智能电网技术专题(三)

1智能电网技术专题三华北电力大学电气与电子工程学院孙英云Email:[e-mail]2智能电网相关技术和进展3智能电网相关技术先进发电与储能技术先进输配电技术先进二次侧技术智能电网管理和控制新技术4先进发电与储能技术可再生能源发电技术风力发电太阳能发电生物质能发电技术潮汐能发电清洁煤发电整体煤气化联合循环增压硫化床联合循环机组（PFBC-CC）5我国风能资源分布我国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW如果年满功率发电按2000~2500h计，风电的年发量可达5060~6325亿kWh风能资源的分布主要集中在东南沿海及其岛屿以及内蒙、甘肃、新疆一带区域67风力发电技术鼠笼式异步发电机通过变速箱和电网相联发电时需要吸收较多无功，需加装无功补偿双馈异步发电机定子绕组直接连接与电网相联，转子绕组通过整流逆变器和电网相联有功、无功可以解耦控制、风能利用效率高、出力波动较小直驱型同步风力发电机不需要变速箱对整流逆变器容量要求大8风力发电的变化曲线9太阳能发电技术目前太阳能电池产品主要分为晶体硅电池、薄膜电池两类。其中前者又可分为单晶硅、多晶硅电池两种，其转化效率较高，约15%左右，高者已能达25%以上，但成本也相对较高，目前占据大多数的市场份额；后者虽然在转化效率尚不如前者，稳定光电转换效率约为5%～8%，但成本相对较为低廉，近年来在转化效率方面已有突破性进展，主要包括非晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池等10世界太阳能分布图11我国太阳能资源分布全国太阳辐射年总量大致在3.35×103～8.40×103MJ/m2之间，其平均值约为5.86×103MJ/m2全国太阳辐射总量平均为1630kWh/(m2·a)，年日照小时数2000h青藏高原大部分地区年辐射量2000kWh/(m2·a)，年日照小时数超过3000h，是世界上的高值区之一12太阳能发电技术我国太阳能光电累计用量已达13100千瓦，其中通信占50%，农村与边远无电地区占30%，民用与工业用各占10%已建成15座光伏电站，最大的是1998年投入运行的西藏安多100千瓦光伏电站提高转换效率和降低造价是太阳能发电的发展方向尽管太阳能发电成本在过去25年里已下降了10倍，但目前成本仍是入网电价的3～5倍，业界认为接近电网等价点(GridParity)才是光伏产业真正爆发性增长的开始13Concentratedsolarpower14太阳能热发电和太阳能发电出力对比Source:LarryStoddard,Black&VeatchSunnyDayCloudyDay15欧洲DESERTEC计划16欧洲DESRTEC计划17生物质能林业加工废弃物2.1亿吨农作物秸秆2.86亿吨大中型养殖场禽畜粪便1100万吨标煤生活垃圾工业有机废弃物250亿立方米沼气18生物质能发电我国生物质能发电得到实际应用的有燃烧蔗渣或稻壳的发电站、稻壳气化发电和沼气发电蔗渣与稻壳燃烧电站主要在两广地区，装机约80万千瓦稻壳气化发电系统，容量为60-240千瓦小型沼气发电装置，共约80处，总装机2560千瓦19海洋能我国沿岸和海岛附近的可开发潮汐能资源理论装机容量达2179万kW，理论年发电量约624亿kWh波浪能理论平均功率约1285万kW，潮流能理论平均功率1394万kW这些资源的90%以上分布在常规能源严重缺乏的华东沪浙闽沿岸20潮汐发电技术潮汐能发电可分为两种形式，一种是利用海湾、河口等有利地形,建筑水堤,形成水库，并在坝中或坝旁建造水力发电厂房发电，另一种则是利用洋流发电，无需建造水坝。目前投运的潮汐能电站多为前一种。目前，我国正在运行发电的潮汐电站共有8座，均为水坝型，总装机容量为6000kW,每年发电量1000万余度目前世界上单机容量最大的潮汐能发电机单机容量已达1.2MW，装设于英国斯特兰福德湾21英国斯特兰福德湾安装的SeaGen潮汐能发电机无坝型此处海水流速超过13km/h需观察对海豹等海洋哺乳生物的影响英国希望能够成为“海洋能中的沙特阿拉伯”22洁净煤发电技术在90年代，世界总发电量中煤电比重一直保持在63%左右在21世纪我国的发电量构成中，火电仍将占到70%～75%21世纪大力发展清洁煤发电技术，是我国避免成为“公害”大国的必由之路23整体煤气化联合循环机组(IGCC)IGCC技术是一种最新的清洁煤发电技术，是21世纪初燃煤发电技术中最具优势的一种工作原理是先将煤气化，再以净化后的清洁煤气作为燃料，驱动燃气轮机发电机组发电。燃气轮机的排气送入余热锅炉生产蒸汽，用蒸汽驱动汽轮发电机组发电24IGCC装置的主要优点SOx、NOx排放量少，NOx排放量将减少90%，CO2排放量可减少35%联合循环热效率可高达52%，随着技术的发展，达到58%的热效率亦已实现燃料适应性好，可燃用各种不同的煤用水量少，IGCC电厂用水不到同容量常规燃煤电厂的70%可分期建设，及早发展25荷兰布格农电厂253MWIGCC机组简图26增压流化床燃烧联合循环机组(PFBC-CC)21世纪初极具发展潜力的另一种先进的清洁煤发电技术就是增压流化床联合循环(PFBC-CC)技术增压硫化床是在常压硫化床(CFBC)锅炉的基础上发展起来的在较高压力下进行燃烧的一种燃煤发电技术，它具有热效率高、污染排放低、能组成蒸汽燃气联合循环等特点27PFBC-CC的主要优点燃烧效率高，可达99%发电循环效率高，其联合循环效率达40%～42%SOx、NOx和粉尘的排放量低设备结构紧凑，PFBC锅炉的体积只有同容量常规锅炉的1/4可模块化，造价低，可用于新老电厂的改造28增压硫化床联合循环系统简图29储能技术机械储能电磁储能电化学储能相变储能30机械储能抽水蓄能释放时间可以从几个小时到几天，综合效率在70%～85%之间储存能量非常大，用于调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用必须同时具备下池水库和上池水库，对地理条件要求较高全世界共有超过90GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3％31机械储能飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，并在需要时飞轮带动发电机发电，是一个电能和机械能互相转化的储能元件能量密度比较低，费用较高几乎不需要运行维护，设备寿命长，储能效率高，清洁无污染，无噪声，负荷跟踪能力强，对环境没有不良的影响压缩空气储能常规燃气轮机在发电时大约需要消耗输入燃料的2/3进行空气压缩，因此可在电网负荷低谷时预先压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在负荷高峰时释放出来加上一些燃气进行发电。