新能源 电力储能专题

1、 电力储能技术的意义电力储能技术的意义 v在人类现代文明的发展中，电网是迄今为止建造的最复杂的 系统工程之一，从发电，输电，配电直到用电，电网与国民 经济和我们普通百姓的日常生活无不息息相关。但目前实际 状况是：一方面传统电网存在智能化程度低、运行效率低等 诸多亟待解决的问题，另一方面又面临全球范围内气候变暖、 能源短缺的窘况。2003年，美国能源部组织相关专家对电力 工业的现状和未来进行反思和展望，提出了“智能电网”的 概念。2010年中国国家电网公司也明确提出了在2020年之 前分三个阶段实施智能电网建设的具体规划。 v发展智能电网的目标是建设节能、环保、高效、可靠、稳定 的现代化电网，其

2、中与之相配套的一个很重要的核心环节就 是发展大规模的电力储能技术。 大规模储能蓄电的作用 用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性 用于电网的“削峰填谷” 用于用电大户的“谷电”蓄电 用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源 用于“非并网”风电直接利用中的调节电源 电力储能系统应用举例电力储能系统应用举例 配备上、下游两个水库，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，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 上水库有无天然径流汇入 纯抽水 蓄能电站 混合抽水 蓄能电站 调水式抽水 蓄能电站 原理 应用 抽水储能是在电

3、力系统中应用最为广泛的一种储能 技术，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、 紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还 可以提高系统中火电站和核电站的运行效率 按一定容量建设，储存能量的释放时间可以 从几小时到几天，综合效率在70%85%之间 发 展 方 向 机组向高水头、高转速、大容量方向发 展，今后的重点将立足于对振动、空蚀、 变形、止水和磁特性的研究，着眼于运 行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大 和供电质量要求较高的情况下使用连续 调速机组，实现自动频率控制。 抽水蓄能电站 压缩空气储能电站（compressed air energy storage, CAES）是一种调峰用燃气轮

4、机发电厂， 主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并 将其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内， 在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。 原理 在燃气轮机发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机 少 40%，同时可以降低投资费用、减 少排放。 CAES 建设投资和发电成本均低于抽 水蓄能电站，但其能量密度低，并受 岩层等地形条件的限制。 地下储气站有多种模式，其中最理想 的是水封恒压储气站，能保持输出恒 压气体，保障燃气轮机稳定运行。 CAES 储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高， 寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快

5、，主要 用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分 布式储能和发电系统备用。 100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠 氏超导热管技术可使系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将进一步 降低成本。随着分布式能量系统的发展 以及减小储气库容积和提高储气压力至 1014 MPa 的需要，812 MW 微型 压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成 为人们关注的热点。 应用 发 展 方 向 压缩空气蓄能电站 抽水蓄能电站压缩空气储能电站 日、美、西欧等国家和地区在20世纪6070年 代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为 止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容 量占世界抽水蓄能电站

6、总装机容量55%以上， 其中：美国约占3%，日本超过10%；中国、 韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站 17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。 近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站： 世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德 国建造的 Huntdorf 电站，装机容量为 290 MW，换能效率 77%，运行至今，累计启动 超过 7000次，主要用于热备用和平滑负荷。 在美国，McIntosh 电站装机容量为 100 MW， Norton 电站装机容量为2.7GW，用于系统调 峰；2005年由 Ridge 和 EI Paso 能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站

7、，容量为 540 MW。 在日本，1998年施工建设北海道三井砂川矿 坑储气库，2001年 CAES 运行，输出功率 2MW。 在瑞士，ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站，输出功率 442MW，运行时间为 8h，贮气空洞采用水封方式。 此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色 列等国也在长期致力于 CAES 的开发。 电站电站国家国家装机容量 / MW 投入年份投入年份 落基山落基山美国美国7601995 锡亚比舍锡亚比舍伊朗伊朗1 0001996 奥清津奥清津 日本日本6001996 葛野川葛野川日本日本1 6001999 拉姆它昆拉姆它昆泰国泰国1 0002000 金谷金谷

