钠硫电池储能应用现状研究

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NaS 电池的储能应用现状
NGK 公 司 和 日 本 东 京 电 力 公 司 ( T EP CO ) 1983 年起合作开发钠硫电池, 并于 2002 年开始进 入商品化实施阶段[ 8] 。作为全球唯一一家钠硫电池 产业化企业, N GK 公司将 NaS 电池定位于储能应 用 , 其目 标 瞄 准 负 荷平 定 ( LL , Lo ad L evel ing ) 、 不 间 断 电 源 ( U PS, Unint errupt ed P ow er Supply ) 、应急电源 ( EPS, Emergency P ow er Sup ply) 等应用。钠硫电池储能系统按应用类型分主要 有 3 种 : 第一种是用于变电站负荷平定 ( 包括削 峰填谷) ; 第二种是用于可再生能源发电系统, 主 要是平抑间歇式能源对电网的冲击, 起到稳定电网 的作用; 第三种是辅助备用, 起到旋转备用和应急 备用的功能。另外钠硫电池在输配电系统的有功、 无功支持及多功能电能储存系统中也有良好的应用 前景。1992 年~ 2007 年, 全球钠硫电池储能应用 共计 196 个项目 , 安装容量 270MW 。其中, 各种 应用所占的比例如图 2 所示, 用于 L L 的安装容量最 大, 有接近 120MW。用于 LL + EPS 和 LL + UPS 模 式的总安装容量有 100MW 左右。用于新能源领域的 不到 40MW。用于科研和其他应用的只有一小部分。 截止到 2009 年初, 全球已 经建成了 超过 200 个项目
表 1 钠硫电池参数 [ 2 ] 参数名称 模块额定功率 / kW 模块峰值功率 / kW 模块总能量 / kW h 模块尺寸 ( L W H) / m 3 模块体积 / m 3 模块数量 模块重量 / kg 储能系统成本 / ( S | / kW ) 2 3 数值 50 60 360 1 8 0 7 2 9 20 3 400 2 500
能、超级电容储能和蓄电池储能 。近些年 , 由于 大功率动力电池技术的不断成熟, 蓄电池储能技术 得到了长足发展。满足大规模储能要求的蓄电池主 要有 4 种 , 分 别 是 钠 硫 电 池 ( NaS ) 、 铅 酸 电 池 ( L A) 、氧化 还原 矾电池 ( VRB) 和锌 溴电 池 ( Zn Br) [ 2] 。从功率提 供能 力、能 量效 率、安 装成 本、 额定功率放电能力、安装场地要求、维护要求等多 因素综合考虑, 钠硫电池的总体特性最适合大规模 储能系统应用。
[ 4]
图 2 钠硫电池储能 应用现状 [ 12]
绝大部分项目在日本 , 少部分在美国和德国。美国 有 9M W 已经投入运行 , 另外有 10M W 的项目由 于时间调整推迟 6 到 12 个月。 2006 年 , 美国第一 个兆 瓦 级 的 储 能 项 目 ( 1M W ) 由 美 国 电 力 公 司 ( AEP) 主持完成; 2008 年, 最大规模的 风电储能 电站 ( 34MW ) 在 日 本 建 成 ; 另 外 法 国 留 尼 汪 岛 ( 1M W) 和阿联酋 ( 共 50M W) 用于负荷平定的项目 也在计划建设中。 2002 年 , 美国从 NGK 公司购买 了钠硫电池, 在俄亥俄州建成了第一个 100kW/ 500kVA 的示范 电站。因此 AEP 获得了几年内以低价格购买钠硫 电池的优惠权。 2006 年 , 西弗吉尼亚州 的查尔斯 顿建成了美国第一个兆瓦级的钠硫储能电站。项目 中采用的钠硫 电池参数如表 1 所 示, 额定功 率是 1MW, 峰值功率是 1 2MW, 能提供的最大能量为 7 2M Wh, 可以为 500~ 600 个家庭提供 6~ 7h 的 电能。电池在夜间用电低谷期充电 , 在白天用电高 峰期放电。这样可以在一定程度上保证查尔斯顿周 边地区的夏季用电供应。同时将电力设备更新的时 间推迟了 6~ 7a 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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引 言
在电力系统中 , 为了调频、调峰和稳定电网,
经常要引入电力储能装置。储能系统按原理可以分 为抽水 储能、压 缩空气储 能、飞轮 储能、超 导储
基金项目 : 电网储能用钠硫电池管理系统 ( E08X0120)
第6期
孙丙香等: 钠硫电池储能应用现状研究
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由于 Al2 O3 同时充当电解质和隔膜 , 由于它只传 导钠离子 , 所以钠硫电池充放电过程中没有副反应 发生[ 5] ; 另外, 由于充放电过程中电池化学反应相 应的吸热和放热作用 , 需要响应速度快、高稳定性 的温控系统。 钠硫电池单体的比能量高 , 可大电流、高功率 放电 , 无放电污染、无振动、低噪声 , 利于环境保 护; 钠硫电池的理论比能量高达 760Wh/ kg, 没有 自放电现象, 放电效率几乎可达 100% ; 单体的额 定电压为 2V , 我国目前设计容量达到 650A h, 功 率 120W 以 上 ; 将多 个单体 电池组 合后形 成模 块。模块的功率通常为几十千瓦, 通过模块串联可 以很容易达到兆瓦级 , 直接用于大型储 能[ 6 7] ; 循 环充放电次数按 300 次/ a( 90% DOD) 计算, 其寿命 可以达到 15a 左右 ; 另外, 其重量和体积仅为铅酸 电池的 1/ 5~ 1/ 3[ 8] 。与其他 蓄电池不同的 是, 钠 硫电池的工作温度为 290~ 360 , 要通 过保温箱 进行模块封装和集成。温控系统的好坏直接影响到 钠硫电池的工作状态和寿命。
[ 12] [ 11] [ 9 10]
美国 NaS 电池项目中的价格组成如图 3 所示, 其中钠硫电池的成本占到了总成本的 45% 。
, 总计 超过 300M W, 2 000M Wh 。其中
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现
代
电
力
2010 年
800kWh NaS 储能系统已作为上海世博园智能电网 综合示范工程的一部分在上海硅酸盐所嘉定南门产 业化基地启动运行[ 14 15] 。
