储能知识介绍全.docx

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1、储能知识介z一、储能的定义与意义储能是通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放出来的过程, 是一种电网供需平衡技术。传统刚性电力系统电能源一荷瞬时动态 平衡的法则越来越难以为继，未来电力系统必须具备足够的“柔性”以适 应高比例可再生能源的新常态。在这一转变过程中，储能因其具有将电 能的生产和消费从时间和空间上分隔开来的能力，成为未来高比例可再 生能源电力系统的关键支撑技术之一。新能源在电力系统中的占比低于 20%时，现有的调峰电厂（燃气、水力发电厂）可应付间歇性新能源供 电波动；但大于这个比例时，就需要用到供需平衡技术，包括储能、需 求侧管理、电网互联。储能可很好地解决可再生能源引入的挑战

2、，因此在新型电力系统中具有 重要地位。一方面，可解决风光出力高峰与负荷高峰错配的难题，通过 削峰填谷，增加谷负荷以促进可再生能源的消纳，减少峰负荷以延缓容 量投资需求。另一方面，可解决风光出力随机性和波动性带来的频率稳 定难题，尤其是电化学等响应速度较快的新型储能，能提供调频服务提 高电网可靠性。二、储能技术的分类储能技术主要分为：热储能、电储能、氢储能三大类，其中电储能技术 又可进一步划分为：1）电化学储能；2）电磁储能；3）机械储能。此外，提高电池的一致性，选用安全高效的热管理系统，抑制电池的温 升，嵌入泡沫金属、包覆相变材料实现电池被动式冷却等也是未来提高 电池应用安全性的重点。其次是以

3、监控和预防为主的主动安全。在储能电站的主动安全方面，应 该基于数字化技术提高监控、运维水平，实时监控整体电站的硬件状态， 在异常故障时做到实时通知，提高故障诊断的准确率和自动化处理效率, 做好系统安全状态的早期预警，避免电池从出现故障发展到热失控的状 75 o电池管理系统(BMS)对电池组实施数据监测和故障诊断，进行动态管 理。跟动力电池的BMS相比，储能电池BMS在硬件逻辑结构、通信协 议、管理系统参数等方面存在差异，其对响应速度、数据处理能力、均 衡管理能力提出了更高的要求。现有储能电池BMS技术上普遍存在的三大问题是：首先，BMS虽然已经在监测电池的温度和电压，测不到、测不准的问 题普遍

4、存在。由于采集的电压和温度都是电芯外部的参数，无法获取电池内部的真实 温度，因而无法准确计算电池的真实状态，如电池容量、衰减率等，电 动汽车以及储能电站的燃烧爆炸事故，其实都可以通过预先获知电池内 部的温度，而提前判断电池热失控实现保护，但是由于温度采样的延时和温度梯度的影响，使得在热失控已经发生后系统才给出警告和保护, 为时已晚。此外，现有的储能电池管理系统需要通过采样点、线束采集电压、温度 等参数，大量的采样点、线束，以及线束连结的接插件，将产生很多故 障隐患。当线束老化、破损或受到挤压，也容易产生漏电等问题。另外，对电池管理系统而言，其实现均衡管理的能力很重要，均衡的目 的是使的电池组可

5、放容量最大化，目前储能电池管理系统通用的均衡技 术为被动均衡。电化学储能包括：锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池、液流电池。电磁储能包括：超级电容、超导存储等。机械能储能包括：水力发电、抽水蓄能、固体重力储能，以及通过高速 旋转的飞轮的动能储能的飞轮储能、压缩空气储能。热储能包括：熔融盐储能和储冷。机械储能的基本原理是电网低谷时利用过剩电力，将作为液态能量媒介 的水从低标高的水库抽到高标高的水库，电网峰荷时高标高的水库中的 水回流岛下水库，推动水轮发电机发电。氢储能或合成天然气储能是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载 体。利用待弃掉的风电制氢，通过电解水将水分解为氢气和氧气，从而 获得氢。以后可

6、直接用氢作为能量的载体，再将氢与二氧化碳反应成为 合成天然气（甲烷），以合成天然气作为另一种二次能量 载体。三、储能技术的性能比较和应用选择储能技术种类繁多，他们的特点各异。实际应用时，要根据各种储能技 术的特点以及对优缺点进行综合比较来选择适当的技术。供选择的主要 特征包括：能量密度（kWhorMWh）；功率密度（kWorMW）；响应 时间（-ms,-s,-minute）；储能效率（充放电效率）；设备寿命（年）或充 放电次数；技术成熟度；经济因素（投资成本、运行和维护费用）； 安全和环境方面的考虑。、储能技术在电力行业的应用场景储能在电力行业的三大应用环节为：电源侧、电网侧、用户侧，具体提

