先进铅碳电池在电网储能系统中的应用

先进铅炭电池在储能系统中的应用

隋延波，孔令成，郭永千，孙大强

(山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 273100)

摘要：能源的可再生和可持续发展是21世纪的机遇和挑战。储能是实现以可靠和具有经济效益的可再生能源为基础的能源供应体系的关键决定因素，但大多数储能技术以每千瓦或每千瓦时计算的成本太高，阻碍了储能的广泛采用。对此，基于对先进铅炭电池的技术优势分析，以度电成本为标尺对比分析主要储能技术经济性的基础上，以先进铅炭电池构建储能系统，研究其在可再生能源接入、消峰填谷、微电网等不同工况下的应用及投资效益，分析可见先进铅炭电池可望推进规模储能进入商业化运营新阶段。

Abstract: Renewable energy and sustainable development is both a challenge and opportunity in the 21th century. Energy storage is a key factor of the energy supply system based on the reliable and economic renewable energy. But the cost of most energy storage technologies calculated by kW or kWh is too high for energy storage to be adopted widely.This article investigates the technical advantages of the advanced lead-carbon battery, the ecomonic comparison of the common energy storage technologies based on the cost per kilowatt hour, and the application and the investment income of the lead carbon battery storage system in different fields, like renewable connection, peak shaving and micro-grid, etc. The analysis result shows that the lead carbon battery is promising to push large-scale energy storage into a new stage of commercialized operation.

关键词：铅炭电池；储能系统；度电成本；可再生能源接入；消峰填谷；微电网

中图分类号：TM615

0引言

能源的可再生和可持续发展是21世纪的机遇和挑战。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[1]。首先，风能、太阳能等可再生能源的输出功率受自然环境的影响，会产生随机性、间歇性波动。其次，随着用电量的增加，电力消耗的昼夜峰谷差在日益扩大。第三，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。储能使可能源具有可调度性，不仅在发电、输电、变电、配

电、用电等环节可发挥重要作用，在微电网中也得到广泛应用[2]。在并网运行时，储能系统主要发挥灵活调节和平滑波动等功能；在离网运行时，储能系统可作为微电网的主电源，保持微电网的电压和频率稳定，确保微电网的稳定运行。

目前，储能系统在国内外微电网项目中得到了广泛应用，储能系统可有效提高电网对清洁能源的接纳能力，支撑电网的安全运行，实现用户需求侧管理，提高电力设备利用率，降低供电成本，成为智能微电网中必不可少的重要环节[3]。

本文针对可再生能源及智能电网发展对储能系统的需求，介绍了先进铅炭电池特点及储能系统构成，以度电成本为标尺对比了主要储能技术的经济性；开发了1MWh集装箱式先进铅炭电池储能单元，在此基础上对先进铅炭电池储能系统在可再生能源接入、负荷区消峰填谷[4]、微电网储能等不同工况下的应用及投资效益研究。

1先进铅炭电池

1.1 传统铅酸电池

在变配电站等电力系统的传统应用中，铅酸电池的作用主要是提供后备电力。电池的实际用途(放电供能)是非经常性的，长期处于浮充状态[5]。在典型的备电应用场景下，对铅酸电池的主要需求是运行可靠、浮充寿命长，而对循环性能一般不做要求，如DL/T637《阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件》。因而传统铅酸蓄电池的循环性能100%DOD放电一般不高于300次。

然而，在电网级储能系统中电池实际应用状态是部分荷电模式下循环充放电使用，在这些应用场景下，传统铅酸电池的在欠充情况下循环性能明显不足，主要原因是在欠充模式下，负板会产生不可逆转的硫酸盐化，严重影响电池寿命。

在考虑电池自身充放电能量转换损耗的基础上，即便考虑电池残值，传统铅酸电池的度电成本依然高达近2元的水平。高的储能度电成本、短的在线运行寿命，造成运行维护成本高、投资经济性差，严重影响了其在电网级储能系统中的推广应用。