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摘 要: 介绍 了钠硫 电池 的结 构组成、工 作原 理和 参数 特 性, 分析了钠 硫电池 的应 用类 型和应 用现 状; 针对 负荷 平 定、不间断电源和应急电源的应用情况给出了统计分析; 以 美国第一个兆瓦级储能项目为例说明了其成本构成和经济效 益; 对典型钠硫储能系统给出 了设计方 案和关键技 术分析, 对电池管理系统、功率转换系统以及监控系统给出了详细介 绍; 依 据 2010 年 国家电网对清洁能源 做出的预计对于国 内 电力储能需求和钠硫电池国产化后的应用前景给出了预测。 关键词: 钠硫电池; 储能系统; 应用现状 Abstract: T he structur e, the w or king principle and the pa r ame ter chara cter istics o f so dium sulfur ( N aS) batte ry ar e intr oduced in this paper. T hen the applica tio n ty pe and sta tus o f N aS ba ttery ar e analyzed. T he statistics analysis o n the applica tio n of lo ad lev eling, uninter rupted pow er supply and em erg ency po we r supply a re ana ly zed. Its co st co mposi t ion and econo mic benefits ar e sho wn by taking the first megaw att class Ener gy Sto r age System ( ESS) in U SA as a n exam ple. In addition, the de sig n scheme and key te chnical analysis of a typica l Na S batter y ESS a re pro posed. T he po w er conv er sio n sy stem, the ba ttery mana gement syste m and the mo nito r ing sy stem ar e intr oduced in detail. I n the end, domestic demand o f electr ical energ y sto rag e and the applica tio n fo reg ro und of NaS ba ttery af ter industr ializa tio n ar e pr ese nte d based o n the e xpectation o f the Sta te G rid f or new ener gy in 2010. Key words: N aS batter y; ener gy sto ra ge syste m; applica tio n status
及监控系统组成。有 3 个直流支路的储能系统结构 如图 4 所示。 其中, BM S 主要功能是 监测电池的电 压、电 流、温度等参数, 估算电池荷电状态 ( SOC, Stat e of Char ge) 和健康 状态 ( SOH , St at e of H ealt h) , 根据电池特性实时判断当前允许的充放电电流允许 值, 实时进行故障诊断和数据上传 , 同时在极端情 况下直接切断支路接触器 , 确保系统安全。 温控系统接收到 BM S 的温度信息, 实时进行 温度控制, 确保电池在合理的温度范围内工作。 PCS 主要实现电池的充放电控制、信息指示、 故障判断与上传及保护功能 ( 交直流异常保护、短 路保护、功率器件过温保护和防雷击保护等 ) 。钠 硫电池单体在充放电过程中 , 电压在 1 5V ~ 2 4V 之间波动, 支路电压的变化非常大。这就给传递功 率的控制带来困难。因此 , PCS 系统要设计两级: 先通过 双向 DC DC 斩波器得 到稳定的直流电 压,
第 27 卷 第 6 期 2010 年 12 月 文章编号 : 1007 2322( 2010) 06 0062 04
现
代 电
力
M odern Electric Pow er
V o l 27 N o 6 Dec 2010 文献标识码 : A
钠硫电池储能应用现状研究
孙丙香, 姜久春, 时 玮, 张维戈
( 北京交通大学电气工程学院 , 北京 100044)
Research on the Application of NaS Battery Energy Storage System
Sun Bingx iang , Jiang Jiuchun, Shi Wei, Zhang Weige
( School of Elect rical Eng ineer ing, Beijing Jiao tong U niversit y, Beijing 100044, China)
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NaS 电池的原理与特性
钠硫电池是美国福特 ( Fo rd) 公司于 1967 年首 先发明公布的, 发明的初衷是用于电动汽车[ 3] 。钠 硫电池采用管式设计 , 以中心负极为主。单体容量 650Ah 的电池重量约为 8~ 9kg , 如图 1 所示, 内 管为 Al2 O3 陶瓷材料, 管内盛放的金属钠为负极 材料 ; 外管为合成材料或不锈钢金属材料 , 管内盛 放的非金属硫 ( 石墨毡作导电载体 ) 为正极材料[ 4] 。 钠硫电池正常工作需要加热到 290 定后才能进行充放电。 以上, 温度稳
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NaS 电池储能系统组成及关键技术
典型储能系统 由变电站 系统、功 率转换 系统
( PCS, Pow er Co nversio n Syst em ) 、储能电池及电 池管理系统 ( BMS, Batt ery M anagement Sy st em) 以
图3 N aS 电池储能系统成本组成
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