3大规模新能源发电及并网技术(3)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