7、供的功能和价值为：1）实时功率平衡（功率价值）；2）提高系统容量 系数（容量价值）；3）能量吞吐和转移（能量价值）。一般而言，放电时间为秒至分钟级的储能技术，常常是功率型的，比如 超级电容器、超导储能、飞轮储能，可用于UPS和提高电能质量、调 频；放电时间为分钟至小时级的一般为容量型的，如轮储能、各种电池 等，可用于电源转换；放电时间为小时至天级的一般为能量型的，如液 流电池、抽水蓄能、压缩空气、氢储能等，目前应用最广泛的大型抽水 蓄能可以解决天级的储能要求，要满足周和月级的储能需求要依靠其他 种类储能手段，如氢和合成天然气。五、各种储能技术的优缺点分析锂离子电池的综合表现最好，使用场景最多；

8、而与之相对，互补性最强 的就是氢储能，它可以应用于锂离子电池无法使用的季节性调峰领域, 对于缓解目前极端气候所带来的季节性用电紧张问题产生重要作用。同时，氢储能与超级电容也有非常强的互补性，尤其是超级电容在提高 电能质量、平滑新能源出力、调频方面具有其它技术所不具备的显著优 势，但其大规模应用的最大阻碍还是使用成本，因此宁愿退而求其次, 使用更加经济的锂离子电池方案。六、电化学储能系统构成1、电池目前主流的蓄电池储能为锂电池、钠离子电池、液流电池:1）锂电池优势是能力密度高、污染低、转换效率高、循环寿命长，但随着原材料 价格的飙升，影响成本下降，且稳定性不足、容易出现安全问题，需要 专门的消防

9、和温控公司进行监控维护，进一步增加了使用成本。目前磷 酸铁锂的度电成本在之间。2）钠离子电池钠离子相对锂电池而言，更加稳定安全、摩尔导电率更高，成本更低（约 30%）,但缺点是能量密度低，长期稳定性不足。比较适宜大型集中储 能电站用于日间调频。3）液流电池主要是铀液流电池，优点是长期稳定性高、安全，循环使用寿命高（可 达12000-14000次）、充放电效率高、容量可增加、电解液可循环使 用。缺点是能量密度很低、能量转换效率较低、放电时间长（最高可达 8小时）。2、电池管理系统BMSBMS的原材料是IC、线束、继电器与机壳。基本工作原理是MCU采集 传感器提供的电流、电压、温度等电池工作参数，

10、从而对电池的工作情 况进行分析，估算其剩余电量，决定是否启动保护电路或进行均衡；电 池工作状态可通过显示屏显示，也可以与上位机进行通信，从而实现远 程监控。BMS主要由主控单元、从控单元、信息采集单元、信息传输 及显示单元等组成。在硬件设计过程中，为达成产品的高可靠性和安全 性，在各功能区需要选择PPTC、FUSE等被动保护器件以保护电子电路 在复杂电磁环境中的功能和安全。在锂离子电池系统中，BMS需要对电池组进行数据监测和故障诊断， 以便对电池进行动态管理，并将这些数据上传至控制器，便于进行控制 策略的选取与实施，实现电能的高效利用，保持电池性能良好，同时起 到延长电池循环使用寿命的作用。一

11、般来说，BMS要实现单体电池电 压电流检测、电量计算、均衡管理等九大功能。其中单体电池电压监测的目的主要在于通过压差判断电池的差异性以 及检测单体的运行状态。除此以外，电池组的总电压仍需要单独测试以 备继电器的诊断。其中温度的测量对于电池组工作状态的评估具有重大意义，包含单体电 池的温度测量和电池组流体温度监测。电池组中温度传感器的放置位置 以及使用个数，对温度测量影响较大，此外，不同温度区间对于BMS 模块的精度要求也有不同，一般涉及到分级管理的概念。另外单体电池SOC估算是BMS中的重点和难点。目前最常采用的估算 方法是安时积分法和开路电压标定法。通过建立电池模型和大量数据的 采集，将实际

12、数据与计算数据进行比较，是目前的主流做法。电池均衡是BMS另一难点，实质上是通过人为干预的方法使电池组内 的所有电池综合新能趋于一致。常见的均衡技术分为被动均衡和主动均 衡。采用主动均衡技术时单体电池一般外加DC/DC电路，利用能量补 充或者能量转移的方式实现电池均衡的目的，在充电及放电过程中实现 均衡；被动均衡是通过外接电阻将能量较高的电池消耗至设定值。主动 均衡对电压采集精度要求较高，电路结构也较复杂。被动均衡虽然结构 简单，但其只能在电池充电时实现均衡的效果，能量利用率较低。相比 而言，由于主动均衡技术能量利用率较高，充放电时都可以达到电池均 衡的效果，因而是未来的发展方向。此外，均衡技