8、德国德国1 0602003 神流川神流川日本日本2 8202005 小丸川小丸川日本日本1 2002007 抽水蓄能与压缩空气储能电站的应用 飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机 和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机 转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能 的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能， 输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。 原理 飞轮储能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超过 20Wh/kg，效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20a，工作温区-4050，无噪音、无污染、维护 简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、 电网调峰和

9、频率控制。 应用 随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系 统的深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、 大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承 技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应 用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度 的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。 发展 方向 飞轮储能 超导磁储能系统(SMES)超级电容器储能 原理原理 应用应用 发展发展 超导磁储能系统利用超导体制成的线圈储存磁场能 量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速 度快(ms级)，转换效率高(96%)，比容量(110 Wh/kg)/比功率(1010 kW/kg)大等优点，可以 实现与电

10、力系统的实时大容量能量交换和功率补偿 SMES技术相对简单，没有旋转机械部件和动密封 问题。SMES 可以充分满足输配电网电压支撑、功 率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能 力的要求 目前 15 MJ/MW 低温SMES装置已形成产品， 100MJ 装置已投入高压输电网运行， 5GWh 装置 已通过可行性分析和技术论证。SMES的发展重点 在于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ 级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题等 根据电化学双电层理论，充电时处于理想极化状态 的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性 离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双 电层电容。由于电荷层间距

11、极小并采用特殊电极结 构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量 超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短 时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场 合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复 器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平 超级电容器已经历了三代发展，形成电容量 0.5 1000F、工作电压 12400V、最大放电流 400 2000A 系列产品，储能系统最大储能量达到 30MJ。 基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代 产品正在开发中 超导磁储能系统与超级电容器储能 研发机构研发机构基本参数基本参数技术特点应用应用 西门子公司西门子公司 储量储量 21 MJ/5

12、.7Wh, 最大功率最大功率 1MW 4800支支2600F/2.5V电容器组电容器组 成，储效成，储效95% 地铁配地铁配 电电 美国美国 TVA 电力公司电力公司200kW用于大功率直流电机用于大功率直流电机 启动支启动支 撑撑 飞轮储能系统的部分应用： 研发机构研发机构基本参数基本参数技术特点作用作用 日本四个综合日本四个综合 研究所研究所 8MWh，储能放电，储能放电 各各4h，待机，待机16h 高温超导磁浮立时轴高温超导磁浮立时轴 承，储效承，储效84% 平滑平滑 负荷负荷 日本原子力研日本原子力研 究所究所 215 MW / 8 GJ 输出电压输出电压18kV, 输出输出 电流电流

13、6896A，储效，储效 85% UPS 美国Vista公司277kWh引入风力发电系统引入风力发电系统 全程全程 调峰调峰 美国马里兰大美国马里兰大 学学(1991) 24kWh, 1161046345 rad/min 电磁悬浮轴承，输出电磁悬浮轴承，输出 恒压恒压 110V/ 240V，储，储 效效81% 电力电力 调峰调峰 美国波音公司美国波音公司100 kW/ 5 kWh高温超导磁浮轴承高温超导磁浮轴承 电力电力 调峰调峰 德国德国(1996) 5MW/100MWh, 22504500 rad/min 超导磁浮轴承，超导磁浮轴承， 储效储效96% 储能储能 电站电站 欧洲欧洲 Urenc

14、 Power 公司公司 (2001) 转速转速 42 000 rad/min 高强度碳纤维和玻璃高强度碳纤维和玻璃 纤维复合材料纤维复合材料 UPS 巴西巴西(2004) 额定转速额定转速 3000 rad/min 超导与永磁悬浮轴承超导与永磁悬浮轴承 电压电压 补偿补偿 SMES 的部分应用： 超级电容器系统的部分应用： 年份年份应用地应用地基本参数基本参数作用作用 1982美国美国30MJ/10MW 抑制系统低频振荡抑制系统低频振荡 和支撑系统电压和支撑系统电压 1993美国阿拉斯加电网美国阿拉斯加电网1.8GJ 提高电网供电可靠提高电网供电可靠 性性 2000美国威斯康辛某电网美国威斯康

