先进储能技术及其在电力系统中的应用_615601612

1、先进储能技术及其在 电力系统中的应用朱桂萍电工新技术研究所2010年3月OUTLI NE1. 典型的储能方式电池储能超导储能超级电容储能飞轮储能2. 储能装置在电力系统中的典型应用有源滤波（APF）动态电压调整（DVR）静止补偿（STATCOM）与可再生能源发电的配合1.典型的储能方式KI电池储能(BESS)电能化学能电力储能系统可利用的主要电池电池种类单体标称电压./ v 研发机构全饥液流2.0主要电池厂家1.0-1.3主要电池厂家1.0-1.3主要电池厂家3.7主要电池厂家2.08东京电力公司、NGK、上海电力公 司1.4VRB、V- Fuel Pty、 住友电工、关西电 力公司、中国电力

2、 科学研究院铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（42V系列目前国部分电池储能系统的性能比较电池种类功率上限比容量 /(Wi/kg)比功率/（Wkg）循环寿命/ 次充放电效 率%自放电/（% 月）铅酸数十剛35-5075-300500-15000-8025鎳镉几十剛75150-30025000-705-20锂离子几十kW150-200200-3151000-100000-950-1钠硫十几剛150-24090-2305000-90全帆液流数百kW80-13050-140130000-801=1内约6.0元/Ah) o铅酸电池(Lead Aci d Bat t er y) 工作原理：铅酸蓄电池的负极

3、是海绵状的铅制成,正极是二氧化铅制成，海绵状的铅和二氧化铅均为活性物质，在比重为428的硫酸水溶液(电解液)中进行电化学反应。放电反应：Pb+ PbO2+ 2H2SO4= 2PbSO4+ 2H2O充电反应：2PbSO4+ 2H2O= Pb+ PbO2+ 2H2SO4阀控铅酸蓄电池(VRLA, Valve Regulated Lead Acid Battery)阀控铅酸蓄电池与汽车等用的普通铅酸蓄电池相比有二 个主要特点：一是密封；二是干态。密封是指基本无酸雾排出。一般情况下阀控铅酸蓄电池 在运行（充放电）过程中是“零排放”，只有在充电后期 蓄电池内的气体压力超过安全阀的开放压力时才有少量的 氢

4、和氧混合气体排放，此时用过滤材料滤去带出的少量酸 雾。国外大型铅酸蓄电池系统一览表Selected lead acid battery energy stoFfige iirstnlkitions序钳酸电池系统额定功率/容和功能安装号名称和位置（MWZMWh）时间1EE WAG, Eerlm （徳国）S.5/8.5热备用、频率控制1986 年2Crescent，Nortli C aroliiia0.5.05峰值调节1987 年3Chino. California （美国）10/40热备用、平衡负荷1988 年4PREg, Puerto Rico （波多黎各）20/14热备用、频率控制1994

5、年5 tmon, Califbmm （美国）3/4.5提高电能质量1995 年6 Metlakatla, Alaska（美国）1/1.4捉高孤立电网稳定性1997 年7 ESCAR. Madnd （E班才）1/4平衡负荷20世纪90年代后期8Henie-Socluigeii （徳国）1.2/1.2削峰、提奇电能质屋20世纪90年代后期磷酸铁锂电池(LiFePO4)2002年出现，由于它的性能特别适于作动力方面的应用，也称磷 酸铁锂动力电池。LiFePC4电池的结构与工作原理:左边是橄榄石结构的LiFeP04作为电 池的正极，由铝箔与电池正极连接，中 间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔 开，锂离

6、子Li+可以通过而电子e不能通 过，右边是由碳（石墨）组成的电池负 极，由铜箔与电池的负极连接。电池的 上下端之间是电池的电解质，电池由金 属外壳密闭封装。LiFeP04电池在充电时，正极中的 锂离了 Li+通过聚合物隔般向负极迁 移；在放电过程中，负极中的锂离了 Li+通过隔膜向正极迁移。锂离了电 池就是因锂离了在充放电时来回迁移 而命名的。磷酸铁锂动力电池的主要性能恚1磷酸铁锂动力电池性能殛与英他电池性能的比较一魁锂陽子电迪锂禽子动力电也陽酸铁锂动力电迪镇氮电迪单位或测试条件标淒电压了.6或 3.?3.6或 $.73.21.2Y工作电压就围3.0 4.23.0-4.23.0 3. 3】.0

7、 】.4V单役质耳容京180130J3080tn A b/ g90 J060-7560-755060W b /k g单位林积竈量280 300220 240220-244)200-220W h/l锻（圭充电率0.2 0.50.5 1.00.5 】.50.2 0.5C工作黴电率1220.5匚5 A锻大放电率】.55102Cm A瞬阎犬电应脉冲210203C mA(0a)循环寿命60%JOOffc35%300吹95%500吹 80%300次丹清华大学电机系电工新技术研究所的VRB样机试验用筑电池参数： 额定电压：50V 额定电流：50A 额定功率：2.5kW 额定容量：5kWh 最大功率：9kW