13、术与电池种类也有一 定的关系，一般认为LFP更加适合主动均衡，三元电池者适合被动均衡。3、逆变器PCS储能变流器PCS是连接于储能电池和交流电网之间的电力转换设备，也 可以称为逆变器。其主要功能是实现直流电与交流电的转换。由于电池 的充放电都必须是直流电，但是电网系统所使用大多数交流电，绝大部 分家用电器等也是以交流电为标准进行设计，因此无论是工业储能还是 户用储能，都必须解决直流电和交流电的转换问题，也就是必须安装逆 变器。而且，由于储能电池需要不断充电、放电，所以必须能够双向变 流。除此之外，PCS还承担着在电网和储能系统间精确快速地调节电压、 频率、功率，实现恒功率恒流充放电以及平滑波动

14、性电源输出的任务。 因此，虽然逆变器的成本在储能电池总成本中只占10%-20%,但却是 必不可少的一部分。目前储能逆变器市场的龙头基本也是光伏逆变器的老玩家，如阳光电源、 固德威、锦浪科技等。值得注意的是，逆变器的技术门槛不算很高，因 此哪怕是新玩家，只要拥有足够的品牌效应和销售渠道，就可以在短期 内通过堆积资源快速实现扩张。4、能量管理系统EMSEMS能源管理系统是用于储能项目的系统监控、功率控制及能量管理的 监控系统，实现对储能电站BMS和PCS的集中监控，统一操作、维护、 检修和管理，实现故障的快速切除、在负荷高峰时缓解电网压力、降低 电网运行成本、提高经济效益。EMS实现的主要功能包括

15、：1）系统总览：实时数据采集和监控-额定 功率、额定容量、运行数据、状态分析、历史数据；2）监视与控制： 充放电情况、多个储能单元的事故汇总、充放电实时曲线、日中计划曲 线、日内超短期曲线；3）日前计划：充放电计划维护- 一充一放、两 充两放、一充两放，历史计划查询；4）报警查询。目前EMS系统存在 的主要问题：（1）监测内容不充分监测方法较为单一，没有充分挖掘 不同类型电池特性进行针对性的数据采集与状态监测，导致监测内容不 充分。（2）电站响应时间慢监控架构不合理，无法满足毫秒至分钟级 不同时间尺度的控制需求，致使电站响应时间慢，无法达到考核标准。(3)管控手段不科学控制方法较为简单，没有形

16、成包含储能设备全寿 命周期管理的功率调节与能量管理的优化算法，造成管控手段不科学。(4)分析结果不全面监控数据缺乏统筹管理，没有形成运行数据的全 过程、系统性规划与管控，使得分析结果不全面，运维检修缺乏大数据 支撑。七、电化学储能系统的安全性问题特斯拉的Megapack在过去不到一年半的时间里，已经发生了两次火灾: 2021年7月30日，澳大利亚维多利亚州的维多利亚储能电站着火;2022 年9月20日，位于美国加州蒙特利县的埃尔克霍恩变电站发生火灾。目前Meg叩ack系统每个单元的储能容量为3.9MWh,额定功率为1.9MWo在埃尔克霍恩电站中，Megapack储能系统的总容量为182.5 兆

17、瓦。截至目前，全球总共发生了 60多起电化学储能火灾事故，大部分储能 电池使用的是三元锂电池，事故发生时段主要在设备调试阶段和充放电 后的休止中。电化学储能的安全是一个系统性问题。导致电化学储能电站起火的原因 很多，包括电池、电气设备本身的质量问题，也包括系统保护措施设计 的不完备，PCS和BMS以及EMS等系统之间的控制及保护功能协调性 差等，施工过程中出现的质量问题、运行和维护管理不当等均也是储能 电站起火的原因。其中，电池本身的热失控，以及电池模块和系统的热失控扩散，是行业 目前关注的焦点。电池热失控的初始力量主要来自于电池充放电循环的热量积累，如果热 量不能及时导出，就会使系统的温度升

18、高，诱发初始反应即电池负极表 面的SEI膜分解，继而会诱发主控反应，即隔膜产生大量焦耳热后导致 的系列反应，包括电解液的分解、电解液与正极的反应等。据了解，电池热失控一般的原因有内因和外因，内因包括电池老化，例 如极化导致内阻增大，锂金属沉积刺穿隔膜，内部杂质刺穿隔膜；外因 包括意外事故引发电池机械结构损伤，电池局部受热、电池过充过放、 过压、外短路等。因此，未来电化学储能电站的安全管理应覆盖全生命周期，构建本体安 全、主动安全、消防防御三重防线。首先，电池安全是电化学储能的本体安全。要从电池材料和结构本身来 预防电池热失控，电解液、隔膜、正极材料的改进很重要。电解液方面， 要研发难燃和不燃的电解液，例如固态电解液，同时保证电解液的电化 学性能跟原位电解液基本一致。正极材料方面，由于正极材料分解会发 生大量氧气，与电解液反应，因此需要对正极材料掺杂材料或者进行包 裹处理，提升金属氧化物的稳定性。隔膜方面，目前电池隔膜熔化温度 在120-140摄氏度之间，隔膜一旦熔化电池瞬间会形成内短路，因此要 发展耐高温的隔膜，例如有机隔膜和无机陶瓷隔膜。