Q007钠硫储能电池及其在电力系统中的应用

钠硫储能电池及其在电力系统中的应用

王育飞，王鲁杨，张宇上海电力学院电力系上海上海电力公司，上海）

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(1. ,200090 2. 2001222006200040%[1][2,3][4][5][6][7](3)15(89%)(NaS, Sodium Sulfur Battery)300o C 1650125222 (1)

(Na)(Na +)；可再生能源的大量利用和智能电网的构建，使得以钠硫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；全面介绍了钠硫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、提高电能质量几个方面对钠硫电池在电力系统中的应用进行综述，并对钠硫电池储能技术的研发与应用前景进行展望。

钠硫电池；储能技术；智能电网；削峰填谷；可再生能源；电能质量

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，年的最高用电负荷近万千瓦，峰谷差高达；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。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。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。

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。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；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。常用的大规模电力储能电池有铅酸电池、钠硫电池和液流电池等。其中钠硫电池具有能量密度大铅酸电池的倍、运行寿命长（年以上）、效率高约、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。

钠硫电池是在附近充放电的高温型储能电池，负极活性物质为熔融金属钠，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所示。目前单体钠硫电池最大容量达到安时、功率瓦。

钠硫电池充放电原理示意图如图所示。钠硫电池充放电反应式为：

放电

充电

在放电过程中，钠被电离，电子通过外电路流向正极，钠离子通过β氧化铝电解质

摘 要：关键词：引言

钠硫电池系统结构与充放电原理

图１　单体钠硫电池结构示意图

01x S Na xS Na ⇔+

扩散到液态硫正极，并与硫发生化学反应生成

多硫化钠。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，

获得电子形成钠原子。

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，模块的功率通常为千瓦。

图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附近且比较均匀

是一个难点。

将电池模块进行组合连接可形成不同容量、

功率大小的储能电池系统。图所示为钠

硫电池储能系统，它包括钠硫电池子系统和电力

变流子系统。其

中钠硫电池子系统由电池储柜、钠硫电池模块、

模块连接母线和直流断路开关组成；电力变流子

系统通常由电压源逆变器、监控系统、变压器等

组成。

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，能够实现直流钠硫电池和交流

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。

钠硫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。截至年月，世界

各地共应用了多套钠硫电池储能系统，总容

量超过，；其中美国已投运

套共钠硫电池储能系统，另有钠硫

电池储能系统在建设中，这些都为美国新能源利

用效率的提高和智能电网的构建提供了有力的支

持。

）削峰填谷

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钠硫电池储能系统，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。

钠硫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

系统额定输出功率应满足：

(S)

(Na2S x)

(e-)

50

3

300o C

41MW

(PCS, Power Conversion System)

[8]

20094

200

300MW2000MWh3

9MW10MW

[9]

1(Peak Shaving and Load Leveling)

[10]

图２　钠硫电池充放电原理示意图

（ａ）

（ｂ）

图３　钠硫电池模块结构示意图

图４　１ＭＷ钠硫电池储能系统

钠硫电池储能系统在电力系统中的应用

2

P NaS