15、辛某电网 63MJ/8MV A 避免电压凹陷和短避免电压凹陷和短 路故障路故障 2002美国田纳西某电网美国田纳西某电网83MJ/8MW 维护输电网电压稳维护输电网电压稳 定定 2002日本日本Chubu公司公司7.3MJ/5MW提供瞬时电压补偿提供瞬时电压补偿 2003日本日本Chubu公司公司1MJ, Bi-2212提供瞬时电压跌落提供瞬时电压跌落 2006日本日本Hosoo电站电站10 MW补偿瞬时电压跌落补偿瞬时电压跌落 2002德国德国ACCEL 150 KJ, Bi-2223 用于用于 20 kVA UPS 系统，与电网相连系统，与电网相连 以提高电能质量，以提高电能质量， 同时发

16、挥有源电力同时发挥有源电力 滤波器作用滤波器作用 2001韩国电力研究所韩国电力研究所1MJ/300VA 有效维护系统稳定有效维护系统稳定 运行运行 2006韩国电力研究所韩国电力研究所3MJ/750kVA 提高敏感负荷的供提高敏感负荷的供 电质量电质量 近年来，飞轮、超导磁和超级电容 器储能技术在各国都得到研发应用 飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用 电池 种类 单体标称 电压/V 反应式研发机构 铅酸2.0主要电池厂家 镍镉1.01.3主要电池厂家 镍氢1.01.3主要电池厂家 锂 离子 3.7主要电池厂家 钠硫2.08 东京电力公司、 NGK、上海电力 公司 全钒 液流 1.4 VR

17、B、V-Fuel Pty、 住友电工、关西电 力、中国电力科学 研究院 电力 储能 系统 可利 用的 主要 电池 各电池储能系统的基本特性 电池 种类 功率 上限 比容量/ (Wh/kg) 比功率/ (W/kg) 循环 寿命/次 充放电 效率/% 自放电/ (%/月) 铅酸数十 MW3550753005001 50008025 镍镉几十 MW751503002 500070520 锂离子几十 kW1502002003151 00010 00009501 钠硫十几 MW150240902302 500090- 全钒液流数百 kW801305014013 000080- 部 分 电 池 储 能 系

18、 统 性 能 比 较 铅酸电池在高温下寿命缩短，与镍 镉电池类似，具有较低的比能量和 比功率，但价格便宜，构造成本低， 可靠性好，技术成熟，已广泛用于 电力系统，目前储能容量达 20MW。 但其循环寿命短，且在制造过程中 存在一定环境污染。 镍镉等电池效率高、循环寿 命长，但随着充放电次数的 增加容量会减少，荷电保持 能力有待提高，且因存在重 金属污染已被欧盟组织限用。 锂离子电池比能量 / 比功率高、自 放电小、环境友好，但由于工艺和 环境温度差异等因素的影响，系统 指标往往达不到单体水平，使用寿 命较单体缩短数倍甚至十几倍。 钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且 具广阔发展前景的大容量电力

19、储能电池。 各电池储能系统比较 铅酸蓄电池系统钠硫电池系统 铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用 电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳 定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用 国外大型铅酸蓄电池系统及其功能： 东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国 际领先地位，拥有较为成熟的商业化产品， 1999年在大仁变电站设置 6MW8h 系统， 2004 年 7 月又在 Hitachi 自动化系统工厂安装 了目前世界上最大的钠硫电池系统，容量 9.6MW/ 57.6MWh；钠硫电池系统在电力系统 和负荷侧成功应用 100 余套，总容量超过 100MW，其中近 2/3 用于平滑负荷。 2004年，

20、在美国哥伦比亚空军基地安装了 12MW/ 120MWh 钠硫电池系统，充当备用电 站。 铅酸电池系统铅酸电池系统 名称和位置名称和位置 额定功额定功 率率/容量容量 (MW/M Wh) 功能 安装安装 时间时间 BEWAG, Berlin (德国德国)8.5/8.5 热备用、频率控热备用、频率控 制制 1986 Crescent, North Carolina 0.5/0.5峰值调节峰值调节1987 Chino, California(美国美国)10/40 热备用、平衡负热备用、平衡负 荷荷 1988 PREPA, Puerto Rico (波多黎各波多黎各) 20/14 热备用、频率控热备用

