基于飞轮储能技术的电力系统的应用

1《学术论文写作》课程论文基于飞轮储能技术的电力系统的应用姓名：学院(系)：专业：班级：学号：南京航空航天大学二О一四年四月十二日基于飞轮储能技术的电力系统的应用摘要：本文针对已有几千年历史的飞轮储能，从飞轮储能技术的储能原理、储能系统构成及实现飞轮储能系统应用的关键技术问题等角度,系统地介绍该技术在电力系统中的应用以及其价值分析。关键词：电力系统；飞轮储能；系统稳定性；TheApplicationofPowerSystemBasedonFlywheelEnergyStorageTechnologyAbstract:Inthispaper,flywheelenergystoragewhichhasseveralthousandyearsofhistory,flywheelenergystoragetechnologyfromtheprincipleofenergystorage,energystoragesystemstructureandkeytechnologyissuessuchasflywheelenergystoragesystemapplicationspointofview,thesystematicintroductionofthetechnologyinthepowersystemapplicationsaswellasitsvalueanalysis.Keywords:PowerSystems;Flywheelenergystoragetechnology;Generatingsystem1.引言飞轮储能已有几千年的历史，远古的人类就懂得用旋转的轮盘储存能量来制造圆形陶器。在汽车，拖拉机中也用飞轮来使直线运动转换成旋转运动时更加平稳。而现代飞轮储能时是通过高速电动机带动飞轮旋转，将电能转换成动能；释放能量时，再通过飞轮带动发电机发电，转换为电能输出。电力系统中引入储能环节后,可以有效地实现需求侧管理,消除昼夜间峰谷差,平滑负荷,不仅可以更有效地利用电力设备,降低供电成本,还可以促进可再生能源的应用。2.飞轮储能技术的储能原理飞轮储能的工作原理即在电力富裕条件下，由电能驱动飞轮到高速旋转,电能转变为机械能储存；当系统需要时，飞轮减速,电动机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能,供用户使用。飞轮储能通过转子的加速和减速，实现电能的存入和释放。飞轮储能系统工作过程可划分为三种工作模式：1）飞轮充电模式：交流电源给飞轮控制器供电，飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速。2）飞轮能量保持模式：飞轮系统依靠最小的3交流电输入，保持飞轮在最高工作转速运行。3）飞轮放电模式：交流电源中断，飞轮给飞轮控制器供电，控制器提供不间断电源给用户负载，飞轮转速下降。3.飞轮储能系统的构成飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统。基本结构如图1所示。转子系统：飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的2次方和飞轮的质量（J=(0.5~1)*M*R^2,飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1）。当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。轴承系统：支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。转换能量系统：飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：E=1/2Jω^2式中：J为飞轮的转动惯量ω为飞轮旋转的角速度.图1.飞轮储能结构示意图3.飞轮储能系统在电力系统中的应用3.1利用飞轮储能系统实现电力系统调峰随着电力供应和需求的矛盾日益加剧，电力需求的特点是昼夜变化很大，巨大的峰谷差表现为峰期电力紧张而谷期电力过剩，这对电力系统运行的经济性影响很大。所以电力调峰是电力系统必须要充分考虑的重要问题。将飞轮储能系统应用于电力系统调峰，当电网负荷处于低谷时，飞轮机组作为电动机运行，把电能转换为飞轮动能；在用电高峰时，飞轮机组作为发电机运行，将飞轮动能转化为电能返回系统，从而起到平衡电网负荷的作用。