基于锂离子电池的风光储系统的研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于锂离子电池的风光储系统的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要 本文主要论述了储能系统对风电、光伏发电场的重要性，介绍了储能技术的现状和锂离子电池的工作原理，通过比较几种适用于风电、光伏发电场的储能技术，科学的论述了基于锂离子电池的风光储系统的优势，并简要介绍了储能系统锂电池的容量选择，对风电、光伏发电场提高电能质量和解决限电弃风弃光问题给出应对方案。

关键词 锂离子电池；风电；光电；储能系统

中图分类号 TM61 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）100-0074-03

能源是国民经济可持续发展和国家安全的重要基础。随着经济的发展，对能源的需求量日益增加，而化石能源的大量消耗所造成的环境压力日益突出。节约化石能源，研究开发和大规模利用可再生能源成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。风/光电作为清洁的可持续发展的新能源被世界所认可，近年来装机容量获得了强劲的增长。但是，目前在我国风光资源的富集地区，电网均比较薄弱，像风电、光伏发电场这样的不稳定能源，对电网调度、电能质量和电网安全稳定性等方面产生了严重的影响。

随着风/光电等可再生能源发电装机容量的增大，电网必将对可再生能源并网技术提出更高的要求，储能系统可以辅助提高风电、光伏发电场并网电力品质，满足电网对可再生能源在电能质量、功率控制、电压调节及电网异常响应等方面的要求，从未来的发展方向来看，是智能电网建设不可或缺的一个重要环节。

1 储能技术现状

在现有的储能技术中，铅酸电池、镍铬电池系统由于循环寿命低和环保问题，目前还难以用于风/光电波动平滑。所以，当前技术条件下，能够满足风/光电应用的储能系统有蓄能储能、空气压缩储能、钠硫电池和液流电池储能装置以及正在兴起的锂电池。抽水蓄能方式可实现大功率、大容量电能储存，但是对场址要求较高。在风/光资源丰富的中国北方大部分地区，都比较干旱，不具备建设抽水储能系统的基本条件。

压缩空气蓄能规模大，但不仅需要气密性好的地下孔洞和巨大的一次性投资费用，此外，还需要大型天然气供应源。大型压缩空气储能系统目前尚未有在风电、光伏等清洁能源电站中使用。

引入电池储能系统是目前一个解决办法。但是，电池储能系统目前技术水平还不具备达到蓄能电站的功率和储能容量的规模。现阶段，若以电池储能系统用于辅助风电、光伏发电场实现峰值转移或提高其调度能力的条件还不具备。从国外储能与风电、光伏发电场结合的示范工程来看，电池储能系统主要用于平滑电场的短期（数十分钟以下）波动，或根据电场预测的出力曲线，配合辅助输出，使电场输出与事先预测接近一致，提高风力/光伏发电的输出可靠度。

2风电、光伏发电场配套储能系统的主要功能

2.1平滑输出

包括抑制风力发电和光伏发电的短期波动（分钟级或秒级）和长期波动（小时级），从而增加可再生能源输出的稳定性。抑制短期波动所要求配置的储能电池的功率和容量较小，而抑制长期波动得到的波形输出更为稳定，峰谷差更小，但其所要求配置储能电池的功率和容量较大。

2.2 跟踪计划发电

根据计划的出力曲线或调度指令，控制储能电池的充放电过程，使得电站的实际功率输出尽可能接近计划出力曲线，增加风光储电站功率输出的稳定性，提高电站的功率输出调节能力。所需配置的储能电池的功率和容量与风/光出力预测的准确性有关，一般情况下，风速或辐照度的波动性和不确定性越大，所要求配置的储能系统的功率和容量越大。

2.3 移峰填谷

即根据系统负荷的峰谷特性，在负荷低谷期储存多余的风能/太阳能，同时还可以从电网吸收功率和能量；在负荷高峰期释放储能电池中储存的能量，从而减少电网负荷的峰谷差，降低电网供电负担，一定程度上还能使风力/光伏发电在负荷高峰期发电出力更稳定。一般要求配置的储能电池的功率和容量较大。

2.4 储电

储存电能，在需要时放出储存的电能供所带负荷使用。根据其条件不同所需储能电池的系统功率和容量也不同。为了实现储电功能需要配置的储能电池的功率和容量较大。

2.5 参与电网调频

是指按照电网调度下达指令进行充、放电，维持电网频率的稳定。所需配置功率和容量由电力系统决定，不能一概而论。

储能装置功率和容量配比不同，其实现的功能也不同。

表1为储能系统功能分析表，由表可见，实现各种功能需要配备的电池容量差别很大，储能电池费用差别也较大。风电、光伏发电项目若100%实现移峰填谷、储能、跟踪计划发电功能，储能系统投资太大。

