最适合大规模储能系统？钠硫电池的应用前景在哪？

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(LA)、氧化还原矾电池(VRB)和锌溴电池(ZnBr)。

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。

1 NaS电池的原理与特性

钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，发明的初衷是用于电动汽车。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β-Al2O3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。钠硫电池正常工作需要加热到290℃以上，温度稳定后才能进行充放电。

由于β-Al2O3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；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650Ah，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；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。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。

2 NaS电池的储能应用现状

NGK公司和日本东京电力公司(TEPCO)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。作为全球唯一一家钠硫电池产业化企业，NGK公司将NaS电池定位于储能应用，其目标瞄准负荷平定(LL，LoadLeveling)、不间断电源(UPS，UninterruptedPowerSupply)、应急电源(EPS，EmergencyPowerSupply)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LL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，总计超过300MW，2000MWh。其中绝大部分项目在日本，少部分在美国和德国。美国有9MW已经投入运行，另外有10MW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(1MW)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(1MW)和阿联酋(共50MW)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7.2MWh，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。

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%。

为了延长电池寿命只用了电池能量(7.2MWh)的83%～90%。在前11个月的运行中，按当地的电费计算，共节约S57000。其中最多的一个月(2006年8月)是S11300，最少的一个月(2006年9月)是S2400。

美国建成的另一个额定功率2MW的公交车天然气补给站储能系统，用于低谷储电、高峰放电，降低220辆公交车燃料补给费用。通过合理的控制，该储能电站每年可节约S246500。

中科院硅酸盐所于2006年与上海市电力公司合作，在国家“七五”到“十五”期间车用小容量钠硫电池研发的基础上，开发650Ah大容量钠硫储能电池。目前开发的电池正在模块成组测试过程中反复进行改进，现已建成2MW大容量钠硫单体电池中试生产示范线；2009年9月，10MW储能系统演示成功；2010年上海世博会期间，100kW/800kWhNaS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。

世界首富比尔·盖茨在2016年4月，向专门研制钠电池的初创公司Aquion Energy的C轮融资投了3500万美元。而在去年1月，该公司宣布C轮融资金额由3500万美元上调至5500万美元，在增加的2000万美元的股东名单中，位列第一的又是比尔·盖茨。

3 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，PowerConversionSystem)、储能电池及电池管理系统(BMS，BatteryManagementSystem)以及监控系统组成。有3个直流支路的储能系统结构如图4所示。

其中，BMS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，StateofCharge)和健康状态(SOH，StateofHealth)，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BMS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，降低电流纹波；再通过DC-AC变流器接入交流电网。

监控系统通过与BMS通信监视钠硫电池组的运行参数，记录BMS运行的数据；通过与PCS通信监视电池组充放电情况，并能够将事先设置好的或者自定义的充放电策略下发到PCS。此外，变电站原有的远端测控单元(RTU，RemoteTerminalUnit)信息(储能系统所用站内二次设备)、技防系统及变压器侧电度表读数(记录充、放电过程中释放、消耗的电量)等也要一并连入储能监控系统。

4 结束语

钠硫电池能量高、寿命长，是大型可再生能源储能、电网负荷平定和大功率应急电源的首选电池。目前，国内还没有建成钠硫储能电站。中科院硅酸盐所和上海电力公司合作开发的大容量储能钠硫电池还处于示范阶段，另外保温箱控制、模块集成、BMS和PCS技术成熟度在进一步提高中。

国内电力储能市场巨大。按2010年国家电网对清洁能源做出的预计，到2020年，我国风电装机和太阳能发电装机将分别达到1.5亿kW和2000万kW，按20%的容量配置储能，仅可再生能源发电领域就有3400万kW的储能市场需求。如果1000万kW采用钠硫电池，按15元/W估算，产值可以达到1500亿元。随着国内钠硫电池本体性能和保温箱模块集成技术的不断提高，一旦实现商业化，则大型电力储能项目会在短时间内迅速增加。

（来源：北京交通大学电气工程学院）