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用于智能电网辅助服务的超级电容器 吕洁 销售经理 Maxwell简介 Maxwell成立于1965年430位员工2012财年公司收入约1 59亿美元纳斯达克上市 代码 MXWL过去5年超级电容器收入实现显著增长 1992Maxwell开始开发超级电容器1995Maxwell推出首款大容量超级电容器2002Maxwell与Montena合并Maxwell生产自己专有的电极2007开始在中国生产2008德国慕尼黑汽车办事处开业生产第100万个大容量UCAP单体 12月8日 SOP首个汽车项目推出ESM模块生产第200万个大容量UCAP单体 1月28日 继续扩大产能 每季度生产100万个单体 什么是超级电容器器 超级电容器 ultracapacitors Supercapacitors 双电层电容器 ElectricDoubleLayerCapacitors 均为其称谓 工作原理一种具有很大电容器极板面积和很小极间距离的储能装置充 放电时不发生化学反应性能时间常数小于1秒10万至100万次以上的充 放电周期 直流寿命达15年 基础材料 生产超级电容器的基本原料是来自椰壳 Maxwell干电极 涂敷辊轧捏合粘合 椰子壳烧焦成碳 活性碳 烘干并粉碎椰壳 Maxwell超级电容器 插入浸渍密封 应用 变桨控制系统运行超过10年用于17 500多台风机 混合动力公交运行超过10年用于15 000多辆公交 仪表板网络稳定运行超过4年用于750 000多辆汽车 电网稳定目前已稳定运行1年左右额定功率3兆瓦 新 超级电容器可确保电网稳定 什么是电网稳定 当一个足够大的负荷在电网上开 关时 会在其周边局部区域造成电压和频率扰动 这些扰动是由于发电机对负荷变化的响应延迟造成的 可以通过增加储能装置满足局部需求波动 直至发电机有时间做出响应 从而减轻这种局部扰动 大型可变负荷导致局部电压和频率扰动 增加储能装置可消除此类局部扰动 洋山深水港案例研究 起重机操作导致局部电网不断发生电压波动 该港口位于世界上最长桥梁的一端 架设更大容量输电线路成本高昂 上海新港使用超级电容器稳定电压的原因如果满负荷工作 洋山深水港的23台港口起重机的每次用电足以让局部电网发生10至15秒的电压波动由于该港口位于长达20英里的大桥的一端 增大输电线容量会导致成本过高使用储能系统可以减轻起重机操作造成的短时电压波动 从而避免使用更大容量的输电线路超级电容器周期充放电次数多 设计寿命长 因而成为首选 洋山深水港案例研究 洋山深水港解决方案共选用126个Maxwell生产的125V模块用于储能额定功率3兆瓦储存能量达17 2千瓦时储能时间20秒 共采用6 048个Maxwell3000F单体 10kV配电系统 确保港口电压稳定 六个500kW阵列 家用电网稳定需求 太阳能等可再生能源输出变化很大 会导致局部扰动与港口起重机类似 当太阳能发电站的输出变动快于并网发电响应速度时 也会引起电压和频率扰动 在广泛使用太阳能发电的地区 这种扰动会降低供电质量 给当地用电户造成不利影响 大型可变负荷导致局部电压和频率扰动 太阳能等大型可变电源也会导致局部扰动 家用电网稳定需求 SunPower装机量250兆瓦的加州谷太阳能牧场 CAISO 2013年8月18日周日的可再生能源 CAISO记录5月份太阳能发电量达到创纪录的1 8GW 加州2020年的目标是可再生电源达到33 目前对电网稳定的需求虽小但在迅速增长目前太阳能供电占加州总供电量不到5 预计到2020年翻一番随着太阳能发电在电网中的普及 会超过发电设备对其输出变动的响应能力 电网如何响应变动 电网上的负荷如何平衡 来源 Eyer Jim和GarthCorey 电网储能 Sandia国家实验室 2010年2月 南加州Edison的供电质量图 来源 电力质量手册 南加州Edison电力质量部 发电机根据负荷的变动进行相应的功率调节 以保持供电质量要在辅助服务市场上销售调节功率 regulationpower 电厂必须能够随时响应恒定功率调节需求 并在五分钟内调整到所需的输出要求 