电储能技术课件

1,电储能关键技术动态,清华大学杨耕,何志超，张伟，秦潇燕山大学万承宽，邬伟扬,2,内容,一、背景1.1储能技术的背景1.2目前主要的储能方式1.3电储能技术应用现状二、若干关键问题以及清华的部分工作2.1电池技术、状态估计和管理2.2电力变换装置及其控制技术2.3功率预报技术,3,风电场对储能技术的需求,1.1储能技术的背景,一、背景,4,智能电网对储能技术的需求,1.1储能技术的背景,5,1.1储能技术的背景,电动汽车对储能技术的需求汽车动力电气化已成为全球汽车工业发展的焦点和核心；“车辆到电网”(V2G)的概念正在兴起，期待其作为电力系统“削峰填谷”的有效手段之一。,SystemSolutionsforHybridandElectricVehicles,TexasInstruments,2010,国家电网:支持V2G的快速充电座,6,不同需求对充放电速度和容量的要求,ChangingtheElectricityGame,IEEE-PEMag,2009,July,7,1.2目前主要的储能方式,按照储能介质形态分类，目前的电力储能可分为：化学储能：铅酸电池、钠硫电池、全钒氧化还原液流电池电磁储能：超导储能、双电层电容器机械储能：如抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能热/冰储能：如热泵储能、电锅炉储能,8,主要储能方式比较(2003),1.2目前主要的储能方式,王冉冉,刘玉庆等.飞轮储能装置的性能特点及其应用展望.电源技术应用.2003,9,1.2目前主要的储能方式,主要储能方式的比较,BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP2009,10,1.2目前主要的储能方式,主要储能方式的比较,BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP2009,11,日本住友电工(SEI)总装机容量：30.8MW（19个风机）电池组额定容量：6MWhVRB地点：TomamaeWindVilla目的：平滑风力发电输出功率价格：不详,1.3电储能技术应用现状风电场,日本碍子公司(NGK)总装机容量：51MW电池组额定容量：34MWNAS地点：RokkashomuraWindFarm目的：平滑风力发电输出功率;价格：0.42Euro/kWh,12,美国电力公司(AEP)2006年：查尔斯顿一变电站，第一组储能1MW/7.2MWh的钠硫电池（左图）2008年：三个变电站中设置了2MW/14.4MWh钠硫电池储能系统（右图）2009年：在俄亥俄州投入1MW/250kWh飞轮储能系统，验证分布式储能装置对电网频率调整的可行性；2009年：120V/240V上“社区储能装置”(communityenergystorage,CES)，推广分布式储能装置。,一个2MW,14.4MWh蓄电站的组成,一个1MW变电站电储能装置10MW馈线负载的削峰填谷作用,1.3电储能技术应用现状智能电网,13,日本丰田公司1997年10月底推出prius2005年12月第二代prius上市2009年5月第三代prius,1.3电储能技术应用现状电动汽车,2010/6，财政部、科技部、工信部和发改委联合发布了私人购买新能源汽车补贴标准，确定将在上海等5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。国家对满足支持条件的新能源汽车，按3000元/千瓦时给予补贴。,14,1.3电储能技术应用现状国家的几个举措,近期几个示范工程：（1）张北：风光储一体化示范工程（风电30万千瓦、太阳能光伏电10万千瓦、化学储能7.5万千瓦，2010年）；（2）厦门：基于液流电池储能的大型应急电源示范工程（国际会展中心）；（3）上海：上海世博园智能电网综合示范工程,几个计划：（1）2010年5月，国网公司坚强智能电网关键设备（系统）研制规划发电：“大规模储能：大型抽水蓄能电站、大容量电池储能系统”用电：“智能用电中的“储能及管理”/电动汽车充放电设备”（2）2010年9月，能源局新兴能源产业规划规划不仅包含先进核电、风能、太阳能和生物质能等新能源资源的开发利用，还包括对传统能源的升级变革。