2023储能技术在电力系统中的应用

储能技术在电力系统中的应用储能技术在电力系统中的应用OUTLINE 1.典型的储能方式••••电池储能超导储能超级电容储能OUTLINE 1.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研发机构铅酸镍镉镍氢锂离子钠硫2.01.0~1.31.0~1.33.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研发机构铅酸镍镉镍氢锂离子钠硫2.01.0~1.31.0~1.33.72.08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、VFuelPty住友电工、关西电力公司、中国电力科学研究院全钒液流1.411 BESS)1. 典型的储能方式部分电池储能系统的性能比较铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（12V系列目前国内约6.0元／Ah）。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MW35~5075~300500~15000~802~5镍镉几十MW75150~30025000~705~20锂离子部分电池储能系统的性能比较铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（12V系列目前国内约6.0元／Ah）。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MW35~5075~300500~15000~802~5镍镉几十MW75150~30025000~705~20锂离子几十kW150~200200~3151000~100000~950~1钠硫十几MW150~24090~2305000~90—全钒液流数百kW80~13050~140130000~80—铅酸电池(Lead Acid工作原理：Battery)铅酸电池(Lead Acid工作原理：Battery)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RegulatedLead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。密封阀控铅酸蓄电池RegulatedLead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。磷酸铁锂动力电池的主要性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；极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%过放电到零伏也无损坏；可快速充电；低成本；对环境无污染。3.4.5.6.7.8.；；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），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。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-SulfurBattery）钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967钠硫电池（Sodium-SulfurBattery）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Na-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Na-(或+)-Al2O3钠硫电池的工作原理：以固体电解质Na-(或+)-Al2O3(Na+离子导体)为电解质隔膜,熔融硫和钠分别作阴阳极.阳极反应：2Na–2e=2Na+阴极反应：xS+2e=S2-x总反应：2Na+xS=Na2Sx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786Wh/kg,实际能量密度为300Wh/kg.这约是铅酸电池的十倍,镍氢电池的四倍,锂电池的三倍.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,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，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。钠硫电池储能系统将在上海世博园示范运行。全钒液流电池工作原理：+ +全钒液流电池工作原理：+ +e- E0=1.002 V3+ +e- E0=-0.26charge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：50A2.5kW额定容量：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：50A2.5kW额定容量：5kWh最大功率：9kW端电压区间：40~64VVRB的应用不间断电源供应系统太阳能发电储能风电的缓冲系统VRB的应用不间断电源供应系统太阳能发电储能风电的缓冲系统调峰电站边远地区电力系统分散式储能交通工具的动力国外VRB1加拿大VRBPOWER国外VRB1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55m370m2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170kW×6h规模的示范工程2005年，扩大到6MW×25min;4MW×90min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。12 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。12 超导储能（SMES）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10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素的调节以改善系统的稳定性。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。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。13 超级电容储能（SCES）超级电容工作原理：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。性能特点：具有法拉级的超大电容量；比脉冲功率比蓄电池高近十倍；充放电循环寿命在十万次以上；能在超级电容工作原理：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。性能特点：具有法拉级的超大电容量；比脉冲功率比蓄电池高近十倍；充放电循环寿命在十万次以上；能在-40oC-60oC的环境温度中正常使用；有超强的荷电保持能力，漏电源非常小；充电迅速，使用便捷，充电电路简单，无记忆效应；无污染，真正免维护。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。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。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。2.3.4.5.6.7.“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12～24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：“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12～24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。14 飞轮储能（FWES）。超导磁悬浮飞轮储能结构示意图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超导磁悬浮飞轮储能结构示意图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。美国activepower公司的飞轮储能产品DCEnergyStorage250-2000kW美国activepower公司的飞轮储能产品DCEnergyStorage250-2000kW世界范围内飞轮储能典型的应用案例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,输出恒压世界范围内飞轮储能典型的应用案例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/kg75—300W/kg107—108W/kg——比容量(Wh/kg)大于2035—5010——功率上限（MW）几百MW(215MW)数十MW5MW10MW容量上限100MWh12MWh(2MW*6h)100MJ30MJ循环寿命大于20年500—1500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，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。，15 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/kg75—300W/kg107—108W/kg——比容量(Wh/kg)大于2035—5010——功率上限（MW）几百MW(215MW)数十MW5MW10MW容量上限100MWh12MWh(2MW*6h)100MJ30MJ循环寿命大于20年500—1500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，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。，15 常用储能方式对比各种储能方式其技术成熟度和储能功率等级的关系各种储能方式其技术成熟度和储能功率等级的关系储能装置在传统电网中的作用总的来说，由于容量限制，传统大电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。储能装置在传统电网中的作用发电功能能量管理负荷调节辅助供电功能频率响应调节旋转备用电源冷备用电源无功功率控制输配电系统中的应用提高电力系统稳定性，抑制电压冲击，凹陷，振荡等2. 储能装置在电力系统中的典型应用储能装置在传统电网中的作用总的来说，由于容量限制，传统大电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。储能装置在传统电网中的作用发电功能能量管理负荷调节辅助供电功能频率响应调节旋转备用电源冷备用电源无功功率控制输配电系统中的应用提高电力系统稳定性，抑制电压冲击，凹陷，振荡等2. 储能装置在电力系统中的典型应用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。2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。21 有源滤波（APF）电压型有源滤波器电流型有源滤波器串联型有源滤波器并联型有源滤波器 仿真 电压型有源滤波器电流型有源滤波器串联型有源滤波器并联型有源滤波器 仿真 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。22 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。22 动态电压调整（DVR）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 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 systemSTATCOM的直流侧若是电容，电容仅起电压支撑作用，STATCOM只能在两个象限内运行，即发出无功和