《电力系统储能应用技术》全套教学课件

电力系统储能应用技术1全套可编辑PPT课件第一章储能技术的发展1.1基本概念1.2储能技术发展历史1.3储能技术在电力系统中的需求和作用1.4储能技术在电力系统中的应用前景及挑战21.1基本概念广义侠义31.2储能技术的发展历史4图1-1抽水蓄能电站总装机容量图1.3储能技术在电力系统中的需求和作用1.3.1电网发展对储能技术的需求分析1.3.2储能技术在电力系统中发挥的作用削峰填谷提高电网对新能源的接纳能力备用电源提高电能质量51.4储能技术在电力系统中的应用前景与挑战

1.4.1应用前景1.4.1.1新能源发电侧1.4.1.2城市配电网侧1.4.1.3分布式电源及微电网侧1.4.1.4终端用户侧1.4.2面临挑战1.4.2.1技术挑战1.4.2.2政策和机制挑战1.4.2.3经济性挑战6第2章

储能本体技术2.1电化学储能2.2物理储能2.3电磁储能2.4新型储能技术2.5储能技术的综合比较7储能技术分类8物理储能：抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能相变储能：冰蓄冷储能电磁储能：超导储能超级电容储能高密度电容储能电化学储能：铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、液流按储存介质可分为：物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能。9按储能规模划分：大容量储能和分布式储能大容量储能技术——容量大于1MW，接入电压等级高于10kV，主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、钠硫电池储能、全钒液流电池等；分布式储能技术——容量小于1MW，接入电压等级低于10kV，主要包括超级电容储能、飞轮储能、小容量电池储能。10按性能划分：能量型储能和功率型储能按特性分功率型：超级电容器储能、超导储能、飞轮储能等能量型：抽水蓄能、压缩空气、电池储能优点：功率密度高，响应速度快缺点：能量密度较低，不适于大容量储能优点：能量密度高缺点：响应速度较慢，不适于频繁充放电1.抽水蓄能基本原理是在电力系统负荷低谷时将下水库的水抽至上水库，将电能转化成势能储存起来；当电网出现峰荷时，由抽水蓄能机组作水轮机工况运行，将上水库的水用于发电，满足系统调峰需要。抽水蓄能电站按照有无天然径流分为两类：一是纯抽水蓄能电站；二是混合式抽水蓄能电站。技术指标：规模：GW级转换效率：70%-80%成本:3500~4000/kW寿命：40~50年优缺点：容量大→GW级技术成熟可靠运行维护费用低受地形限制建设周期长，耗资大1.抽水蓄能电站名称国家装机容量/MW投运时间巴斯康蒂抽水蓄能电站美国30031985德涅斯特抽水蓄能电站乌克兰2947在建神流川抽水蓄能电站日本2820在建迪诺维克抽水蓄能电站英国17281983新高濑川抽水蓄能电站日本12801981昂特拉克抽水蓄能电站意大利13171984截至2014年底，我国抽水蓄能装机总容量达42.95GW，其中投产容量达21.81GW，在建容量21.14GW，已位于世界第一，但仅占我国总装机容量的1.7%。目前已建成十三陵、天荒坪、广蓄等30多座抽水蓄能电站。在建的河北丰宁抽水蓄能电站容量预计可达3600MW，建成后有望成为世界上装机容量最大的抽水蓄能电站。国外部分抽水蓄能电站及其装机容量2.压缩空气储能传统的压缩空气储能基于燃气轮机技术，由两个循环过程构成，分别是充气压缩循环和排气膨胀循环。