实施以后，到2020年将大大减缓对煤炭的过度依赖，使当年的SO2排放减少约780万吨、CO2排放减少约12亿吨。规划期累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元。,15,2.1电池技术、状态估计和管理2.1.1电池技术2.1.2电池应用：状态估计和管理2.2电力变换装置及其控制技术2.2.1并网技术2.2.2多电平逆变器控制技术,二、若干关键问题以及清华的部分工作,2.3功率预报技术,16,Fig.Approximatescaleofenergystoragesystemsinstalledbymid-2006,excludingPSHandCAES.(JimMcDowall,StatusandOutlookoftheEnergyStorageMarket,IEEE-PES,2007),2.1电池技术、状态估计和管理,2.1.1电池技术,传统储能电池（铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池）锂电池（基本是锂离子电池）液流电池（锌溴电池，钒电池）钠硫电池（高温钠硫）双层电容器和飞轮超导储能SMES,17,钠硫电池（NAS）及技术现状,优点：(1)理论比能量高达760Wh/kg，实际中100Wh/kg(铅酸电池的3-5倍)。(2)高效率，实验室充放电效率高达89%，实际效率也高达80%；没有自放电现象；容量和功率分别可调；(3)充放电循环次数高达4500次，寿命可达10-15年。(4)原材料丰富且易开采，维护成本低；(5)不含重金属，环境友好。缺点：工作温度高，大电流充放电可能发生爆炸；技术难度高。技术所有：日本NGK；我国：大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所等,原理：钠和硫分别作为阴极和阳极，陶瓷-氧化铝同时起隔膜和电解液的双重作用，正常工作温度范围在300-360。高温下的电极物质处于熔融状态，使得钠离子流过-氧化铝固态电解液的电阻大为降低，以获得电池充放电高效率。,18,国际：1976年美国福特(Ford)公司发明公布2002年日本东京电力公司(TEPCO)和日本NGK推出钠硫电池产品目前只有东京电力和NGK下属企业生产钠硫电池国内：2006年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司开始研发大容量钠硫单体电池2007年1月650Ah单体电池试制成功，标志我国掌握单体电池核心技术2007年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司攻克制备关键技术，建成中试线,钠硫电池（NAS）及技术现状,19,全钒液流电池（VRB）和技术现状,优点：反应电堆与电解液分开，储能系统的容量和功率可分别设计。高效率，实验室充放电效率高达88%，实际效率在75%左右，且没有自放电现象。充放电循环次数高达4000次。原材料丰富(我国已探明五氧化二钒资源大约1000万吨，每储存1度电大约需要五氧化二钒5.62公斤);不含重金属，环境友好。缺点：能量密度为20Wh/kg，略高于铅酸电池。技术所有：日本住友电工，我国：大连化学物理所、中南大学、清华大学,20,1984年澳大利亚新南威尔士大学的MariaSkyllas-Kazacos教授提出概念;1993年日本住友电工(SEI)获得相关专利，并对关键材料和设计进行探索;1998年澳大利亚PinnacleVRB获得新专利许可，并在1999年将专利授予日本住友电工和加拿大的Vanteck公司;2001年Vanteck公司控股pinnacleVRB，更名为VRBPowerSystems，并开始在大范围内推广钒电池;,我国于1995年开始VRB的研究工作，研究单位主要有中国工程物理研究院电子工程研究所、中科院大连化学物理所、中南大学以及清华大学。,全钒液流电池（VRB）和技术现状,清华大学5kW钒电池反应电堆与电解液储蓄罐,21,锂离子电池（Li-ion）和技术现状,优点：单体电压高，能够到达3.7-3.8V;比能量大，目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右;环保无公害，不含有污染环境的重金属，没有记忆效应;缺点：电池衰老比较明显；不耐受过充过放，需要多重保护.,锂离子电池目前以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂，只有锂离子，因此称为锂离子电池。