电储能技术

1电储能关键技术动态清华大学杨耕,何志超，张伟，秦潇燕山大学万承宽，邬伟扬2内容一、背景1.1储能技术的背景1.2目前主要的储能方式1.3电储能技术应用现状二、若干关键问题以及清华的部分工作2.1电池技术、状态估计和管理2.2电力变换装置及其控制技术2.3功率预报技术3风电场对储能技术的需求风电场电网690V10/35kV110/220kV690V:::690VPWPWPWPS功率调节系统并网点PC+QC1.1储能技术的背景一、背景4智能电网对储能技术的需求1.1储能技术的背景51.1储能技术的背景电动汽车对储能技术的需求汽车动力电气化已成为全球汽车工业发展的焦点和核心；“车辆到电网”(V2G)的概念正在兴起，期待其作为电力系统“削峰填谷”的有效手段之一。SystemSolutionsforHybridandElectricVehicles,TexasInstruments,2010国家电网:支持V2G的快速充电座6不同需求对充放电速度和容量的要求ChangingtheElectricityGame,IEEE-PEMag,2009,July71.2目前主要的储能方式按照储能介质形态分类，目前的电力储能可分为：化学储能：铅酸电池、钠硫电池、全钒氧化还原液流电池电磁储能：超导储能、双电层电容器机械储能：如抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能热/冰储能：如热泵储能、电锅炉储能8对比特性化学蓄电池飞轮储能装置超导储能装置燃料电池储能方式化学方式机械方式电磁方式化学方式使用寿命3～10年20年以上约20年10年以上对环境影响需要回收几乎无污染几乎无污染污染极少工作温度有要求要求低严格控制温度有要求相对尺寸最大最小较小较大价格最低高较高（不定）较低（不定）储能密度小大大大维护周期半年以内10年以上？？主要储能方式比较(2003)1.2目前主要的储能方式王冉冉,刘玉庆等.飞轮储能装置的性能特点及其应用展望.电源技术应用.2003压缩空气蓄水储能氢气储能飞轮储能超级电容锂电池钠硫电池钒电池效率技术成熟环境友好012345效率负载管理技术成熟经济性环境友好电能质量91.2目前主要的储能方式主要储能方式的比较BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP’2009101.2目前主要的储能方式主要储能方式的比较效率负载管理技术成熟经济性环境友好电能质量压缩空气343511蓄水储能343531氢气储能141344飞轮储能423553超级电容413153锂电池443344钠硫电池3?43234钒电池3?42234BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP’200911日本住友电工(SEI)总装机容量：30.8MW（19个风机）电池组额定容量：6MWhVRB地点：TomamaeWindVilla目的：平滑风力发电输出功率价格：不详1.3电储能技术应用现状—风电场日本碍子公司(NGK)总装机容量：51MW电池组额定容量：34MWNAS地点：RokkashomuraWindFarm目的：平滑风力发电输出功率;价格：0.42Euro/kWh12美国电力公司(AEP)2006年：查尔斯顿一变电站，第一组储能1MW/7.2MWh的钠硫电池（左图）2008年：三个变电站中设置了2MW/14.4MWh钠硫电池储能系统（右图）2009年：在俄亥俄州投入1MW/250kWh飞轮储能系统，验证分布式储能装置对电网频率调整的可行性；2009年：120V/240V上“社区储能装置”(communityenergystorage,CES)，推广分布式储能装置。一个2MW,14.4MWh蓄电站的组成一个1MW变电站电储能装置10MW馈线负载的削峰填谷作用1.3电储能技术应用现状—智能电网13日本丰田公司1997年10月底推出prius2005年12月第二代prius上市2009年5月第三代prius1.3电储能技术应用现状—电动汽车2010/6，财政部、科技部、工信部和发改委联合发布了私人购买新能源汽车补贴标准，确定将在上海等5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。国家对满足支持条件的新能源汽车，按3000元/千瓦时给予补贴。中国的电动汽车示范以及推广清华纯电动比亚迪纯电动QQ141.3电储能技术应用现状—国家的几个举措近期几个示范工程：（1）张北：风光储一体化示范工程（风电30万千瓦、太阳能光伏电10万千瓦、化学储能7.5万千瓦，2010年）；（2）厦门：基于液流电池储能的大型应急电源示范工程（国际会展中心）；（3）上海：上海世博园智能电网综合示范工程·······几个计划：（1）2010年5月，国网公司《坚强智能电网关键设备（系统）研制规划》发电：“大规模储能：大型抽水蓄能电站、大容量电池储能系统”用电：“智能用电中的“储能及管理”/电动汽车充放电设备”（2）2010年9月，能源局《新兴能源产业规划》规划不仅包含先进核电、风能、太阳能和生物质能等新能源资源的开发利用，还包括对传统能源的升级变革。实施以后，到2020年将大大减缓对煤炭的过度依赖，使当年的SO2排放减少约780万吨、CO2排放减少约12亿吨。规划期累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元。152.1电池技术、状态估计和管理2.1.1电池技术2.1.2电池应用：状态估计和管理2.2电力变换装置及其控制技术2.2.1并网技术2.2.2多电平逆变器控制技术二、若干关键问题以及清华的部分工作2.3功率预报技术16Fig.Approximatescaleofenergystoragesystemsinstalledbymid-2006,excludingPSHandCAES.