储能技术及其在现代电力系统中的应用.doc

储能技术及其在现代电力系统中的应用内容摘要 从电力系统安全高效运行的角度论述了电能存储技术的重要性，介绍了目前常用的几种储能技术的发展现状，指出了该领域当前的热点研究问题。现代电力系统中的新问题 安全、优质、经济是对电力系统的基本要求。近年来，随着全球经济发展对电力需求的增长和电力企业市场化改革的推行，电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化，一些新的矛盾日显突出，主要的问题有：系统装机容量难以满足峰值负荷的需求。现有电网在输电能力方面落后于用户的需求。复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出。用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。电力企业市场化促使用户则需要能量管理技术的支持。必须考虑环境保护和政府政策因素对电力系统发展的影响。 2000年到2001年初，美国加州供电系统由于用电需求的增长超过电网的供电能力，出现了电力价格大范围波动以及多次停电事故；我国自2002年以来，已连续四年出现多个省市拉闸限电的状况；在世界上的其他国家和地区，也不同程度地出现了电力供应短缺的现象。系统供电能力，尤其是在输电能力和调峰发电方面的发展已经落后于用电需求的增长，估计这种状况还会在一段时间内长期存在，对电力系统的安全运行将带来潜在的威胁。 加强电网建设（新建输电线路和常规发电厂），努力提高电网输送功率的能力，可以保证在满足系统安全稳定运行的前提下向用户可靠地输送电能。但是，由于经济、环境、技术以及政策等方面因素的制约，电网发展难以快速跟上用户负荷需求增长的步伐，同时电网在其规模化发展过程中不可避免地会在一段时间甚至长期存在结构上的不合理问题；另一方面，随着电力企业的重组，为了获取最大利益，企业通常首先选择的是尽可能提高设备利用率，而不是投资建设新的输电线路和发电厂。因此，单靠上述常规手段难以在短时间内有效地扭转电力供需不平衡的状况。 长期以来，世界各国电力系统一直遵循着一种大电网、大机组的发展方向，按照集中输配电模式运行。在这种运行模式下，输电网相当于一个电能集中容器，系统中所有发电厂向该容器注入电能，用户通过配电网络从该容器中取用电能。对于这种集中式输配电模式，由于互联大系统中的电力负荷与区域交换功率的连续增长，远距离大容量输送电能不可避免，这在很大程度上增加了电力系统运行的复杂程度，降低了系统运行的安全性。 目前，电力系统还缺乏高效的有功功率调节方法和设备，当前采用的主要方法是发电机容量备用（包括旋转备用和冷备用），这使得有功功率调控点很难完全按系统稳定和经济运行的要求布置。某些情况下，即使系统有充足的备用容量，如果电网发生故障导致输电能力下降，而备用机组又远离负荷中心，备用容量的电力就难以及时输送到负荷中心，无法保证系统的稳定性。因此，在传统电力系统中，当系统中出现故障或者大扰动时，同步发电机并不总是能够足够快地响应该扰动以保持系统功率平衡和稳定，这时只能依靠切负荷或者切除发电机来维持系统的稳定。但是，在大电网互联的模式下，局部的扰动可能会造成对整个电网稳定运行的极大冲击，严重时会发生系统连锁性故障甚至系统崩溃。美国和加拿大2003年8月14日发生的大停电事故就是一个惨痛的教训。如果具有有效的有功和无功控制手段，快速地平衡掉系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。 在现代电力系统中，用户对于电能质量和供电可靠性的要求越来越高。冲击过电压、电压凹陷、电压闪变与波动以及谐波电压畸变都不同程度地威胁着用户设备特别是敏感性负荷的正常运行。电力市场化的推行也促使电力供应商和用户一起共同寻求新的能量管理技术支持，以提高电网运行的安全性和经济性。基于储能技术的解决方案 能量存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法。这种方法在早期的电力系统中已经有所应用，例如在19世纪后期纽约市的直流供电系统中，为了在夜间将发电机停下来，采用了铅酸蓄电池为路灯提供照明用电。随着电力技术的发展，抽水储能电站被用来进行电网的调峰。抽水蓄能电站在夜晚或者周末等电网负荷较小的时间段，将下游水库的水抽到上游水库，在电网负荷峰值时段，利用上游水库中的水发电，补充峰荷的需求。在美国，抽水蓄能机组容量约占总装机容量的3，而在日本则超过了10。 储能技术目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量。 各种形式的储能电站可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时刻改为发电机方式运行，向电网输送电能，这种方式有助于减少系统输电网络的损耗，对负荷实施削峰填谷，从而获取经济效益。另一方面，和常规的发电机和燃气轮机相比，这种方式在成本方面具有很大的优势。它在电网低谷时刻使用电能，用电成本较低，不像柴油发电机或者燃气轮机那样需要消耗高成本的燃料。为了实现效益最大化，合理选择储能电站的位置非常重要。 储能装置用于电力调峰，需要装置具有较大的储能容量。显然，容量越大，制造和控制越困难。但是，如果将储能装置用于系统稳定控制，就有可能采用小容量的储能，通过快速的电能存取，实现较大的功率调节，快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”，从而提高电力系统的运行稳定性，目前的研究包括频率控制、快速功率响应、黑启动等。 将储能电站用于用户侧，可以提高电能质量，增强系统的供电可靠性。