8、端电压区间：4064VVRB的应用v不间断削源供应糸统v太阳能发色储能V风色的缓冲糸统V调吟色站V边远地区色力糸统V分散式储能V交通工具的动力国夕卜VRB样机1加拿大VRB Power公司输出功率:200KW 电池容量1100KWh 最大输出功率：400KWX10 秒 电解液体积：55m3 占地面积：70m2国外VRB样机2 日本住友电工的风力发电储能系统AppoaranceItemSpecificationRated AC output170kWMax. AC output275kWRated capacity1020kWhGrid vo It age400VWT output /275kW

9、 Specifications of VRBBattery Cubelo El&ctrolyto Tank1998年建成20KW实验电堆，运行超过16000次循环2001年开始170 kWX6h规模的示范工程2005年,扩大到6 MWx25min;4MWx90min全凯液流电池示范应用工程A summary of VRB energy storage systemssupplied by VRB Pon;Pty :and SEI序号地点储能系统规模功用研发单包时间1爱尔兰风电场2 MWx6 h凤/储发电并网2006年8月2美国犹他州250kWx81i削峰填谷200年2月3澳洲金岛凤场200kW

10、x8h柴联合2003年11月4丹麦15 kW 乂 8 h风力用捕级电2006年6月5南非250 kW,520 kWh应急备用加拿大2002 年6美国 南卡罗来纳州30/60 kWx2h备用电源VRBPower2005年10月7美国 佛罗里达州2x5kWx4h光伏/储越电SystemsLie.2007年7月8意大利5kWx4h电信备用电源2006年4月9丹麦5kWx4h风力/光伏发电2006年4月10加拿大10 kWh偏远地区供电2006年3月11徳国10 kWh光/储并网2005年9月12泰国lkWU2kWh光伏饰i师用Wuel Pty Lt/1993 年13日本ZOOkW/SOOkQi平稳负

11、較波动1997 年14关西电力4501CAV/1 MWh电站调绛住友1999 年15日本L5MW/3MWh电能质量电工2001 年16日本北海道170kAV/l MWhM/储并用系统2001 年.2超导储能(ShS)超导储能是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电 磁能返回电网或其他负载。SMES般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统组成。SMES可以分为低温超导储能与高温超导储能两种。超导线圈在通过直流电流时没有焦耳损耗。因此，超导储能适用于直流系统。它可传输的平均电流密度比一般常 规线圈要高1 一 2个数量级；可以达到很高的能量密度, 约为40J / m3o它与其他的

12、储能方式如蓄电池储能、压缩空气蓄能、抽 水储能及飞轮储能相比，具有转换效率高（可达9 5%）, 响应速度快（毫秒级），功率密度和能量密度大，寿命长、污 染小等优点。缺点是成本高，包括装置成本和运行成本。超导磁储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网 的电压和频率特性。此外，它还可用于无功和功率因素的 调节以改善系统的稳定性。SMES应用实例Some projects of SMES applied in power system蠶年份应用地点基本参数作用1982美国30 10IW抑制系统低频振荡和支採 系统电压1993美国阿拉斯加电网1.8 G

13、J提高电网的供电町靠性美国2000美国威斯康星州 公用电力北方6x3 MJS N-A避免电压凹陷和短路故障环型输电网2002美国田纳西州TVA 电管局允0KV输电网血 3MJUW维护输电网电压稳定性2002Chubu电力公司7.3MT5MW提供瞬时电耐卜偿日本2003ChubiL电力公可1W, Bl-2212补偿瞬时电压跌落2006Hosoo电站10 MW提高系统總定性和供电品质用 J -20kVUPS与欧洲2002徳国ACCEL150 kJ,Bi-2223电网相连以提高电能质呆, 同时发挥冇源电力滤波器 作用2001韩国电力研究所1MJ,3OOA有效维持系统稳定运行韩国2006韩国电力硏究所

14、， Hyundai 重工3IvU；750kA提高敏感负荷的供电质最.3超级电容储能(SCES)超级电容器是一种具有超级储电能力，可提供强大的脉冲功率的 物理二次电源。它是根据电化学双电层理论研制而成的，所以又称双 电层电容器。超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改 变了人们对电容器的传统印象。目前，超级电容器已形成系列产品，实 现电容量0.5-1000F ,工作电压12-400V ,最大放电电流400-2000A o超级电容工作原理:-I!念 念llll 一60 0IQI0I0I _多孔化电极采用活性炭粉、活 性炭和活性炭纤维，电解液采用有 机电解质。多孔性的活性碳有极大

15、的表面积，在电解液中吸附着电荷, 因而将具有极大的电容量，并可以 存储很大的静电能量。双电层超级电容器的充放电过程始终 是物理过程，没有化学反应。因此 性能是稳定的，与利用化学反应的 蓄电池是不同的。件能特占.4 具若隹拉级的超大电容量；2. 比脉冲功率比蓄电池高近十倍；3. 充放电循环寿命在十万次以上；4. 能在-40C-60C的环境温度中正常使用；5有超强的荷电保持能力，漏电源非常小；6充电迅速，使用便捷，充电电路简单，无记忆效应;7无污染，真正免维护。1.2.3.4.5.6.超级电容的应用: 配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统，如： 汽车、坦克、铁路内燃机车等，能有效保护蓄电池，

