大规模新能源发电及并网技术大规模储能技术

第三章大规模新能源发电及并网技术——大规模储能技术智能电网技术和储能技术是太阳能、风能发电成为主力能源需要解决的关键技术。美国储能电池发展趋势•

在美国“电网2030”计划中，把用于调峰的储

能、用于暂态限制的储能列为2010年发展

目标区域互联电网发展目标，把高压直流

储能列为2020年区域互联电网发展目标，

大容量储能技术列为优先级最高的目标技

术。在地区配电网发展规划中也把开发大

规模储能列为优先级最高的技术，包括储

能电池、超级电容器、功率变换器、控制

器、储能与电能质量相结合的设备开发等。欧洲储能电池发展趋势•

欧洲电网技术发展趋势主要是面向可再生

能源系统和未来的电力系统，在电网的近

期、中期及长期的研究计划中，将能量储

存和电能质量的保证放在重要研究地位。

如在英国科学基金和国家项目中，有关英

国电网的大部分支撑技术都是储能技术。

欧共体同样关注储能技术的发展，它是解

决可再生能源的有效利用问题的关键。日本能量储存系统的市场机遇上世纪80年代：–采用飞轮、超级电容器和可充电电池作为电站调峰目的的储能系统曾经得到发展，但没有取得实用价值21世纪始：–伴随风力发电与光伏发电规模增大，蓄电池作为储能系统被考虑用于稳定它们的输出，因为它们受到气候的影响–光伏储能系统–风力发电及大型太阳电站储能装置（ESS)日本IIT：当今焦点在锂离子电池

（LIB)小型应用

90年代起始；电动车应用

2010年代起始；储能应用2020年代起始；稳定增长；

产品问世；日本与韩国竞争；

定位游戏；

市场测试；光伏？辅助系统？投资游戏；储能将是第三个大市场？三大蓄电池产业发展路线图我国已将储能电池技术列为关键技术•

“电能利用和电能储存技术”已被列为我国

电网前瞻性关键技术之一，以确保互联大

电网安全，提高系统动态稳定性，改善区

域供电品质和绿色能源电力输出特性。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”风电光伏直接利用中的调节电源设备类型用户类型功率等级能量等级便携式设备-1~100WWh运输工具汽车25~100KW100KWh火车、轻轨列车100~500KW500KWh潜艇1~20MW10MWh静止设备家庭1KW5KWh小型工业和商业设施10~100KW25KWh配电网MWMWh输电网10MW10MWh发电站10~100MW10~100MWh不同应用场合对

能量和功率密度的要求是不同的电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型物理储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能电磁储能电化学储能相变储能超导储能超级电容储能铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能冰蓄冷储能无机盐高温相变储能P.S.：以下主要介绍大规模电力储能技术储能技术的分类1.

机械储能)抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能配备上、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原理抽水蓄能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%之间抽水蓄能的分类

抽水储能可以实现从几小时到几天的储能，储能效率在70%～85%之间。储能量仅与水库容量和落差有关，可提供最大能量和最长时间的储能。抽水储能电站技术成熟，已经得到广泛应用，一般工业国家抽水储能电站可达总装机容量的10%左右。

主要用于移峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、备用容量和黑启动等。抽水蓄能的特点功率、容量大响应迅速抽水储能的缺点是：只能建在符合条件的山区，距主要用电高峰的人口稠密的平原地区和城区距离远，输变电成本高。日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70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：电站国家装机容量/MW投入年份落基山美国7601995锡亚比舍伊朗10001996奥清津Ⅱ日本6001996葛野川日本16001999拉姆它昆泰国10002000金谷德国10602003神流川日本28202005小丸川日本12002007抽水蓄能的应用压缩空气储能电站（compressedairenergystorage,CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，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7.5MPa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。压缩空气蓄能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2/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少70%，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。压缩空气蓄能的特点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，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调节、分布式储能和发电系统备用。100MW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10~14MPa的需要，8~12MW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290MW，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100MW，Norton电站装机容量为2.7GW，用于系统调峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas开始建造Markham电站，容量为540MW。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。压缩空气储能电站的建设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。飞轮储能飞轮储能特点