压缩时，利用谷荷的多余电力驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞；峰荷时，储存压缩空气先经过预热，再使用燃料在燃烧室内燃烧，进入膨胀做功发电。优势高功率等级：数百MW低成本：3500~4000/kW效率：50%~70%长寿命：30-40年劣势：效率低系统复杂矿洞地质要求高主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制和发电系统的备用2.压缩空气储能电站名称HuntorfMcIntoshNorton沙川盯GainesADELE国家德国美国美国日本美国德国装机容量/MW290110270022200国外压缩空气储能项目3.钠硫电池储能它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，硫填充在导电的多孔炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜为beta-Al2O3。1633.钠硫电池储能优点：1）理论比能量为760Wh/kg，实际已达150Wh/kg，是铅酸电池的3～4倍；2）可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200～300mA/cm2，瞬时间可放出其固有能量的3倍；3）充放电效率高，放电效率几乎为100%；4）循环寿命长，100%DOD下能耐2500次以上的充放电。缺点：1）工作温度在300-350℃，电池充电时需要加热保温，在放电状态下需要良好的散热设计；2）电池的工作倍率较低，不适合大功率快速充放电；3）由于硫具有腐蚀性，电池护体需要经过严格耐腐处理。3.钠硫电池储能NaS电池储能：适用于分布式能源，能够发挥削峰填谷、大容量储能的作用，并且在负载调节、备用电源、平滑风光功率输出的瞬间波动和保证风光长时间的稳定输出等领域有广泛应用安装时间位置额定功率/容量作用1992.12日本川崎50kW/400kWh1999日本大仁6MW/48MWh2004.7Hitachi9.6MW/57.6MWh2004美国哥伦比亚12MW/120MWh备用电站国内技术储备：国家电网同上海硅酸盐研究所合作，2008年完成电池模块研制，2009年攻关百千瓦级储能设备，2010年实现世博会示范应用，到2011年进入大规模产业化阶段。钠硫电池储能系统应用4.铅酸电池储能负极反应：正极反应：电池总反应：铅酸电池工作原理技术特点：自动均衡功能，易于充放电控制材料、工艺等技术成熟，安全可靠投资成本低循环寿命（~500次）能量密度低制造和运行中存在污染低温性能差4.铅酸电池储能系统名称地点额定功率/MW额定容量/MW·h作用安装时间BEWAG柏林8.58.5热备用、频率控制1986Crescent北卡罗来纳州0.50.5峰值调节1987Chino加利福尼亚州1040热备用、负荷平衡1988PREPA波多黎各2014热备用、频率控制1994Vernon加利福尼亚州34．5提高电能质量1995Metlakatla阿拉斯加州11.4提高孤立电网稳定性1996ESCAR马德里14负荷平衡20世纪90年代后期表7-3部分铅酸电池储能系统及其作用5.全钒液流电池储能全矾液流电池工作原理优点：1）电池的功率和储能容量可以独立设计，电池系统组装设计灵活，易于模块组合；2）电池系统可快速响应，高功率输出；3）电池系统易于维护，安全稳定；4）电池的活性溶液可重复使用，不存在环境污染；5）可超深度放电（100%）而不引起电池的不可逆损伤。缺点有：1）能量效率低；2）电解液泄露是实际工程中需要考虑的问题；3）全钒液流电池的容量单价较高。5.全钒液流电池储能时间项目名称规模公司2016，投运