16、延 长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏 电的情况下，确保可靠启动。用作高压开关设备的直流操作电源。用作电动车辆起步，加速及制动能量的回收，提高加速 度，有效保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命，节能。代替蓄电池用于短距离移动工具（车辆）,其优势是充 电时间非常短。用于重要用户的不间断供电系统。用于风力及太阳能发电系统。应用电脉冲技术设备，如：点焊机、轨道电路光焊机、 充磁机、X光机等。7.4飞轮储能（F妊S）-1iTU“飞轮”这一储能元件，已被人们利用 了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的 蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转 速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都 很短，每旋转一

17、周时间不足一秒钟，在这样 短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现 在想利用飞轮来均衡周期长达巾224小时 的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。 能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制 成的，储能有限。另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电 子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁 及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的 飞速发展。可现场更換的懐珠铀承 及外売无缝的光滑软铁 降低损耗电机转子商转速的飞轮 保证高功率徒 出險力线腮飞轮.马达-发

18、粧成在腿场 回路中的磁 性轴承磁轮构导飞结图 超浮能意当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产 生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥 力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接 近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的T 扰都产生抗力，T扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成水磁体，则两水磁体Z间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮 是不稳定的。.美国active power公司的飞轮储能产品130-1200kVADC Energy Storage 2

19、50-2000kW祕界范爲內他給储滋與哩的溢用案例年份研发机构基本参数技术特点作用不详H木四国综合 研究所8MWh,储能放 电各4h,待机16 h高温超导磁浮立式 轴承，储能效率84%平滑负荷不详日木原子力研 究所215MW/8 GJ输出电压18 kV,输 出电流6 896A,储 能效率85%UPS不详美国Vista公司277 kWh引入风力发电系统全程调峰1991美国马里兰大 学24 kWh,转速 1161046345 rad/min电磁悬浮轴承，输出 恒压 110 V/240 V,全程效率81%电力调峰1996德国5MW/100 MWh, 转速22504500 rad/min超导磁浮轴承，

20、储能 效率96%储能电站2004巴西额定转速30000 rad/min超导与永磁悬浮轴 承电压补偿.5常用储能方式对比项目飞轮储能电池储能(铅酸)超导储能超级电容储能比功率 (W/kg)5000W/kg75300W/kg1 071 08Wkg比容量 (Wh/kg)大于20355010功率上限 (MW)几百 MW(215MW)数十MW5MW10MW容量上限lOOMWh12MWh(2MW*6h)100 MJ30 MJ循环寿命大于20年5001500 次效率最大可达到96%小于80%大于96%最大95%其它无噪声，无污 染，维护相对简单, 旋转器件，附属系 统比较复杂。模块化组合， 便于商业化，静

21、止器件，运行简 单，可能污染环 境，存在自放电。响应速度 快，无旋转部 件，环境影响 小，附属系统 复杂，运行维 护困难。静止部件， 可靠性高，维 护方便，无污 染，存在自放 电。各种储能方式其技术成熟度和储能功率等级的关系用户配电泵 铅酸、NICd电池乜轮储能输电 发电 抽水储能ssNaS电池用缩空气储能SMES 超级电容器液流电池微型压缩气体储能 氢储能kw 100 kW MW 10 MW 100 MW功率等级图1储能技术功率等级及其技术成熟度Fig 1 Technical capability and commercial availability ofenergv storage tv

22、pes2储能装置在电力系统中的典型应用储饨噱置在传俛电网彳的作用置農传 疣电网 屮的作 用安电功佬锲董管理负蔚调节辆助供电功滋频隼曲拓碉节炎修备用电陳冷备用电源尢功功卑揑制输甬乙电系娩屮 的拓用提宙电力系娩稳,抑 制电层冲击，凹陷，檢嚼 著总的来说， 由于容量 统大k网 中储能装 置还是作 为附属设 备出现的， 用于维持 系统的稳 定或提高 电能质量。2. 1有源滤波（APF）有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电 流发生电路。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波 无功电流，然后将其反极性作用后产生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能

23、是根据补偿电流指令信号，计算出主电路各开关 器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路中的开关器件，从而产生 所需的补偿电流。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波 与进行无功补偿的目的。仿真负荷电力条统m仿真仿真仿真并联型有源滤波器串联型有源滤波器仿真仿真2.2动态电压调整（DVR）几种常见的动态电能质量问题DVR串联在电源和敏感负荷之间。当供电电压发生畸变时，DVR快速输出补偿电压，保证敏感负荷不受系统电压波动影响，从而保证敏感负荷的供电质量。DVR动态电压调节器工作原理在电源和敏感负荷之间串联一只补偿变压器，通过控制与补偿变压器的初级线圈相连的逆变器向负载侧提供同频、锁相、幅值可变的补偿电压，从而保持负荷电压的稳定。仿真仿真2.3 STATCOM仿真仿真systemDC/AC$)BESS, SMES, SCSTATC