3、FACTS_并联储能系统

并联储能系统华北电力大学谭伟璞一、并联储能系统电力系统的发电、输电、配电与用电必须同时完成，要求系统始终处于动态平衡状态中。如果出现瞬时的功率不平衡，就会造成系统安全稳定问题。储能系统可以平抑系统出现的瞬时功率不平衡，起到能量的缓冲平衡作用，可有效提高系统的安全稳定性。储能系统的容量越大，对系统提高安全稳定性的作用越强。储能系统发挥作用，需与电网连接，连接是通过电力电子装置实现的。一、并联储能系统并联储能系统的作用：P2821.削峰填谷，改善系统日负荷率，提高发电设备利用率，提高电网整体运行效率。2.储能系统可作为应急备用电源迅速投入系统，提高供电可靠性。3.适当控制的储能系统可以抑制电压的异常，提高供电质量。4.将储能系统与电能转换控制技术相结合，可实现对电网的快速控制，改善电网的静态和动态特性。1.1电力系统中的储能方式在电力系统中应用的储能方式：P2811.蓄电池储能2.电容器储能3.抽水储能4.超导储能5.飞轮储能6.压缩空气储能。1.2各种储能方式的比较小型超导超导抽水储能压缩空气/气体电池储能飞轮储能电容器效率/%≈90≈90≈6050≈70≈90≈90储能容量低高高高中/高中高模块化是否否否是是是循环寿命无限无限数千次数千次百～千次无限数千次充电时间分钟小时小时小时小时分钟小时建设时间周年年年月周月环境影响良好很好极大极大大良好大电厂规模小大大中大小大可用性少开发广泛有广泛示范广泛二、电池储能系统BatteryEnergyStorageSystems电池储能系统STATCOM等FACTS装置，多采用电压源型逆变器。逆变器的直流单元如采用电容器，则电压源型逆变器只能与系统进行无功交换，也就是在两个象限运行。如果电压源型逆变器与系统进行有功交换，则逆变器直流单元电容器的电压将伴随着吸收或送出有功功率而上升或下降，这将给逆变器的控制带来困难、增加复杂性，更直接的结果是逆变器无法正常工作。如果电压源型逆变器的直流单元采用储能元件，则储能元件可以存储系统多余的有功功率，也可在系统有功功率欠缺时送出其存储的能量。采用储能元件作直流单元的逆变器，可四象限工作。系统中使用最多的储能元件是蓄电池租——电池储能系统。（BatteryEnergyStorageSystems）P282电池储能系统电池储能系统(BESS)是将直流电池组与交流电网联结起来的电压源型逆变器。它在电网中的作用象其他同步装置一样，即可给系统提供无功支持，又可与系统进行有功交换。任何一个BESS都必须通过一定的控制策略，控制电池组的充放电周期以维持直流电源电压的恒定。BESS多用于平衡负荷变化及作为旋转能量储备，它有许多非常有益的作用效果，最突出的是提高输电的稳定性及给系统提供有力的有功支持。美国的研究结果表明，在受到输电稳定极限限制的南加州输电线路上，在新诺安装10MW的BESS使亚利桑纳的输送能力提高了几百MW。电池储能系统电池储能系统(BESS)的优点：P283BESS的基本原理与模型：P283BESS的控制系统：P285电池储能系统的核心是储能元件。根据应用场合、充放电特性、单元容量及运行维护等因素，用作储能元件的电池有多种类型。电池储能系统-0一、电池的种类：1.锂电池：锂亚电池、锂锰电池（相机等）2.镍氢电池：手机、手表3.镍镉电池：手机、手表4.碱锰电池：日常家用5.铅酸蓄电池（ValveRegulatedLead）：工业广泛应用电池储能系统-1锂亚电池产品特点：1.锂亚硫酰氯电池额定电压3.6V，是目前锂电池系列中电压最高的；2.锂亚硫酰氯电池是实际使用电池中能量最高的一种电池(500wh/kg,1000wh/dm3);3.常温中等电流密度放电时，放电曲线极为平坦,90%的容量范围内工作平台保持不变；4.电池可以在-40°C--+85°C范围内正常工作。-40°C时的容量约为常温容量的50%，表现出极为优良的高低温性能;5.年自放电率=1%;贮存寿命10年以上;主要用途：智能水表气表电表、实时时钟、后备记忆电源、各种仪器、仪表、设备。高能量用于不同类型军事电子装置和通讯设备（便携式电台、夜视仪、导航用全球定位装置、数据终端设备、测距器），水下武器、声纳浮标、地雷、导弹、雷达等电池储能系统-2锂锰电池产品特点：电压高，单只工作电压2.8V—3.2V。比能量高，C型电池可达到270Wh/kg和510Wh/L。使用温度范围宽，可在-40°C—+70°C下工作。性能稳定，储存期长，低率放电电压平稳，无电压滞后现象，自放电小。可以大电流放电。安全性好，无公害。用途：锂锰柱式电池可应用在照相机、摄像机、收单机、袖珍录放机以及计算机的记忆电路上。还可以应用在许多民用、军用及通讯设备上。电池储能系统-3镍氢电池特征：高容量，容量离散度小低内阻AA:15-20mΩ;AAA:20-25mΩSC:3.5-4.0mΩ长寿命，寿命可达500次自放电小，50oC静置7天，自放电小于15%；室温28天，自放电小于20%大电流充放电，动力电池10C放电，性能达到IEC标准。耐过充，充电过程电池内压低。电池储能系统-4镍镉电池特点：耐高低温（－40度至＋55度）。寿命长（10—20）年，少维护。广泛应用于直流屏、变电站、内燃机车、AGV车、柴油机启动、发电机启动、电厂、备用电源等领域。产品有GN、GNZ、GNC系列。电池储能系统-5铅酸蓄电池的发展历史和现状蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：①充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；②气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。电池储能系统-61912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2与O2重新化合，返回电解液中。但该专利未能付诸实现：①铂催化剂很快失效；②气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；③存在爆炸的危险。60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。电池储能系统-61969-1970年，美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。1975年，GatesRutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。1987年，随着电信业的飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。电池储能系统之工业主流产品——铅酸蓄电池二、铅酸蓄电池2.1铅酸蓄电池的发展历史蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：①充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；②气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。2.1铅酸蓄电池的发展历史1912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2与O2重新化合，返回电解液中。但该专利未能付诸实现：①铂催化剂很快失效；②气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；③存在爆炸的危险。60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。2.1铅酸蓄电池的发展历史1969-1970年，美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。1975年，GatesRutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。1987年，随着电信业的飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。2.2铅酸蓄电池的定义阀控式铅酸蓄电池的定义阀控式铅酸蓄电池的英文名称为ValveRegulatedLeadBattery(简称VRLA电池)，其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀)，该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示)，即当电池内部气压升高到一定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。2.3铅酸蓄电池的分类阀控式铅酸蓄电池的分类阀控式铅酸蓄电池分为AGM和GEL（胶体）电池两种，AGM采用吸附式玻璃纤维棉(AbsorbedGlassMat)作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液,电池可以立放工作，也可以卧放工作；胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。目前文献和会议讨论的VRLA电池除非特别指明，皆指AGM电池。2.4阀控式铅酸蓄电池的原理阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理1.阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的。2.充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70％时，开始析出氧气，负极充电到90％时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸。早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因。阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。2.4阀控式铅酸蓄电池的原理2.4.1阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，AG或GEL电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过AGM或GEL空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。2.4.1阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。在电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移动过程越容易，氧循环