对于同样的电力输出，采用CAES的机组所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40％建设受地形制约较大，对地质结构有特殊要求32CTModuleExhaustAirCompressorCombustionTurbineMotor•StorageAirIntercoolersRecuperatorFuelExpanderStorage压缩空气储能基本原理EstimatedCap.Cost(2008$)~$600/kWto$750/kW+Substation,Permits&ContingenciesConstantOutputPressureRegulationValve(ForSaltGeology)TheCAESplantdesignandtechnologypresentedaboveisdescribedinU.S.PatentNumbers7389644and4872307,inventedbyDr.MichaelNakhamkin,ChiefTechnologyOfficer,EnergyStorageandPowerLLC.Useofthistechnologymayrequirealicense.HeatRateEnergyRatio38100.7033压缩空气储能美国第一座压缩空气储能电厂AlabamaElectricCooperativeMcIntoshPlant(110MW–26Hr)于1991年5月31日午夜开始商业运行主要用于调峰、旋转备用等AECMcIntoshSite:CAESPlantOnRightandTwoCombustionTurbinesOnLeft34电磁储能——超导储能（SEMS）概念诞生于70年代初石油危机时期，目的是调节日负荷曲线,节约能源。5000MWh超导储能线圈,螺线管结构d约为1千米90年代后，电力工业市场化的发展＋用户对电能质量要求的提高,迫切需要有效管理高度互联网的电力传输及分配系统的新技术。既可用于提高电网的稳定性和可靠性，又可用于改善用户的电能质量。35可控AC/DC变流器交流电网低温容器超导线圈电流引线SMES系统的基本结构图SMES基本原理36SMES的基本原理37150kVA/0.5MJ动态电压补偿系统挂网实验现场0.5MJ/150kVA超导储能DVR系统38SEMS优缺点SMES向电网吸收和释放能量都是直接的，它不仅具有很高的效率，而且还能非常迅速地与电网进行能量交换，其转换效率超过90％、响应速度一般为ms数量级。SMES装置还具有重复率高、无环境污染以及安全可靠等特点。制约超导储能大规模应用的主要因素仍是超导材料的性能和价格39电化学储能技术超级电容储能容量大、功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、受环境温度影响小等特点，耐压能力仍有待进一步提高，造价高钠硫电池以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池,其理论比能量高达760Wh/Kg，且没有自放电现象,放电效率几乎可达100%，系统效率可达80%。钠硫电池的基本单元为单体电池,将数百个单体电池组合后形成模块，功率可达到数十千瓦，同时也有利于制造、运输和安装。目前在日本及北美已有100余座钠硫电池储能电站在运行中，是各种二次电池中最成熟也是最具潜力的技术。液流电池液流电池电化学极化小，能够100%深度放电，储存寿命长，可以通过增加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池容量的目的。由于液流电池电池组和电解液储液罐可以分开放置,因而可以因地制宜安排相对位置，并可根据设置场所的情况自由设计储藏形式及随意选择形状。40相变储能相变储能是利用某些物质在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换的性质达到能量转换与控制的目的。相变储能的使用可作为电力调峰的重要手段之一，使用相变材料的蓄能空调技术已经成为国际上普遍使用的调峰填谷的技术。基于冰相变储能的调峰手段每千瓦投资仅为1200元，远小于抽水蓄能、安装燃气轮机等调峰手段。通过相变储能进行调峰仅需一次性投资，运行费用极低，且不受地形地势的限制，具备大规模应用的潜力。41储能技术特点及其适用范围42储能技术FlowBatteries:Zn/ClZn-AirZrBrVRBPSBNovelSystemsNaSBatteryLi-IonBatteryNiCdNiMHHighPowerFlyWheelsSMESHighPowerSuperCaps1kW10kW100kW1MW10MW100MW1GWLeadAcidBatteryHighEnergySuperCapsZEBRABattery功率大小DischargeTimeatRatedPowerSecondsMinutesHoursUPSGridSupportEnergyManagementPowerQualityLoadShiftingBridgingPowerBulkPowerMgtPumpedHydroCAESAdvancedLeadAcidBatteryMetal-AirBatteriesNano-caphybrids?43先进输配电技术特高压输电输电容量大、送电距离长、线路损