从技术上来说，现在已经可以利用储能装置为每一个用户（家用、商用或者工业用户）提供不间断的高质量供电电源，而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。 储能电站工程通常都是由各自的投资企业全权负责运行管理。实际经验表明，这种电站的工程设计与制造、现场安装以及运行维护等费用都超过了预想值。因此，储能系统制造商转而寻求另外一种系统解决方案，即分布式储能（DES）系统。 对于供电紧张的电力系统来说，分布式储能技术可望提供最佳的解决方案，这是因为：分布式储能系统是模块化的，可以快速组装，现场安装费用低。由于模块化的灵活性，当某一地区负荷需求增加时，采用分布式储能系统代替建设地区发电厂效果更好。分布式储能系统不会增加电力系统在环境保护方面的压力，而且有助于减少主力电厂以及分布式发电设备的化石燃料消耗和废气排放。分布式储能系统一般具有更高的能量转换效率以及更快的响应速度。采用分布式储能系统可以提高现有发电和输配电设备的利用率和运行经济性。大多数采用新技术的分布式储能系统都能很容易地实现多功能。 分布式储能系统可以有三种方式帮助实现对用户可靠供电：在关键时刻辅助供电或者传输电能。将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻。在强制停电或者供电中断的情况下向用户提供电能。 从增强系统运行稳定性和提高电能质量的角度看，分布式储能具有更大的优势，按照系统运行的要求来布置储能装置，可以得到更好的控制效果。 表1总结了储能系统在电力系统中的应用领域。储能技术的发展现状 储能技术在包括电力系统在内的多个领域中具有广泛的用途，近年来世界范围内的电力工业重组给各种各样的储能技术带来了新的发展机遇，采用这些技术可以更好地实现电力系统的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式发电领域，这种作用尤为明显，在传统的发电和输配电网络中，这些新技术同样可以得到应用。以下简要介绍各种储能技术的基本原理及其发展现状。1 抽水储能（Pumped Hydro Storage） 抽水蓄能电站在应用时必须配备上、下游两个水库。在负荷低谷时段，抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。在负荷高峰时，抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。一些高坝水电站具有储水容量，可以将其用作抽水蓄能电站进行电力调度。利用矿井或者其他洞穴实现地下抽水储能在技术上也是可行的，海洋有时也可以当作下游水库用，1999年日本建成了第一座利用海水的抽水蓄能电站（Yanbaru，30MW）。 抽水储能最早于19世纪90年代在意大利和瑞士得到应用，1933年出现了可逆机组（包括泵水轮机和电动与发电机），现在出现了转速可调机组以提高能量的效率。抽水蓄能电站可以按照任意容量建造，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，其效率在70至85之间。 抽水储能是在电力系统中得到最为广泛应用的一种储能技术，其主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量。目前，全世界共有超过90GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3。限制抽水蓄能电站更广泛应用的一个重要制约因素是建设工期长，工程投资较大。2 采用不同化学物质的先进蓄电池储能（Battery Storage） 据估计，全球每年对蓄电池的市场需求大约为150亿美元，在工业用蓄电池方面，如：用于UPS、电能质量调节、备用电池等，其市场总量可达50亿美元。在美国、欧洲以及亚洲，正在组建生产电力系统储能用的高性能蓄电池企业。在过去的12至18个月里，已有生产能力达每年300MW的蓄电池生产线投入运行。 铅酸电池是最古老、也是最成熟的蓄电池技术。它是一种低成本的通用储能技术，可用于电能质量调节和UPS等。然而，由于这种蓄电池寿命较短，因此限制了其在能量管理领域中的应用。ZnBr电池在20世纪70年代早期由Exxon开发成功，经过多年的研究和发展，已经建成了很多容量为数千瓦时的ZnBr电池储能系统并经过试验，其净效率为75。20世纪80年代初期澳大利亚新南威尔士大学率先研制出VRB（Vanadium Redox Flow Battery)电池，目前，在日本已安装了一套500kW5MWh的VRB储能系统，其净效率高达85。 近年来，各种新型的蓄电池被相继开发成功，并在电力系统中得到应用。英国的Regenesys Technologies正在采用PSB（Polysulfide Bromide Flow Battery）电池建设一座15MW120MWh的储能电站，其净效率约为75。NaS电池具有较高的储能效率（约89），同时还具有输出脉冲功率的能力，输出的脉冲功率可在30s内达到连续额定功率值的六倍，这一特性使NaS电池可以同时用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节两种目的，从而提高整体设备的经济性。在日本，目前采用NaS电池技术的储能示范工程有30多处，总储能容量超过20MW，可用于8h的日负荷峰谷调节。 与其他蓄电池相比，锂离子电池的主要优点是储能密度高（300400kWhm3，130kWht），储能效率高(接近100)和使用寿命长（每次放电不超过储能的80时可充3000次）。由于具有上述优点，锂离子电池得到快速发展。但是，尽管在几年之内锂电池已经占有小型移动设备电源市场份额的50，生产大容量锂离子电池仍然有一些挑战性的工作要做，主要的障碍在于其居高不下的成本，这主要是由于它需要特殊的包装和配备必要的内部过充电保护电路。 