宁夏嘉泽微电网125kW/625kW·h大连融科储能技术发展有限公司2014，竣工锦州国电和风风电场储能2MW/4MW·h2016，投运可再生能源并网15MW/60MW·h日本住友电工公司2014，竣工太阳能发电并网储能500kW//3MW·h2012，竣工国家电网张北风光储联合发电2MW/8MW·h北京普能世纪科技有限公司2015，竣工美国华盛顿州变电站储能1MW/3.2MW·hUniEnergyTechnologies2013，竣工德国Pcllwovc岛可再生能源200kW/1.6MW·hGildemeister表7-4部分全钒液流电池储能项目6.锌溴电池储能正极：负极：电池反应：锌溴液流电池的电解液为溴化锌，充电过程中，锌以金属形态沉积在电极表面，溴形成油状络合物，贮存于正极电解液的底部。充、放电时电极上发生的电化学反应如下：锌溴液流电池的优点：1）具有较高的能量密度，可以达到70Wh/kg；2）具有良好的循环充放电性能,放电深度可达到100%而不会损害电池，反而会改善电池的性能；3）锌溴液流电池在常温下工作,不需要复杂的热控制系，其大部分组件由聚烯烃塑料制成，便宜的原材料和较低的制造费用使它在成本上具有竞争力。缺点有：1）溴和溴盐的水溶液对电池材料具有腐蚀性，充电过程中锌电极上形成枝晶；2）较严重的自放电。6.锌溴电池储能锌溴液流电池广泛地应用于电网调峰，太阳能、风能等间歇性能源的发电储能，远距离供电，新能源汽车以及紧急情况供电。目前，美国ZBB公司是全球领先的锌溴液流电池生产商，该公司设计开发出了50kW·h的电池模块，并通过电池模块的串并联，构建出了MW级的电池系统。日本在20世纪90年代安装的1MW/4MW·h锌溴液流电池组，经过1300多次循环后，能量效率为66%。7.锂离子电池储能充电时，Li+从正极脱出嵌入负极晶格，正极处于贫锂态；放电时，Li+从负极脱出并插入正极，正极为富锂态。7.锂离子电池储能正极材料理论容量（mAh/g）实际容量（mAh/g）开路电压（V）成本安全性循环次数（100%DOD）钴酸锂（LiCoO2）274140~1603.7高一般300~500镍酸锂（LiNiO2）274190~2102.5~4.2中差>300锰酸锂（LiMn2O4）14890~1203~4低好100-200磷酸铁锂（LiFePO4）170110~1653.4低很好>2000不同锂离子电池的特性比较按电极材料划分：钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等7.锂离子电池储能锂离子电池储能系统主要发挥平滑风光出力、削峰填谷和电网调频等作用。截至2014年底，全球锂离子电池储能系统的装机容量总计283.1MW，在电化学储能技术中占36%。截至2014年底，我国锂离子电池储能系统的装机量总计62.3MW，在电化学储能技术中占74%。福建莆田湄洲岛储能电站，项目规模是1MW，使用磷酸铁锂电池，对于稳定配电网、末端电压，提高供电质量和稳定性，促进海岛上的发电起到了很好的作用。8.飞轮储能飞轮储能的工作原理动能电能（双向发电机调频、整流、恒压等）主要组件：飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室8.飞轮储能优点：运行于真空度较高的环境中，没有摩擦损耗、风阻小、效率高、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护。缺点：能量密度较低、系统复杂，对转子、轴承的技术要求较高。研发机构基本参数技术作用时间日本四个综合研究所8MWh,储能放电各4h，待机16h高温超导磁浮立时轴承，储效84%平滑负荷日本原子力研究所215MW/8GJ277kWh输出电压18kV，输出电流6896A，储效85%UPS全程调峰美国Vista公司277kWh引入风力发电系统，全程调峰不详美国波音公司100kW/5kWh高温超导磁浮轴承电力调峰德国5MW/100MWh,2250~4500rad/min超导磁浮轴承，储能125kWh，储效96%储能电站1996澳大利亚CoralBay500kVA稳定风电输出2007美国加州（BeaconPower制造）10MW提高风力发电并网的渗透性英国国家电网（BeaconPower制造）--提高风力发电并网的渗透性9.超级电容储能超级电容器的工作原理关键技术：本体：活性材料、电解质、单体电压一致性、降低自放电率；电压均衡控制方法技术特点：功率密度高响应速度快效率高寿命长能量密度低费用高9.超级电容储能超级电容器储能：启动支撑、负荷平滑、电压补偿、提高电能质量研发机构基本参数技术作用西门子公司储量21MJ/5.7Wh最大功率1MW4800支2600F/2.5V电容器组成，储效95%地铁配电美国TVA电力公司200kW用于大功率直流电机启动支撑浙江大学、华北电力大学等有关课题组将超级电容器储能系统应用到分布式系统的配电网中，可以调节储能系统向用户及网络输送无功以及有功的大小，提高电能质量。10.超导磁储能SMES储能原理图与结构图基本结构：超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器10.超导磁储能系统特点：无损耗，储存的能量不衰减高转换效率（95%）响应快（几毫秒）成本高低温系统复杂，需要定期维护超导磁储能：提供输电线路电压支撑、不间断电源、系统备用容量、平滑再生能源波动、改善微网的并网特性国家应用地点主要参数时间作用美国美国威斯康星州公用电力北方环型输电网8MW/18MJ2000避免电压凹陷和短路故障美国田纳西州TVA电管局500kV输电网8MW/24MJ2002维护输电网电压稳定性日本Chubu电力司5MW/7.3MJ2002提供瞬时电压补偿Hosoo电站10MW2006提高系统稳定性和供电品质德国德国ACCEL150KJ2002用于20kVAUPS系统，与电网相连以提高电能质量，同时发挥有源电力滤波器作用韩国韩国电力研究所，Hyundai重工750KW/3MJ2006提高敏感负荷的供电质量部分超导磁储能项目及其作用2.5储能技术综合比较技术成熟，实现商业化应用——抽水蓄能、铅酸电池储能、压缩空气和低速飞轮产业化初期或示范阶段：钠硫电池、液流电池、锂离子电池、镍镉/氢、超级电容器储能、小型超导磁储能研究阶段：大型超导磁等功率等级和放电时间能量管理：>100MW，抽水蓄能、压缩空气储能；10-100MW，大规模电池、燃料电池、相变储能（小时级）备用电源：100kW-10MW铅酸电池、锂离子电池、液流电池和燃料电池