(JimMcDowall,StatusandOutlookoftheEnergyStorageMarket,IEEE-PES,2007)2.1电池技术、状态估计和管理2.1.1电池技术•传统储能电池（铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池）•锂电池（基本是锂离子电池）•液流电池（锌溴电池，钒电池）•钠硫电池（高温钠硫）•双层电容器和飞轮•超导储能SMES17钠硫电池（NAS）及技术现状优点：(1)理论比能量高达760Wh/kg，实际中100Wh/kg(铅酸电池的3-5倍)。(2)高效率，实验室充放电效率高达89%，实际效率也高达80%；没有自放电现象；容量和功率分别可调；(3)充放电循环次数高达4500次，寿命可达10-15年。(4)原材料丰富且易开采，维护成本低；(5)不含重金属，环境友好。缺点：工作温度高，大电流充放电可能发生爆炸；技术难度高。技术所有：日本NGK；我国：大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所等原理：钠和硫分别作为阴极和阳极，陶瓷β-氧化铝同时起隔膜和电解液的双重作用，正常工作温度范围在300℃-360℃。高温下的电极物质处于熔融状态，使得钠离子流过β-氧化铝固态电解液的电阻大为降低，以获得电池充放电高效率。18国际：1976年美国福特(Ford)公司发明公布2002年日本东京电力公司(TEPCO)和日本NGK推出钠硫电池产品目前只有东京电力和NGK下属企业生产钠硫电池国内：2006年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司开始研发大容量钠硫单体电池2007年1月650Ah单体电池试制成功，标志我国掌握单体电池核心技术2007年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司攻克制备关键技术，建成中试线钠硫电池（NAS）及技术现状19全钒液流电池（VRB）和技术现状优点：1)反应电堆与电解液分开，储能系统的容量和功率可分别设计。2)高效率，实验室充放电效率高达88%，实际效率在75%左右，且没有自放电现象。3)充放电循环次数高达4000次。4)原材料丰富(我国已探明五氧化二钒资源大约1000万吨，每储存1度电大约需要五氧化二钒5.62公斤);不含重金属，环境友好。缺点：能量密度为20Wh/kg，略高于铅酸电池。技术所有：日本住友电工，我国：大连化学物理所、中南大学、清华大学positive：negative：2222VOHeVOHO23VVedischargecharge201984年澳大利亚新南威尔士大学的MariaSkyllas-Kazacos教授提出概念;1993年日本住友电工(SEI)获得相关专利，并对关键材料和设计进行探索;1998年澳大利亚PinnacleVRB获得新专利许可，并在1999年将专利授予日本住友电工和加拿大的Vanteck公司;2001年Vanteck公司控股pinnacleVRB，更名为VRBPowerSystems，并开始在大范围内推广钒电池;我国于1995年开始VRB的研究工作，研究单位主要有中国工程物理研究院电子工程研究所、中科院大连化学物理所、中南大学以及清华大学。全钒液流电池（VRB）和技术现状清华大学5kW钒电池反应电堆与电解液储蓄罐21锂离子电池（Li-ion）和技术现状优点：1)单体电压高，能够到达3.7-3.8V;2)比能量大，目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右;3)环保无公害，不含有污染环境的重金属，没有记忆效应;缺点：电池衰老比较明显；不耐受过充过放，需要多重保护.锂离子电池目前以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂，只有锂离子，因此称为锂离子电池。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。22锂离子电池（Li-ion）和技术现状20世纪70年代M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池；1981年美国贝尔实验室研制成功第一个可用的锂离子石墨电极；1991年日本索尼公司发布首个商用锂离子电池；1996年Goodenough和AkshayaPadhi等人对锂离子电池引入磷酸铁锂正极。最新数据：美国Altairnano公司使用纳米钛酸锂代替普通的碳素作为锂离子电池的负极，使得制造的锂离子电池拥有比较长的工作寿命（超过12000次充放电）和比较宽的工作温度条件（-40℃到55℃）。但电池能量密度比较低100Wh/kg，电池价格USD2/Wh。232.1.2电池应用：状态估计和管理动力电池（串联）应用的三个问题使用一段时间后，容量和SOC出现差异充电时，容量小而SOC大的电池容易过充放电时，容量小而SOC小的电池容易过放242.1.2电池应用：状态估计和管理25电池模型介绍基于模型的SOC估计方法电化学模型等效电路模型解析模型随机数学模型26不同电池模型比较电池类型容量衰减现象恢复效应模型参数数量精度电化学模型锂离子电池有有50非常高电路模型镍镉、铅酸电池有有15~30中等科特方程所有电池有无210%扩散模型锂离子电池有有2高，5%KiBaM铅酸电池有有2高随机数学模型锂离子电池无有2高，1%随机KiBaM镍氢电池有有2高，2%27电池SOC检测技术现状工程方法放电试验法电压检测法电池阻抗法卡尔曼滤波法安时积分法线性模型法离线检测受电池工作状况影响较大受电池工作状况影响较大依赖于电池模型存在累计误差存在非线性误差282.2.1两种典型拓扑2.2.2并网技术2.2.3多电平逆变器控制技术2.2电力变换装置及其关键技术大型电储能装置的电力变换接口及控制系统为电力电子装置，其关键技术与SVG、并网PV装置等技术相通。29级联结构：不需要变压器，控制复杂；并联结构：切换方便、安全，变压器成本高。usuuvwBBUBBU全桥逆变单元2BBU全桥逆变单元nW相级联V