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。,22,锂离子电池（Li-ion）和技术现状,20世纪70年代M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池；1981年美国贝尔实验室研制成功第一个可用的锂离子石墨电极；1991年日本索尼公司发布首个商用锂离子电池；1996年Goodenough和AkshayaPadhi等人对锂离子电池引入磷酸铁锂正极。,最新数据：美国Altairnano公司使用纳米钛酸锂代替普通的碳素作为锂离子电池的负极，使得制造的锂离子电池拥有比较长的工作寿命（超过12000次充放电）和比较宽的工作温度条件（-40到55）。但电池能量密度比较低100Wh/kg，电池价格USD2/Wh。,23,2.1.2电池应用：状态估计和管理,动力电池（串联）应用的三个问题,使用一段时间后，容量和SOC出现差异充电时，容量小而SOC大的电池容易过充放电时，容量小而SOC小的电池容易过放,24,2.1.2电池应用：状态估计和管理,25,电池模型介绍,26,不同电池模型比较,27,电池SOC检测技术现状,离线检测,受电池工作状况影响较大,受电池工作状况影响较大,依赖于电池模型,存在累计误差,存在非线性误差,28,2.2.1两种典型拓扑2.2.2并网技术2.2.3多电平逆变器控制技术,2.2电力变换装置及其关键技术,大型电储能装置的电力变换接口及控制系统为电力电子装置，其关键技术与SVG、并网PV装置等技术相通。,29,级联结构：不需要变压器，控制复杂；并联结构：切换方便、安全，变压器成本高。,2.2.1两种典型拓扑,30,2.2.2并网技术同步问题,难点：瞬时检测正、负序电压（现阶段需要周期）;电压跌落过程的同步问题？,硬件方法：模拟（APLL）、数字（DPLL）、混合（HPLL）软件方法（SPLL）：随着处理器能力的提高、算法的成熟，愈受关注。,国内已有工作：清华大学袁志昌、刘文华（电机系）、耿华（自动化系）；燕山大学郭小强，邬伟扬老师；哈尔滨工大徐殿国老师；湖南大学黄纯老师。,锁相环（PLL）,获取电网电压频率和相位,并网电压与电网电压预同步,并网后转为电流控制模式,31,2.2.2并网技术-LVRT,目前对传统发电厂、大型风电场和大型PV均有要求。显然今后对大型储能装备也需要LVRT功能。例：对风电场的LVRT要求以及对策：,其他声音(GeneratorFaultToleranceandGridCodes,IEEE-PEMag.Apl,2010):传统发电厂能做到吗？为何要有这样的LVRT要求？,本质：无功供给、输入有功的有效泄放。,32,功率解耦控制技术直流侧电压平衡控制技术：三相平衡、各个单元平衡容错控制技术,2.2.3多电平逆变器控制技术,级联拓扑结构Y/,33,功率解耦控制技术：,有功控制技术:无功指令为0，直流母线电压不定；无功控制技术:有功指令为0，直流母线电压恒定。,2.2.3多电平逆变器控制技术,34,直流侧电压平衡控制技术硬件控制,基于交流母线和直流母线能量交换的直流侧电压平衡控制方法（、清华刘文华）,基于脉冲循环换位及PWM制动的直流侧电压平衡控制方法,2.2.3多电平逆变器控制技术,35,各单元直流侧电压平衡控制技术,直流侧电压平衡控制技术软件控制,2.2.3多电平逆变器控制技术,36,三相各直流母线电压控制,直流侧电压平衡控制技术软件控制,零序电压注入/负序电压注入,零序电流注入/负序电流注入,2.2.3多电平逆变器控制技术,37,容错控制技术,三相级联拓扑中均存在冗余单元旁路故障单元旁路冗余单元,2.2.3多电平逆变器控制技术,38,三相级联拓扑中不存在冗余单元零序电压注入,2.2.3多电平逆变器控制技术,容错控制技术,39,2.3功率短期预报技术,1.功率短期预报的作用根据预测的功率情况提前进行调度，减少备用容量，在保证电网稳定的情况下节约储能所需成本；给出储能系统的指令值；2.功率短期预报的定义对于预测