（分钟-小时）电能质量调节：<1MW飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能(秒~分钟）能量/功率密度能量密度：电池储能具有较高的能量密度；抽水蓄能、超导磁储能、超级电容器和飞轮储能能量密度低于30Wh/kg；钠硫电池和锂离子电池比铅酸电池的能量密度高3~4倍，液流电池的能量密度低于传统的电池功率密度：超导磁储能、超级电容器储能和飞轮储能具有很高的功率密度，均高于电池类适用于应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的电能质量，抑制电力系统低频振荡和提高系统稳定性等自放电抽水蓄能、压缩空气储能和液流电池的自放电非常小，可在较长时间存放；铅酸电池和锂离子电池在常温下的自放电率分别为~0.3%/天和~0.1%/天，存放时间不应超过几十天；硫电池、超导磁储能和超级电容器储能的自放电为10~40%/天，循环使用周期最长为数小时；飞轮储能的自放电率为100%/天，最佳放电时间应控制在分钟级范围内。循环效率超导磁储能、飞轮储能、超级电容器和锂电池储能系统循环效率大于90%；抽水蓄能、压缩空气储能和其他类电池循环效率为60~90%。可再生燃料电池和蓄热储能，效率低于60%循环寿命、成本和环境影响储能类型循环寿命成本对环境影响寿命（年）循环次数$/kW$/kWh￥/kWhpercycle机械储能抽水储能40-60-600-20005-1000.1-0.4负面，破坏植被压缩空气20-40-600-7002-502-4负面飞轮储能~15>20000250-350100-50003-25几乎无影响电磁储能超导储能>20>100000200-3001000-10000-负面，强磁场电容器~5>50000200-400500-1000无影响超级电容器>10>100000100-300300-20002-20几乎无影响电化学储能铅酸电池5-15500~800300-600200-40020-100负面，制造和运行中产生铅污染液流电池5-10>10000600-1500150-10005-80负面，含有毒物质钠硫电池10-15~45001000-3000300-5008-20较小，强腐蚀性锂电池5-15>10001200-4000600-250015-100几乎无影响第3章储能电池管理技术3.1电池管理系统3.2荷电状态估算技术3.3健康状态（SOH）估算技术3.4均衡管理技术3.5保护技术3.6典型储能电池管理案例393.1电池管理系统40图3-1电池管理系统的双级拓扑结构3.2荷电状态（SOC）估算技术41方法应用领域优点缺点放电试验法适用于所有电池系统，适用初期电池容量判断易操作且数据准确，与SOH无关无法在线测试，费时，改变电池状态时有能力损失开路电压法铅酸、锂电池简单、成本低无法在线测试，电池需要长时间静置安时积分法适用于所有电池系统可在线测试，受电池本身情况限制小，易于发挥微机监测的优点没有从电池内部解决电量与SOC的关系，只是从外部记录出入电池的电量，电流精确测量成本高，对干扰比较敏感电池阻抗法铅酸、镍镉能在线测量，可给出SOH信息电池内阻值较小，且成因复杂，受电池的工作条件，如电流、温度等影响较大，只适用于低SOC的状态卡尔曼滤波法适用于所有电池系统可在线测量需要合适的电池模型，确定参数困难模糊推理和神经网络法适用于所有电池系统可在线测量需要大量的电池训练数据表3-1不同SOC估算方法比较3.3健康状态（SOH）估算技术42电池的健康状态（SOH）用来反映电池的老化程度，随着电池的老化，其最大放电容量会逐渐衰减，可作为判断电池使用寿命的参数。