优势效率：70%-90%；能量密度：最高130Wh/kg；输出功率：kW-MW，由电动/发电机和电力变换装置决定；响应速度：5-25ms，5-15s达到额定输出；寿命：大于20年；工作温度：-40℃～50℃低维护、环境友好

限制系统复杂；有高速转动部件；轴承待机损耗问题无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用发展

方向飞轮储能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。

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，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干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永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。超导磁悬浮飞轮储能结构示意图Beaconpower50kWh/100kW的飞轮储能示范电站8个6kWh/15kW飞轮单体MW级飞轮储能示范电站25kWh/100kW飞轮单体飞轮储能ActivePower单体容量可达130-1200kVA，可并联成MW级系统；飞轮UPS系统飞轮储能年份研发机构基本参数技术特点作用不详日本四国综合研究所8MWh，储能放电各4h，待机16h高温超导磁浮立式轴承，储能效率84%平滑负荷不详日本原子力研究所215MW/8GJ输出电压18kV，输出电流6896A，储能效率85%UPS不详美国Vista公司277kWh引入风力发电系统全程调峰1991美国马里兰大学24kWh，转速11610~46345rad/min电磁悬浮轴承,输出恒压110V/240V，全程效率81%电力调峰1996德国5MW/100MWh，转速2250~4500rad/min超导磁浮轴承,储能效率96%储能电站2004巴西额定转速30000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿世界范围内飞轮储能典型的应用案例2电磁储能超导储能（SMES）超级电容储能超导储能（SMES）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一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１－２个数量级；可以达到很高的能量密度，约为108J／m3。

它与其他的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９５％），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数的调节以改善系统的稳定性。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

。

优点：循环寿命若干万次，比功率高；缺点：比容量小；单位能量投资高；关键：开拓毫秒-秒级的应用、降低成本超级电容工作原理：

性能特点：

1.

具有法拉级的超大电容量；

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

-40oC-60oC

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。多孔化电极采用活性炭粉、活性碳和活性炭纤维，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。超级电容的应用：1.

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，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。2.

用作高压开关设备的直流操作电源。3.

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。4.

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。5.

用于重要用户的不间断供电系统。6.

用于风力及太阳能发电系统。7.

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。超级电容器用于电力机车节电功率300kW；储能量850Wh；组成：双向DC/DC，640支超级电容器，2.5V/2600F；重量477kg；体积1900×950×455mm车载储能装置庞巴迪Mitrac节电装置3.电化学储能铅酸蓄电池钠硫电池液流电池锂离子电池电能化学能电池种类铅酸镍镉镍氢锂离子钠硫全钒液流单体标称电压/V2.01.0~1.31.0~1.33.72.081.4研发机构主要电池厂家主要电池厂家主要电池厂家主要电池厂家东京电力公司、NGK、上海电力公司VRB、V-FuelPty、住友电工、关西电力公司、中国电力科学研究院电力储能系统可利用的主要电池3.电化学储能铅酸电池(Lead

Acid

Battery)工作原理：铅酸蓄电池的负极是海绵状的铅制成，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1.28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和氧混合气体排放，此时用过滤材料滤去带出的少量酸雾。干态是指阀控铅酸蓄电池没有自由流动的电解液，可以任何方向放置，不怕颠簸、碰撞，即使外壳破裂也不会有酸漏出。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。LiFePO4电池的结构与工作原理：

左边是橄榄石结构的LiFePO4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。

LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。锂离子电池优点：高比能量；高比功率；高能量转换效率；长循环寿命不足：有的体系安全性较差；价格还不够低锂离子动力电池，是电动汽车产业兴起的关键磷酸亚铁锂、钛酸锂等新材料的开发和应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，从而可能将锂离子电池用于更大规模的储能磷酸铁锂动力电池的主要性能LiFePO4电池的特点：1.

高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C；2.

高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，

电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；3.

即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；4.

极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；5.

过放电到零伏也无损坏；6.

可快速充电；7.

低成本；8.