在所有的蓄电池中，Metal-air电池结构最为紧凑，并且可望成为成本最低的蓄电池，这是一种对于环境无害的蓄电池。其主要的缺点是这种电池的充电非常困难而且效率很低。3 飞轮储能（Flywheels Storage） 大多数现代飞轮储能系统都是由一个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承组成的支撑机构组成。采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高系统的寿命。为了保证足够高的储能效率，飞轮系统应该运行于真空度较高的环境中，以减少风阻损耗。飞轮与电动机或者发电机相连，通过某种形式的电力电子装置，可进行飞轮转速的调节，实现储能装置与电网之间的功率交换。 飞轮储能的一个突出优点就是几乎不需要运行维护、设备寿命长（20年或者数万次深度充放能量过程）且对环境没有不良的影响。飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。 在实现飞轮储能装置时，可采用固体钢结构飞轮，也可采用复合材料飞轮，具体采用何种飞轮需要进行经济技术比较，在系统成本、重量、尺寸以及材料性能等指标之间进行折衷。采用高密度钢材料，其边缘线速度可达200375ms，而采用重量更轻、强度更高的复合材料，其边缘线速度可达6001000ms。飞轮实际可输出的能量取决于其速度变化范围，它不可能在很低的转速下输出额定功率。 目前，已经开发出大功率飞轮储能系统，并应用于航空以及UPS领域。以Beacon Power为领先水平的研究机构正在致力于飞轮储能的优化设计，以便将其用于长过程储能服务（多达几个小时），同时降低其商用成本。目前已有2kW6kWh的飞轮储能系统用于通信设备供电，采用飞轮组（Flywheel Farm Approach）可以实现输出功率为兆瓦级、持续时间为数分钟或者数小时的储能装置。4 超导磁储能（Superconductive Magnetic Energy Storage，SMES） 尽管早在1911年人们就发现了超导现象，但直到20世纪70年代，才有人首次提出将超导磁储能作为一种储能技术应用于电力系统。超导磁储能由于具有快速电磁响应特性和很高的储能效率（充放电效率超过95），很快吸引了电力工业和军方的注意。SMES在电力系统中的应用包括：负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、电压稳定、频率调整、输电能力提高以及电能质量改善等方面。 SMES单元由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供的。功率变换调节系统将SMES单元与交流电力系统相连接，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电。通常使用两种功率变换系统将储能线圈与交流电力系统相连：一种是电流源型变流器；另一种是电压源型变流器。 和其他的储能技术相比，目前SMES仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。然而，如果将SMES线圈与现有的柔性交流输电装置（FACTS）相结合可以降低变流单元的费用，这部分费用一般在整个SMES成本中占最大份额。已有的研究结果表明，对输配电应用而言，微型（0.1MWh）和中型（0.1100MWh）SMES系统可能更为经济。使用高温超导体可以降储能系统对于低温和制冷条件要求，从而使SMES的成本进一步降低。目前，在世界范围内有许多SMES工程正在进行或者处于研制阶段。5 超级电容器储能（Super Capacitor Storage） 电容是电力系统中广泛应用的一种设备。与常规电容器相比，超级电容器具有更高的介电常数、更大的表面积或者更高的耐压能力。例如，陶瓷超级电容器具有相当高的耐压水平（大约1kV）和绝缘强度，这使它们成为未来储能应用的很好候选方案。 目前，超级电容大多用于高峰值功率、低容量的场合。由于能在充满电的浮充状态下正常工作十年以上，因此超级电容器可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。超级电容器安装简单，体积小，并可在各种环境下运行（热、冷和潮湿），现在已经可为低功率水平的应用提供商业服务。6 压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES） 压缩空气储能不是象电池储能那样的简单储能系统，它是一种调峰用燃气轮机发电厂，对于同样的电力输出，它所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40。这是因为，常规燃气轮机在发电时大约需要消耗输入燃料的23进行空气的压缩，而CAES则可利用电网负荷低谷时的廉价电能预先压缩空气，然后根据需要释放储存的能量加上一些燃气进行发电。压缩空气常常储存在合适的地下矿井或者溶岩下的洞穴中。通过溶岩建造这样的洞穴大约需要1年半到两年的时间。 第一个投入商用运行的CAES是1978年建于德国Hundorf的一台290MW机组。美国1991年在Alabama的McIntosh建成了第二台商用CAES，机组功率为110MW，整个建设耗时30个月，耗资6500万美元，这台机组能够在14min之内并网。第三台商业运行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，计划建在Ohio州的Norton，整个电站装机容量为2700MW，共有9台机组，压缩空气储存在一个现有的位于地下2200ft深的石灰石矿井里。 表2给出了各种储能技术