目前加州独立系统运营商 CaliforniaISO 每天在辅助服务市场上采购350到600兆瓦调整电力 即日峰值发电量的1 1 5 以维持电力质量标准 为什么可再生能源要求更多辅助服务 来源 LawrenceBerkeley国家实验室的AndrewMills所著 太阳能发电的短期可变性 2010年10月 太阳能发电是一种输出变化很大的电力来源 稍许乌云就会在五分钟内导致输出功率大幅变化一分钟内出现40 的输出变化并不罕见很大程度上与港口起重机相似 太阳能发电的大幅变化会引起局部区域的扰动 来源 Lenox 计算大型光伏项目的可变性 SunPower 2009年10月 简化电网模型 太阳能发电占电网的50 电厂调整速度为5分钟的电网电力质量 电网上太阳能发电比重增大造成的影响可用简化电网模型来体现电网模型由供电调整速度5分钟 专用于提供调节功率的简化电厂 恒定电力负荷和电力输出不断变化的太阳能发电厂组成电网会调整其输出 努力保持负荷平衡 以确保电能质量在要求之内若电能质量不满足要求 负荷会跳闸 5秒钟后重置这个简单模型说明太阳能发电比重超过20 电网就会变得不稳定 在此模型中 当太阳能发电比重超过20 电网就会丧失稳定性 带储能装置的简化电网 太阳能发电占电网的50 有30秒钟储能的电网电力质量情况 采用储能装置不仅可以支持更高的太阳能发电占比 同时还可保持电力质量增加储能装置后 太阳能发电的波动得到缓和 让电厂有时间响应更多的用电需求模型显示 只需20秒的储能 就能将太阳能发电的占比提升到40 且不会出现切负荷跳闸进一步增加储能水平产生的效益呈下降趋势 30秒储能只能把太阳能发电的占比提高到50 切负荷跳闸与太阳能发电占比和储能能力的函数关系图 用于太阳能发电的储能装置特点 5分钟电网调整响应速度条件下用于稳定太阳能发电输出的储能装置特点对太阳能发电占比低于50 的情况 只需要10到30秒储能即可确保当地电力质量根据模型 按30秒储能 夏日平均一天需完成8 6个完整充放周期 如果储能系统要达到与太阳能阵列20年的使用寿命 就要求其充放电周期次数达到6万次甚至更高 用于太阳能发电的储能装置特点 所选用的储能技术典型充放电周期 所选用的储能技术特定储能水平与储能时间 稳定太阳能发电 调整电网对储能时间和充放电周期的要求与超级电容器的电特性极为吻合同样的20秒钟储能时间 超低电容器比电池的体积小2 3倍超级电容器的充放电周期能让系统的设计使用寿命与光伏阵列相同 而且还可避免系统超过规定的尺寸 超级电容器电网应用演示 基于使用超级电容器稳定电网太阳能发电这样一个前提 Maxwell将在由加州能源委员会资助的项目的两个地点演示该技术 一期系统额定功率30KW 准备于2014年安装在加州大学圣地亚哥分校 UCSD 用于演示28KWCPV的稳定性二期系统额定功率250KW 准备于2015年安装在沙漠中的更大规模CPV阵列上 概念性28KW机箱设计 演示地点位于加州大学圣地亚哥分校 概念性250kW设计 准备于2015年演示 超级电容在风电并网侧端的应用 平滑风电出力曲线 可以和电池合作 超级电容在不同储能方案中的定位 超级电容超长秒 分钟级别的应用 超级电容在改善电网质量方面的其它应用 储能系统在智能电网中的其它应用 超级电容和电池能量储存系统在STATCOM中的应用能量储存系统在SVC s 静态VAR补偿中的应用 Source RajivK Varma ElementsofFACTsControllers IEEEPower EnergySocietyTransmissionandDistributionConference Exposition ErnstN MorialConventionCenter NewOrleans LA 19 22May2010 频率的稳定需要储能设备具有维持1分钟高功率的能力控制和平滑电网电压需要能量储存系统可以快速输送功率 ms级 并且可以从变流器吸收功率 超级电容和其它储能设备联合使用 主能源要满足峰值功率和持续功率的需求 超级电容和其它储能设备联合使用 超级电容负责峰值功率的需求 总结 超级电容器有望用于提供电网级辅助服务 如稳定太阳