1.2 先进铅炭电池

在典型的备电应用中，铅酸电池的主要失效模式包括正极板栅腐蚀、负极活性物质的硫酸盐化及电解液的干涸。而在电网级储能系统的循环充放电应用中，铅酸电池的主要失效模式包括正极板栅腐蚀、活性物质软化及负极活性物质的硫酸盐化。山东圣阳电源股份有限公司与日本古河电池株式会社战略合作，引进国际领先的的铅炭技术生产的FCP铅炭电池，采取如下技术方案，革命性地把电池的循环寿命70%D0D提高到了4200次以上，凭借先进的铅炭技术、精良的制造工艺和内置智能管理模块，在储能系统中高压电池组（480V）的循环寿命亦可达到3500次以上。

1)新型的耐腐蚀合金，提高了板栅的耐腐蚀寿命；

2)专用的极板活性物质配方和特殊添加剂，降低正极活性物质软化速率，提高正极

循环次数；

3)采用先进的碳材料作为负极添加剂，提高充电接受能力，减少负极硫酸盐化，更

适合部分荷电状态（PSOC）条件下使用；

4)采用新型电解液配方和特殊添加剂，降低电池内阻，提高充放电效率并缓解电解

液分层和负极硫酸盐化；

5)采用先进的制造技术和严格的制造工艺，保证产品的一致性和可靠性。

1.3 FCP铅炭电池技术优势

山东圣阳电源股份有限公司针对电网级储能系统推出的国际领先的FCP铅炭电池，是深循环储能应用的新一代大容量、超长寿命储能电池。目前国际上性能指标相近的同类产品只有日本日立集团推出的LL系列储能电池，国内同业推出的深循环铅炭电池产品，深循环次数尚不及FCP铅炭电池的一半。FCP铅炭电池的技术优势如下：

1)超长的循环寿命：70%DOD深循环次数超过4200次，设计寿命15年；

2)领先的铅炭技术：采用铅炭技术，提高充电接受能力，减少负极硫酸盐化，更适合

部分荷电态（PSOC）下使用；

3)先进的制造工艺：先进的制造技术和严格的制造工艺，保证产品的一致性和可靠性；

4)模块化的系统设计：模块化设计和安装方式，结构紧凑、节省安装面积和空间，安

装简易、便于维护。

2先进铅炭电池在电网储能系统中的应用

据中关村储能产业技术联盟(CNESA)年度产业统计数据显示，截至2013年底，除抽水蓄能、压缩空气储能及储热外，全球储能项目总装机容量达73.6万千瓦，较2012年增长了12%，增速平稳。截至2013年底，中国已运行的储能项目装机规模达5.15万千瓦，较2012年增长了39%。从装机容量上分析，锂离子电池和铅酸电池排在前两位，合计约占85%以上；其他液流电池、超级电容器亦有少量应用。

大多数储能技术以每千瓦或每千瓦时计算的成本太高，阻碍了储能的广泛采用。如图1所示，尽管传统铅酸电池价格较低，但因较短的循环寿命，储能系统中其度电成本反而最高；锂离子电池虽然单体可以实现几千次的循环寿命，但因单体容量小、大量单体成组后的电池组循环寿命大幅缩短，在储能系统用的高压电池组（480V左右）80%DOD达到2000次就是很高的门槛，储能系统中其度电成本依然较高。凭借优异的循环性能，FCP铅炭电池把度电成本大幅度降低至约为锂离子电池的1/2、传统铅酸电池的1/3，如下是考虑电池充放电能量转换损耗及残值、不考虑不确定的运输和货款占压成本基础上，对传统铅酸电池、锂离子电池和FCP铅炭电池在储能系统中度电成本的经济对比。

随着储能系统的规模化应用，FCP铅炭电池在规模化生产的基础上可望把度电成本降至约0.5元，可见FCP铅炭电池性价比优异，经济性领先，为储能系统在可再生能源接入、负荷区消峰填谷、微电网储能中的规模化应用提供了条件。