中国储能网讯：为实现能源转型、发展电力现货市场建设、提高储能参与电力市场交易和辅助服务水平，储能政策相继出台。充分利用风光发电是实现可持续发展的重要途径。在新型电力系统中，新能源渗透率较高。利用电化学储能技术能够一定程度上解决可再生能源发电间歇性和不确定性给电力系统运行稳定带来的问题。
因原材料丰富、价格低廉，液流储能技术中的锌铁液流电池技术受到广泛关注。鉴于当前综合性分析讨论锌铁液流储能技术的特性及其规模化应用进展的文献较少，因此，本文结合相关研究及应用成果及个人开展的相关仿真实验数据，对锌铁液流电池质技术开展综述。
1 电化学储能技术的对比
现阶段我国新型电力系统中采用的主要几种电化学电池储能技术的相关技术参数指标如表1所示。
由表1可知，铅酸电池成本低、技术成熟，但其循环寿命低且会造成环境污染；镍镉电池有较高的比容量和循环寿命，但其成本与环保性表现欠佳；锂离子电池具备较高的能量密度和环保等优势，但其安全性相对较差，在过充过放条件下的性能表现欠佳。
相较于其他储能技术，液流电池的特性是功率与容量相分离。尽管面临能量密度低、安装面积大等局限，但在大规模储能的应用场景中，液流电池凭借循环寿命长、成本低廉的特点仍展现出显著优越性。
在各类液流电池中，全钒液流电池的特点是循环寿命长、充放电性能稳定、设计灵活、维护简单，但其能量密度低、成本高，且存在环境污染问题；铁铬液流电池规避了离子交叉污染的问题，但存在较为严重的自放电现象，能量密度也相对较低；相比之下，锌基液流电池成本低廉、充放电性能佳、操作成本低、安全，是当前长时储能应用场合中最具潜力的技术之一。
2 锌铁液流电池技术的研究现状
1974年，Thaller[12]首次提出了铁基液流电池概念。锌基液流电池工作原理如图1所示。图中，锌基液流电池系统的核心构成主要包括电解液储罐、动力传输泵、电堆、电极材料以及隔膜等关键组件。在充放电循环过程中，锌铁液流电池电极材料的表面发生氧化还原反应，分别在正极处实现Fe2+/Fe3+离子之间相互的可逆转化，负极发生锌的沉积析出和溶解，以此实现化学能和电能的转化。
根据电解液的酸碱性质，锌铁液流电池可以分类为碱性、酸性及中性3种类型。碱性锌铁液流电池能够在高电流密度条件下实现长期稳定的循环运行；但碱性介质下电池的阳离子隔膜电阻值较高，且锌枝晶问题不可忽视，导致电池的循环性能较差。
酸性锌铁液流电池具有较好的溶解度以及电化学活性，但：在充放电循环过程中，Zn/Fe离子的交叉污染会损失库仑效率，降低电池容量；同时，负极侧受pH影响较大，容易发生析氢反应。中性锌铁液流电池体系的电解液无腐蚀性，然而该体系中水解的铁离子会显著影响电池的循环稳定性。
3 锌铁液流电池储能的应用方向与关键技术
3.1 锌铁液流电池储能的应用方向
当前关于锌铁液流电池储能应用的文献和案例较少，所以有必要对其各种应用方向进行梳理和总结。电池储能可于电力系统源侧、网侧、荷侧等场景发挥作用，具体见表2。
3.1.1 源侧
电力系统源侧主要为火电厂和风光等分布式新能源。由于缺少足够的快速调频备用资源，高新能源渗透率的新型电力系统更易受到扰动而破坏频率稳定。
本文以频率响应为例，在simulink中搭建微电网仿真模型，不断调整新能源出力占比，以负荷突增作为扰动，探究新能源渗透率对系统频率的影响。仿真结果如图2所示。
图2中，算例1-算例5分别是设置新能源渗透率占比0%、10%、20%、30%和40%的仿真结果。由图2可知，在电网受到同样干扰的情况下，新能源渗透率越高，系统的频率变化率越大。电池储能系统在源侧主要参与电网的调峰调频以平滑出力，用于改善电能的质量[16,17]。火电厂和新能源电厂对储能的需求各不相同。火电厂小功率波动过多，对储能功率特性需求更高；新能源电厂随机性和波动性性更强，对储能容量特性需求更高，要求长时储能。
目前主流的储能系统采用的是以磷酸铁锂电池为代表的锂电池；但锌铁液流电池储能同时具备长时和功率调节速度快等特点，在技术成熟进一步降低成本后，将具备更好的发展前景。