SOH的定义式为：

（3-4）为电池的最大放电容量，为电池的额定容量。当电池最大容量衰减至额定容量的80%以下时，即SOH<80%时，认为电池的寿命到期，不能再继续使用。3.4均衡管理技术43图3-3有损无源型型均衡电路图3-3有损无源型型均衡电路3.5保护技术44图3-9基于R5421的电池保护电路原理图3.6典型储能电池管理案例3.6.1磷酸铁锂电池（1）充放电电压限制（2）充放电深度限制（3）充放电电流限制（4）充放电温度限制45第4章储能系统运行控制技术4.1基本原理4.2并网运行控制技术4.3离网运行控制技术4.4双模式切换控制技术4.5案例分析464.1基本原理47图4-1变流器三相输出端绕组图4-2三相ABC轴系到αβ轴系的坐标变换4.2并网运行控制技术48图4-21AC-DC的P/Q控制框图49图4-23DC-DC的恒压控制框图4.3离网运行控制技术50图

4-27电压有效值单闭环控制框图4.4双模式切换控制技术51图4-38并网转离网切换流程52图4-39离网到并网切换流程第5章储能系统的集成应用及经济性分析5.1储能系统的集成设计方法5.2典型应用模式下的储能系统集成5.3储能系统在典型应用场景中的经济性分析5.4我国电力市场环境下的储能效益分析535.1储能系统构成图7-13电池储系统的基本组成电池本体及成组集成过程：

电芯（cell）

→单元电池（unit）

→电池模块（block）→电池串（series）

→电池堆（pile）储能电池是存储电能的载体，通过充电和放电来存储和释放电能。储能电池的技术特性和集成技术是推广储能在电力系统中广泛应用的关键因素。（a）圆形电池(b)方形电池56并联数量取决于单体容量（产品可靠性、连接可靠性），目前<200Ah模块化设计，与BMU接口协调Module主要以8/10/12个Unit为主PCS功率合理匹配、单体容量一致性额定电压有640V、691V、768V、800V系统总容量、运行模式、冗余度电池成组电池本体及成组57电池管理系统技术要求：监测功能