对环境无污染。一种型号为STL18650的磷酸铁锂动力电池（容量为1100mAh）在不同的放电率时其放电特性：不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳，基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲（放电量达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在

2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。STL18650的充放电循环寿命曲线在经过570次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很高的寿命。钠硫电池（Sodium-Sulfur

Battery

）

钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，其比能量高、可大电流、高功率放电。日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，截止2007统计，日本年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。

钠硫电池是以beta-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。

该电池最大的特点是：比能量高，是铅酸电池的3~4倍；可大电流、高功率放电；充放电效率几乎高达100％。但钠硫电池的不足之处是其工作温度在300℃~350℃，需要一定的加热保温。另外过充时很危险。钠硫电池的工作原理：以固体电解质导电陶瓷（beta-Al2O3）为电解质隔膜,

熔融硫和钠分别作阴阳极.正是因为钠硫电池采用的材料特殊

,

所以能连续充电近两万次

,

也就是说相当于近60年的使用寿命

,

且终生不用维修

,

不排放任何有害物质

,

也无二次污染公害

,

这是别的电池无法达到的。钠硫电池是靠电子转移而再生能量

,

所以它充电时间相当短暂

,

一次充电可运行

10

―

11

小时

,

它经热反应后所产生的理论能量密度为786

Wh/kg

,

实际能量密度为

300

Wh/kg

.

这约是铅酸电池的十倍

,镍氢电池的四倍

,

锂电池的三倍

.阴极反应：2Na

–

2e

=

2Na+阳极反应：xS

+

2e

=

Sx2-总反应：

2N

a

+

xS=

Na2Sx我国的钠硫电池研究现状：钠硫电池的研发在国际上方兴未艾。

2006年8月,上海硅酸盐研究所与上海市电力公司开展了大容量钠硫单体电池的合作研发。5个月后，650Ah的单体电池试制成功,我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。2007年8月,双方共建“上海钠硫电池研制基地”，不久便攻克了钠硫电池制备关键技术，成功研制170余台套具有自有知识产权的生产与性能评价装备，贯通了年产2兆瓦的钠硫储能电池中试线，实现10千瓦储能系统成功演示。钠硫电池储能系统在上海世博园示范运行。钠硫电池不足：高温运行，启动慢；费用较高；材料腐蚀、安全性较差。优点：高比功率；高比能量；转换率高。34MW钠硫电池储能电站全钒液流电池

工作原理：液流电池全矾液流电池与风电场联合运行储能系统6MW/6MWh清华大学电机系电工新技术研究所的VRB样机试验用钒电池参数：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端电压区间：40~64VVRB

的应用v

不间断电源供应系统v

太阳能发电储能v

风电的缓冲系统v

调峰电站v

边远地区电力系统v

分散式储能v

交通工具的动力国外VRB

样机

1--

加拿大VRBPOWER公司

输出功率:

200KW

电池容量

1100KWh

最大输出功率:

400KW×10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1998年建成20KW实验电堆，运行超过16000次循环2001年开始170

kW×6h规模的示范工程2005年，扩大到6

MW×25min

;

4MW×90min机械储能

抽水蓄能

电力系统最早采

用的大规模、集

中式储能手段；

技术成熟、可靠

，容量大；

建造受地理条件

限制，工程工期

长。

飞轮

功率几kW—MW，

时间分钟-小时；

几乎不需运行维护

，寿命长，对环境

无不良影响；

适用于在时间和容

量方面介于短时和

长时储能之间的场

合。

压缩空气目前只有德国、美国、日

本和以色列建成过示范性

工程；容量大；建造受地质条件限制，需

要配以天然气或油等非可

再生一次能源。各储能技术比较分析电化学储能

钠硫电池

目前最大容量达

到34MW/51MWh

原材料丰富，能

量密度和转换效

率高；

成本高，降价空间

小，存在安全隐

患；

锂离子电池容量达到MW/MWh

级；

储能密度和功率密

度高、效率高、循

环寿命长；

安全性有待提高；

存在较大的降价空

间。

液流电池容量达到MW/MWh级；功率与容量彼此独立，循

环寿命长，可深放电而不

影响电池寿命，可响应频

繁充放电切换；能量密度低、效率低；各储能技术比较分析电化学储能

铅酸电池

目前最大容量达

到40MWh

技术成熟，成本

低；

循环寿命短，存

在环保问题；各储能技术比较分析电磁场储能

超导磁储能

功率特性好

能量密度较低