3.1.2 网侧
随着负荷需求和新能源渗透率的不断增大，电网需要不断更新扩容输变电设备、提高输电能力[19]。受用地成本和环保影响，输电线路的建设成本越来越高，建设周期也越来越长。为提高电网的输电能力，在网侧接入的大规储能设备可用作输变电设备的备选措施。在大规模新能源经长交流线路并入主网的情况下，若新能源场站短路比较低，则在交流故障及恢复期间新能源机端易出现过电压导致机组脱网故障[19]。
本文以单相短路故障响应为例，在simulink中搭建含构网型储能的微电网仿真模型。在1~2 s设置单相短路故障，然后对比配置构网型储能和无配置储能条件下微电网单相短路故障期间三相电压过电压水平，结果如图3所示。
由图3可知，配置了构网型储能的电力系统在单相故障发生后过电压水平更低，且电压恢复速度更快。锌铁液流电池储能可采用构网型技术，为电力系统提供更稳定的电压支撑。
3.1.3 荷侧
电力供应网络的结构通常错综复杂。用户获取的电能质量（电压、电流和频率等）存在着一定的波动性。
锌铁液流储能等储能设备布置在用户侧，可简洁有效地为电网提供优质电力。当电源网络出现故障发生停电时，储能设备可以作为后备电源，保证重要供电设备不间断供电，改善供电系统的安全性。同时，在有关政策驱动和技术法规的许可下，储能系统还能通过参与电力市场进行峰谷套利，一定程度上提高储能的经济效益。使用Gurobi求解以储能经济效益最大化为目标，某配置30 MW·h锂电储能和100 MW·h抽水蓄能的新型电力系统日内优化调度结果如图4所示。
由图4可知，锂离子电池储能设备的运行主要集中在电价谷段充电、在电价峰段放电。电池储能设备在满足电力系统各种运行调度约束的同时充分地参与了电力市场交易，从而最大化了电池储能的经济效益。
故此，锌铁液流电池储能可通过优化调度参与电力市场，在满足系统负荷需求的同时获取经济效益。
3.2 锌铁液流电池储能的关键应用技术问题
目前，电力系统储能领域应用最广泛的是锂离子电池，而规模化锌铁液流电池储能尚需要进一步降低运营成本、提高在电力系统各场景的参与度与贡献度、提升应用的经济价值。
本文参考现有电池储能相关研究成果，总结了规模化锌铁液流电池储能应用需解决的关键技术。
3.2.1 源网荷储一体化
源网荷储一体化的关键是多能互补，其目标是通过有效整合本地发电、电网和用电端资源，合理部署储能设施，以实现电力资源在规划、设计、建设和运营等各个环节的协同优化。为推动源网荷储一体化建设，锌铁液流电池储能的合理配置、多能互补协调技术的完善发展显得至关重要。文献[22,23]认为，储能的配置优化需要综合考虑源网荷储一体化综合能源系统内储能的动态效率和寿命、新能源消纳和区域供电的稳定性。文献[24]以新能源消纳率和储能系统平准化度电成本最小为优化目标，对工业园区进行储能配置。考虑多能互补项目布局，文献[25,26]采用熵权法确定了源网荷储一体化发展路线各影响因素的综合权重。文献[27]综合考虑电网输变电设备和荷侧负荷需求的不确定性，采用近似动态规划算法求解配网源网荷储多阶段随机规划问题。文献[28]构建了考虑多储能博弈的最大化低碳经济的源网荷储协同优化调度模型。
3.2.2 高新能源渗透率下电网的稳定性控制
新能源高渗透率下发电系统趋于电力电子化，惯量、有功无功控制、故障穿越等涉网控保持性不同于常规电源，如表3所示。
图5展示了构网型储能在新型电力系统中发挥的基本功能。
由图6可知，构网型储能主要通过有功环控制转速角，无功环控制电压幅值响应网侧有功和无功的波动，提供稳定的电压和频率支撑。
构网型储能参与含高渗透率新能源电力系统运行优化策略以及构网型储能变流器的稳定控制，是储能应用的关键问题。
优化策略方面。文献[35]提出了一套定量评估构网型储能变流器控制策略性能与效果的评价指标体系。文献[36]研究了一种适用于并联构网型储能系统的协调有功控制策略。文献[37]提出了一种基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器的稳定性优化方法。