而作为风电、光伏发电项目来说，最重要也是最实用的功能是出力平滑，所以建议风电、光伏发电项目选择储能系统容量时可参考表1中出力平滑时的功率，在节省项目投资的基础上达到平滑出力的效果。图1为风电出力平滑前后示意图，从图中可以看出，增加储能系统后的风力发电项目可以有效的平滑发电出力曲线，改善电力品质。光伏发电项目的曲线与图1类似。

3 锂离子电池技术原理

如图2所示，锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。它以含锂的化合物作正极，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）或磷酸铁锂（LiFePO4）等二元或三元材料；负极采用锂-碳层间化合物，主要有石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成的。其工作原理如图6所示，充电时，锂原子变成锂离子通过电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存，放电的时候整个过程可逆。

锂离子电池具有能量密度大、自放电小、没有记忆效应、工作温度范围宽、可快速充放电、浅充浅放时使用寿命长、没有环境污染等优点，被称为绿色电池。同时不同技术的锂电池在充电特性和能容上也有差异，部分锂电池充放电电流大，大功率适用于调节输出，部分锂电池适用于储能。因此不同的应用目标也需要选择不同的电池类型。

目前锂离子电池发展迅速，大容量锂离子电池已在电动汽车业开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力，锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，将锂离子电池用于储能非常具有应用前景，许多发达国家都十分重视。

4 锂离子电池在风光电储能系统中的优势

通过对铅酸电池、全钒液流电池、锌澳电池、钠硫电池和锂离子电池的各方面比较（见表2），可以得出下面结论：

铅酸电池是最成熟的蓄电池技术，其使用寿命及放电特性、限制了在大规模储能方面使用，另外环境温度对其容量也有比较大的影响，不适合选作风电、光伏发电储能电池。全钒液流电池储能容量大、可深度充放电，使用寿命长，但其能量密度低、占用空间大，对运行环境温度要求高，需要室内布置并设置通风空调系统，且室内管路布置复杂，维护困难，在经济及技术上不是最佳选择。锌溴电池储能容量大、可深度充放电，使用寿命长，但其放电倍率低，在实现短期稳定出力的应用上有一定局限性，另外目前国内没有应用可借鉴，应用效果还需进一步验证。NaS电池有比能量高，可大电流、高功率放电，充放电效率高。但钠硫储能电池系统需要保持在350℃高温下运行，其运行管理及维护技术要求高，2011年全球唯一量产的大型蓄电池NAS电池的NGK产品发生两次爆炸，因此暂不推荐NaS电池。锂离子电池与其它蓄电池相比的主要优点是储能密度高，转换储能效率高，在浅充浅放时使用寿命长，可大功率充放电，而深度充放电时会使电池寿命严重下降。

基于以上特点，锂电池符合稳定风电、光伏发电场出力的功能目标。锂电池运行环境温度要求较高，正常的运行温度需要保持在5℃～40℃，因此需要设置通风空调系统，而且低温性能差，高温损失率大，单片转换效率高达95%，但串并联后一致性差会造成转换效率下降至85%。目前锂离子电池可采用集装箱模块化设计，安装维护方便，集装箱设置独立的空调系统可保证锂电池的运行环境。但空调系统需要消耗一定的厂用电，相应降低电站经济性。另外锂电池的运行环境内必须采取一定的防爆措施，比如喷洒CO2等措施，需额外增加投资。

与其他传统蓄电池相比，锂离子电池具有比能量高、额定电压高、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点，其比能量（200Wh/kg）达到了铅酸电池的5倍左右，单体工作电压为3.7V或3.2V，循环寿命在浅充放模式下可以达到3000～5000次，储能效率可以达到90%以上。锂离子电池以其高能量密度、高转换效率和快速反应等特点，非常适合用作风电、光伏发电项目的储能系统电池。

5 结论

通过以上分析，锂离子电池可以较好实现风电、光伏发电工程储能项目的目标。笔者建议选用锂离子电池储能系统来稳定电场出力，而储能系统的容量刚可按照所建风电、光伏发电场装机总容量的15%～30%考虑，在节省项目投资的前提下达到平滑输出曲线，提高电能质量并缓解限电和弃风弃光问题。

参考文献

[1]吴宇平.锂离子电池-应用与实践[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2] 李建林，李蓓，惠东.智能电网中的风光储关键技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]陈海生.国际电力储能技术分析（五）-锂离子电池[J].北京：工程热物理纵横，2012.

[4]（美）阿里著，刘长浥，等译.风电系统电能质量和稳定性对策[M]。北京：机械工业出版社，2013.

[5]（法）Yves Brunet，等著，唐西胜，等译.储能技术[M].北京：机械工业出版社，2013.