MW级大容量锂电池储能电站自主研发集成报告

MWMW级大容量锂电池储能电站自主研发集成报级大容量锂电池储能电站自主研发集成报 告告 MW 级大容量锂电池储能电站自主研发集成报告 1 国内外大容量锂电池储能系统进展现状 近年来，储能技术的研究和进展一直受到各国能源、交通、电力、电 讯等部门的重视。电能的储存形式可具体分为机械、电磁、电化学电池三 大类型。其中电池储能近年来受到越来越多的关注。铅酸电池作为最早的 电化学电池之一，差不多历了近 150 年的进展历程。利用铅酸电池构建大 容量储能系统接入电网，作为移峰填谷的应用，最早开始于1980 年代。然 而， 铅酸电池循环寿命较短(平均循环寿命为 500～1500 次)而且在高温下寿 命会缩短，能量密度和功率密度较低(30～50Wh/kg、75～300W/kg)，且在 制造过程中存在一定的环境污染，这使得常规电池远远满足不了大容量接 入电网的要求。 因此， 近年来世界各国大力研究高级电池(advanced battery)， 例如，钠硫电池，液流电池等，其中锂离子电池是高级电池中一种有广泛 应用潜力的电池。 《2009 年美国复苏与再投资法案》中预算 20 亿美元，用 于鼓舞高级电池在电力系统中的应用，其中，就包括锂离子电池。 随着锂离子电池性能和安全性的提升，以及成本的降低，由于其具有 能量密度高、无经历效应、无污染、自放电小、循环寿命长的特点，逐步 受到业界的关注和重视。从锂离子电池使用的正极材料角度能够将目前的 锂离子电池分为： (LiCoO2) 钴酸锂电池、(Li(NiCoMn)O2)三元材料电池、 (LiMn2O4)锰酸锂电池以及(LiFePO4)磷酸铁锂电池等。钴酸锂电池由于在 充电和高温状态下存在安全咨询题，且钴是稀贵资源，其成本高，因此钴 酸锂电池不宜在大容量电池储能中采纳。锰酸锂电池正极材料资源丰富、 价格低廉，安全性好，无环境污染，近年来取得重大突破，已在电动公交 车中尝试应用。三元材料锂电池是钴酸锂电池的替代产品，其相对安全、 成本较低，钛酸锂电池是三元材料锂电池的一种。磷酸铁锂电池，与传统 的钴酸锂电池相比，能量密度为钴酸锂电池的75%，但在制造成本、安全 性、循环寿命等方面有明显的优势。 目前，锂离子电池在交通行业(电动汽车)得到了广泛应用。2007 年美 国锂离子电池的市场销售量为 10 亿美元，同时估量每年有 50-60%的增长 幅度。然而，锂离子电池大容量集成接入电网的应用直到2008 年 10 月后 才开始有报道。美国 A123 Systems 公司已开发出 2MW×0.25h 的 H-APU 柜式磷酸铁锂电池储能系统(Hybrid Ancillary Power Unit)，2008 年 11 月， A123 Systems 公司联合 GE 公司，与美国 AES 公司与合作，于 2009 年在 宾夕法尼亚州实施了2MW的H-APU柜式磷酸铁锂电池储能系统接入电网。 同时，将类似的 2 个 MW 级磷酸铁锂电池储能系统分别接入了加利福尼亚 的两个风电场。其应用要紧定位于为电力系统提供包括频率操纵在内的辅 助服务和新能源灵活接入。南加州爱迪生电力公司(Southern California Edi son)于 2009 年 8 月打算投资 6 千万美元(其中 2.5 千万美元由美国能源局补 贴)，利用 A123 Systems 的设备建设当今世界上最大的锂离子电站(32MW h);印第安纳州的Power 在电池监控系统方面，国内已有基于信号采集的简单B MS 系统的产品，但尚不具备对大规模电池组进行治理操纵的能力， 专门在 大规模单体电池成堆成组后，电池一致性咨询题成为阻碍电池寿命的关键 环节，而采纳电池均衡技术则是目前技术的进展前沿，国内目前在电池动 态均衡技术刚刚起步，大规模应用少有报道，其中凹凸科技公司的电池治 理系统技术水平在国内处于前沿，从对外报道来看也仅能同时治理5 节单 体电池，实现动态均衡;站内监控系统，目前在电力系统应用广泛，技术差 不多比较成熟，但要紧为传统的监控功能，关于储能电站，还需实现对电 池堆的有效治理以及承担储能站的高级应用操纵功能，目前市场上已有的 产品无法满足上述技术需求， 需要在现有的厂(站)监控平台上进行二次深化 开发;相比较而言，电力电子变流器(PCS)是四者当中技术成熟度最低的一 个，下面具体进行分析。 电力电子变流器(PCS)，是实现直流储能电池与交流电网之间的双向能 量传递，将储能电池接入电力系统的关键设备。国外实际工程的统计结果 显示，在电池储能系统中，PCS 的成本占到整个系统成本的 25%以上。目 前，传统功率单向流淌的并网逆变器型 PCS 装置在包括太阳能、风能在内 的分布式发电技术中的已有广泛的应用。国内从事电力电子变流器行业的 企业也要紧集中于光伏和风力发电等新能源应用领域，市场上还没有专门 针对储能电站应用的双向变流器的成熟产品。下面从风电、光伏及STATC OM 等的应用情形来分析目前国内外电力电子变流器(PCS)及其应用技术的 进展水平以和技术成熟度情形。 在风电变流器领域，按照 2008 年 10 月出版的《中国风电研究报告 20 08》的研究结果，在我国风力发电装备产业链中，尽管零部件产业化情形 有了较大的进展，然而风电机组的操纵系统和变流系统等核心部件的产业 化程度较低，仍旧是国内风电设备制造业中最薄弱的环节。 风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一，也是目前风电制造 行业国产化水平较低的部件之一。 一直以来国内变流器市场被 ABB 等几家 外资巨头垄断，然而国家近几年公布了关于风力发电方面的一大批科技支 撑打算项目，在风电机组操纵系统及变流器的研发及产业化方面投入了大 量资金，促进了国内风电变流器企业的进展。 目前，在华提供风电变流器的要紧外资企业有： ABB(瑞士)，科孚德机 电 Converteam(法国阿尔斯通)，美国超导公司 AMSC Windtec，艾默生网络 能源有限公司(美国)， 施耐德电气(法国， 已并购 Xantrex);国内目前能提供 1. 5MW 以上风电变流器的厂家有合肥阳光电源，北京科诺伟业，黑龙江九洲 电气，北京清能华福，国电龙源电气，成都东方日立，株洲南车时代，北 京四方继保、海得操纵等，在研以及拟建项目有国电南瑞 (在研)，北京荣信 股份(拟建项目)，山东新风光电子科技进展有限公司(全功率变流器在研)， 甘肃天水电传(长城电工，拟建项目)等。风电变流器分为双馈型变流器和直 驱型全功率变流器两种。目前国内绝大部分企业提供的差不多上双馈型变 流器， 1.5MW 双馈型机组所使用的变流器容量为 500kW;金风公司研制的国 内首个 1.2MW 直驱型风电变流器，近期差不多投入市场。 在光伏发电领域，成立于 1981 年的艾思玛(SMA)是全球最早也是最大 的光伏逆变器生产企业(德国市场占有率达 50%以上)， 占全球市场 33%左右 的市场份额，是全球光伏逆变器第一大生产供应商，第二位是Fronius，全 球前七位的生产企业占据了 74%的市场份额。2008 年国内光伏逆变器的进 口量为 13.6MW，其中德国是最要紧的进口来源地，占全部进口量的70%，