21、、频率控 制制 1994 Vernon, California(美国美国)3/4.5提高电能质量提高电能质量1995 Metlakatla, Alaska(美国美国)1/1.4 提高孤立电网提高孤立电网 稳定性稳定性 1997 ESCAR, Madrid(西班牙西班牙)1/4平衡负荷平衡负荷 20世纪世纪 90年代后期年代后期 Herne-Sodingen(德国德国)1.2/1.2 削峰、削峰、 提高电能质量提高电能质量 20世纪世纪 90年代后期年代后期 电池储能系统铅酸蓄电池系统与钠硫电池系统 地点地点储能系统规模储能系统规模功用功用研发单位研发单位时间时间 爱尔兰风电场爱尔兰风电场2MW

22、6h风风/储发电并网储发电并网 加拿大加拿大 VRB Power Systems Inc. 2006年年8月月 美国犹他州美国犹他州250kW8h削峰填谷削峰填谷2004年年2月月 澳洲金岛风场澳洲金岛风场200kW8h风风/储储/柴联合柴联合2003年年11月月 丹麦丹麦15kW8h风力风力/储能发电储能发电2006年年6月月 南非南非 250kW / 520kWh 应急备用应急备用2002年年 美国美国 南卡罗来纳州南卡罗来纳州 30/60kW2h备用电源备用电源2005年年10月月 美国佛罗里达州美国佛罗里达州25kW4h光伏光伏/储能发电储能发电2007年年7月月 意大利意大利5kW4

23、h电信备用电源电信备用电源2006年年4月月 丹麦丹麦5kW4h风力风力/光伏发电光伏发电2006年年4月月 加拿大加拿大10kWh偏远地区供电偏远地区供电2006年年3月月 德国德国10kWh光光/储并网储并网2005年年9月月 泰国泰国1kWh/12kWh光伏光伏/储能应用储能应用 V-Fuel Pty Ltd 1993年年 日本日本 200kW/ 800kWh 平稳负载波动平稳负载波动 住友住友 电工电工 1997年年 关西电力关西电力450kW/ 1MWh电站调峰电站调峰1999年年 日本日本1.5MW/ 3MWh电能质量电能质量2001年年 北海道北海道170kW/ 1MWh风风/储

24、并用系统储并用系统2001年年 20世纪90年代初，英国 Innogy 公司成功开发出5、 20和100kW 系列多硫化钠 / 溴液流储能电堆，并于 2001年和2002年分别在英 国和美国各建造了 120MWh储能电站，用于 电站调峰和 UPS。 2001年，250kW/520kWh 全钒液流电池在日本投入 商业运营。 近十多年来，美国、日本、 欧洲等国家相继将与风能/ 光伏发电相配套的全钒液 流电池储能系统用于电站 调峰： 电池储能系统液流电池系统 液流储能电池分类 是一种适合于大规模蓄电的电 化学储能装置，蓄电基础是由 正/负极活性物质氧化还原 电对组成的电化学体系 液流储能电池 液相储

25、能体系 液相体系的活性物质溶 于正/负极电解液中，电 极反应没有其他电池常 有的固相及形貌改变。 多硫化钠/溴和全钒体系 电化学体系的 改进和新体系探索 其中全钒液流电池(VRB)的 正/负极电解液为不同价态 钒离子的硫酸溶液，反应物 的交叉污染得以缓解，且便 于电解液的再生，因此发展 迅速 电解液浓度不高，造成VRB 能量密度较低 由于正/负极活性离子的相 互渗透难以完全避免，且水 转移严重，为了提高能效， 对已有电对的化学修饰，和 对新体系的探索在不断深入 沉积型储能体系 锌/溴电池 （半沉积型） 新型铅酸液流储能电池 （全沉积型） 单液流锌/镍储能电池 （全沉积型） 沉积型体系是指在充(放) 电过程中至少有一个电对 的充(放)电产物沉积或原 本在电极上。 与液相储能体系不同，该电 池容量受限于