在线SOC计算运行报警功能保护功能均衡功能热管理功能自诊断功能参数管理功能本地运行状态显示功能事件及历史数据记录功能电池管理系统BMS的架构图58电池管理系统储能电站电池管理系统的典型拓扑结构见图7-20，由电池管理单元（BMU）和电池串管理单元（BSMU）和储能电池管理系统（EBMS）、电池管理高压检测单元（HMU）及辅助器件（高压继电保护继电器、电流传感器、熔断器、接触器、隔离开关）组成。储能电池管理系统典型拓扑结构59储能变换系统储能变流器（PCS）作为电网与储能装置之间的接口，是储能系统的重要组成部分。技术要求：不同模式充电功能不同模式放电功能孤岛检测功能低电压穿越功能有功和无功的控制功能并网和离网的模式切换功能保护功能人机界面和通讯功能PCS结构：一级AC/DC二级DC/DC+AC/DC项目参数/规格备注额定功率100/250kW允许电网电压范围380±10%V允许电网频率范围50±1%HzGB/T15945-20083-1直流电压范围450-750VVDC交流电压THD3%GB/T14549-93交流电流THD3%三相输出电压不平衡度＜2%GB/T15543-20084-1功率因数±0.95Q/GDW480-20106.2系统最大效率＞97%带隔离变（实际按97%做）输出相位偏差<3°过载能力110%2h，120%1min，150%10sQ/GDW480-20107.3工况转换时间200ms防护等级IP20噪音70/55dBGB12348-20084.1冷却方式风冷直流稳压精度1%直流稳流精度2%电池电流纹波1%表7-9典型的AC/DC直直变流器性能参数要求60储能变换系统项目参数/规格额定功率50kW最大输入电压800V最大输入电流167A工作电压范围300-800V起动电压300V关机电压300V电压纹波值＜5%环境温度-10~50℃允许海拔高度2000m防护等级IP21噪音＜65dB(A)冷却方式风冷典型

DC/DC直直变流器性能参数要求技术要求：不同模式充电功能不同模式放电功能电压变换功能隔离保护功能不同类型电源接入功能直流微网支撑功能

保护功能

人机接口和远程通讯功能61储能监控系统储能监控系统由监控主站、通信网络、测控设备共3个层次组成。储能远方监控管理系统，又称储能集中监控管理系统，实现对一定区域或范围内储能系统的集中监视、控制和管理，储能系统的运行调度由电网调度/监控管理系统来完成。因此，储能集中监控系统与电网调度/监控系统在一个层次，层次架构如图7-21所示。储能监控系统层次架构62储能监控系统储能监控是整个储能系统的高级控制中枢，负责监控整个储能系统的运行状态，保证储能系统处于最优的工作状态。储能监控是联结电网调度和储能系统的桥梁，起到上传下达的作用：一方面接收电网调度指令，另一方面把电网调度指令分配至各个储能支路，同时监控整个储能系统的运行状态，分析运行数据，确保储能系统处于良好的工作状态。具体地说，储能监控系统的功能有：（1）SCADA功能：采集BMS，PCS，开关测控单元和升压变测控单元信息。（2）诊断预警功能：实时监视储能系统各种运行数据，进行关联性分析，提供数据诊断和分析决策功能。（3）全景分析功能：全景分析是数据的全景综合高级分析功能，根据上送的全景数据，分析系统运行状态，挖掘或抽取有用的信息，如储能系统SOH，充放电次数，循环次数，储能充放电效率等。基于全景分析算法，得出电池组重要信息（可用容量/能量、可持续工作时间、可循环寿命），并进行电池、PCS、储能回路的历史数据分析、电能表数据统计分析、事故追忆、日志管理等。（4）有功/无功优化调度：优化调度决策功能，有功无功控制功能。根据上级电网调度指令，确定充放电功率，协调分配各个可独立运行的储能电池组的功率，考虑故障回路影响，优化有功无功调度策略。5.2典型应用模式下的储能系统集成5.2.1新能源发电侧63

应用场景技术参数储能在风电场中的具体作用输电削减时移降低预测和实际出力误差电网频率支撑平抑波动储能系统功率(MW)2~200

10~500

2~200

2~200

2~50

接入电压等级(kV)10~3510~3510~3510~3510~35全功率放电时间5~12小时（大容量压缩空气储能除外），取决于储能技术类型10~30min

数秒

每次放电能量50~120MWh0.2-25MWh

10-200MJ放电周期参考风电出力曲线，结合各种储能技术进行优化24次/年1次/天连续三角波，充放电90个循环/小时系统响应时间<1min<1min<20ms<20ms<20ms经济效益根据所选系统的成本/效益、市场规则和电价机制进行综合分析表5-2不同应用场合下的储能技术需求5.2.2电网侧64图5-142MW/8