稳定控制控制方面。锌铁液流电池储能应具备在电力系统频率稳定、静态电压稳定以及暂态电压稳定控制中发挥作用的能力[38]。
储能规划配置方面。文献[39]建立了一种同时兼顾经济性与电网功角稳定性的储能选址定容双层优化模型。文献[40]考虑多元储能协同互补作用，将频率电压稳定性约束线性化后嵌入系统调度模型，在兼顾系统运行经济性与电压稳定性的同时有效提高了风电场调频支撑能力。文献[41]验证了新能源电网配置储能能够有效提高电网的静态稳定性。文献[42]综合考虑风电不确定性，经济性和风电场汇集系统静态电压稳定性，采用粒子群算法求解网储联合规划问题。在此处给出本小节作者自己对上述文献研究成果的综合观点认知。
3.2.3 参与电力市场及辅助市场等的经济效益
储能项目的经济性评估对决策者和投资者而言至关重要。通常采用平准化度电成本（LevelizedCost Of Electricity,LCOE）、内部收益率（InternalReturn Rate,IRR）和净现值（Net Present Value,NPV）来评估储能项目的可行性、盈利能力和回报周期。考虑锌铁液流储能全生命周期的LCOE主要涉及储能投资成本和设备运维成本。
锌铁液流电池储能经济性运营考虑场景大致可分为成本、电力市场、租赁市场和辅助市场这4个部分，如图7所示。
目前，在新型电力系统升级的要求和政策的大力扶持下，各地纷纷出台了配储相关的要求和储能的补贴政策，表4总结了部分省份最新的储能政策。
各地强制配储的政策促进了储能市场的发展和储能的装机部署量，但由于相应储能参与电力市场、辅助市场等政策法规的缺失。较低的上网价格使得储能系统缺乏盈利的运营模式，较低的经济效益是困扰储能进一步推广发展的难题。
探索提高锌铁液流电池储能经济效益的方法是推进其发展的必由之路。文献[43]考虑独立储能电站全生命周期日均成本，构建涵盖峰谷套利、调频补偿和租赁的多市场参与框架，利用租赁市场的成本疏导因子来优化储能的投资成本和运行成本。文献[44]在独立储能容量补偿、电力现货市场与辅助服务市场建设方面给出了政策建议。文献[45]在贵州省现行价格标准下，对储能在源侧、网侧及租赁模式多应用场景下进行最优配置的经济性分析，为新能源场站配储提供了参考解决方案。文献[46]充分考虑了储能系统物理特性和工程设计约束，对新能源调频场景下储能系统接入的经济性进行了研究。
综上，在推动锌铁液流电池储能应用的同时，需要兼顾其多经济性运营场景的效益，同时各地相关市场政策也亟待完善。在此处给出本小节作者自己对上述文献研究成果的综合观点认知。
3.3 规模化锌铁液流电池储能应用的展望
表5列举了近些年国内外已投产运行或在建的锌铁液流电池储能系统典型示范工程。
针对当前存在的关键问题，为满足低成本大规模长时储能，对规模化锌铁液流电池储能系统的商业化应用提出以下几点展望：
1）应加快锌铁液流电池正负极材料、电解液等电池材料的研发投入，如制备更高机械强度的离子传导膜；同时大力推广诸如优化电场分布、强化离子迁移和锌诱导沉积等抑制锌枝晶的技术，以满足锌铁液流电池规模化商业应用要求。
2）应提升锌铁液流储能在电力电子化电力系统中维稳作用，同时将新型电力系统数字化技术赋能于源网荷储一体化控制及多能流互补中，提升整个系统的资源配置能力和安全高效运营。
3）应考虑经济性投资的回报和可持续性发展，高效调控锌铁液流电池储能参与电力市场和辅助市场等经济运营场景，提高锌铁液流电池储能的内部收益率和净现值，提高规模化锌铁液流电池储能的商业应用潜力。
4 结束语
本文综述了锌铁液流电池的研究进展。此外，本文综述了电池储能在电力系统源、网、荷侧的应用方向，讨论了锌铁液流电池储能在源网荷储一体化发展、新型电力系统稳定控制和参与电力市场及辅助服务市场的关键应用技术，并对规模化锌铁液流电池储能系统的发展提出展望。