飞轮储能系统用于电力调峰时要有较大的储能容量，这与用于系统稳定是情形不同。目前广泛使用抽水蓄能电站进行调峰。这种储能方式具有技术成熟、储能大、储能时间长等优势，但是受到地理因素影响大，破坏环境，有时需要距离输电等。由于飞轮储能系统有能量输入欧输出快捷，可就近分散放置，不污染、不损坏环境的特点，所以飞轮储能系统应用与电力系统调峰更具有优势。3.2飞轮储能系统提高电力系统稳定性我国电力系统正在逐步实现全国联合大电网。这样的大型联合电力系统很容易发生弱阻尼低频机电振荡稳定问题，如果在系统振荡上没有合适的阻尼，振荡可能持续几分钟并发展直到系统解列。因此，研究电力系统稳定性问题，特别是小干扰稳定性问题是一个重大而迫切的课题。多年的研究和实践表明在某些发电机的励磁系统上加装电力系统稳定器是抑制低频振荡的一种经济有效的方法。其基本原理是采用适当的反馈信号，通过有效的相位补偿环节，产生与机组转子摇摆中的阻尼分量相位一致的阻尼转矩。实践证明，电力系统稳定器的使用，对电力系统中局部振荡模式的抑制非常有效。但是对于大型电力系统，存在非常复杂的振荡模式，有的振荡模式可能可能与局部振荡相差甚远。这些复杂的振荡模式有时会给传统的电力系统稳定器的有效性带来不利影响，严重时甚至不能正常工作。电力系统稳定器必须通过发电机励磁控制装置才能使用，其使用地点有时会受到限制，而且，电力系统稳定器的参数整定与需要补偿的相位有关，而这常常是因系统而异的，这些缺点也会在一定程度上限制它的灵活使用。近年来利用飞能储能系统来抑制低频振荡，利用飞能储能系统抑制低频振荡，提高小干扰稳定性，具有现实的意义。将飞轮储能系统用于电力系统稳定性控制。飞轮储能系统具有储能、发电、调相等多种功能，而且便于分散安装，将其用于电力系统稳定性控制，可实现有功功率和无功功率同时双向大范围快速调节，增强电力系统的稳定性。3.3提高电能质量和供电可靠性目前，配电系统电可靠性和电能质量方面还不能满足用户对电能质量的要求，配电网正常5运行时，由于负荷峰谷差以及大负荷的投切等原因电压偏移经常超过额定电压，这会给很多用户的用电设备造成危害；当系统发生故障时，对于那些采用计算机控制的自动化生产线和精密加工等行业，停电将造成巨大的经济损失。重合成功后，大批异步电动机同时启动加速，造成配电系统有功无功严重缺乏，从而引起供电系统发生电压跌落现象。此时，单纯依靠无功补偿设备已经无法解决供电质量问题，必须同时采用电能存储设备向配电网输送有功功率。分布式飞轮储能系统能在短时间内向配电网输送有功功率，可以有效的缓解负荷大幅度突变对配电系统造成的压力，同时还可抑制电压波动和电压跌落现象。分布式飞轮储能系统应用于电力系统的配电网还可以对电压和波形质量进行严格的监视和控制，对提高电能质量和供电可靠性具有重要的作用。4.结论本文研究了飞轮储能技术在电力系统调峰和电力系统稳定性中的应用，飞轮储能机组对电力系统可以起到削峰填谷的作用，可以提高电力系统的静态稳定性，还可提高电力系统的暂态稳定性和供电可靠性。飞轮储能机组作为一种重要的调峰手段分散接入电网是可行的，由于飞轮机组运行控制的灵活性，可使电力系统的运行可靠性和稳定性和供电的质量得到大幅度提高。参考文献[1]范瑜.电气工程概论[M].第1版，北京：高等教育出版社，2006.210~216.[2]程时杰，文劲宇，孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用，2005，24（4）：1~8.[3]陈建斌，胡玉峰，吴小辰.储能技术在南方电网的应用前景分析[J].南方电网技术，2010，4（6）：32~36.[4]孙秋霞，王法庆.Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析[J].微电机，2006，39（7）：35~37.[5]BhargavaB,DishawG.Applicationofanenergysourcepowersystemstabilizeronthe10MWbatteryenergystoragesystematChinosubstation[J].IEEETransonPowerSystems,1998,13(1):145~51.[6]SwiderDJ.Compressedairenergystorageinanelectricitysystemwithsignificantwindpowergeneration[J].IEEETransonEnergyConversion，2007，22(1)：95~102.