通过储能系统引入，低谷电价时储能，用电高峰时给负荷供电，提高了变压器的负荷率，减少了电能损耗和一次投资，也降低了能源利用日常成本。
电动汽车充电设施
（1）多能源互补配电系统设计
结合电动汽车充电桩配电系统设计，依据负荷计算及分布式光伏发电能源、电池储能配置建立与市政电源电网有效融合的供配电系统，可以有效控制用户或经营者的用电成本、巩固和提升电网供电能力。
电动汽车充电桩供配电系统可采用交流配电系统、交直流混合供电系统和直流供电系统三种方式。
（2）多能源互补交流供配电系统框架示意图如图3所示。
（3）多能源互补直流供配电系统框架示意如图4所示。
（4）多能源互补交直流混合供配电系统框架示意如图5所示。
（5）V2G模式节能运行
充电桩可采用V2G（Vehicle to Grid）节能运行技术，以便充分利用已充电车辆的储能回馈电网。V2G技术是指电能的双向转换，移动设备本身既可接受外部电能的输入也可对外输出电能。
电化学储能经济性分析
（1）储能度电成本计算
（2）储能度电成本控制
结束语
当前，“碳中和、碳达峰”战略目标下，新能源产业迅速发展，新能源体系建设以保障其安全、稳定、科学，高水平发展是面临的重要问题。电力储能应用以其电网调节、电能消纳、动态增容等功能特点，成为新能源体系建设中的重要环节。
同时，电力储能系统建设应至少从产品选型、安全防护、应用策略、经济效益等方面综合分析研判、实施，并根据当地政策、建设规模和实际使用需求综合分析比较，选择最佳建设方案。