搜索
电力系统新技术专业电力系统及其自动化班级研1109班学号1108080392学生周晓玲2012年电力储能技术摘要：储能技术在电力系统中具有削峰填谷、一次调频、提高电网稳定性、改善电能质量、提高电网利用率、提高可再生能源的利用率等重要作用。本文主要介绍了抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能、钠硫电池储能、液流电池储能以及超导储能、超级电容器储能等典型储能技术以及各自的国内外研究动态，比较了各种储能技术的优缺点，并对储能技术在电力系统中的不同应用进行了综述。关键词：储能技术，可再生能源发电，消峰填谷，一次调频ABSTRACT：Powerstoragetechnologyservestocutthepeakandfillvalley，regulatethepowerfrequency，improvethestability，andraisetheutilizationcoefficientofthegridinthepowersystem.Thispaperintroducesvarioustypesofstoragetechnologysuchaspumpedhydropower,flywheelelectricitystoragetechnology，compressedairenergystorage，sodiumsulfur(NaS)battery,，FlowBatteryTechnology，superconductivemagneticenergystorageandsupercapacitorstoragediscussestheiradvantagesanddisadvantages．ThedevelopmenttrendandtheDifferentapplicationsofstoragetechnologyinthepowersystemarealsosummarized．KEYWORDS：energystoragetechnology，renewableenergyResourcespowergeneration，peakloadshifting，primaryfrequency1.背景意义近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。储能的优点有很多，节能、环保、经济。比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和品质，但用电量却随时间变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能是至关重要的。另外，由于分布式发电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。随着电力电子学、材料学等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已经起到了重要作用。储能已经成为除发、输、变、配、用五大环节的第六大环节。如下图即为储能在电力系统中的应用。图1储能技术在电力系统中的应用2.电力储能技术简介电能储能技术是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要作用。储能系统一般由两大部分组成：由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成的功率转换系统(PCS)。储能装置主要实现能量的储存和释放：PCS主要实现充放电控制、功率调节和控制等功能。图2即为电力储能系统示意图。图2电力储能系统示意图电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照存储具体方式可分为机械、电化学、电磁、和热力储能四大类型。其中机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；化学储能包括铅酸、镍氢、镍隔、锂离子、钠硫和液流等电池储能；电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能；热力储能包括熔盐储能和热电储能等。2.1飞轮储能飞轮储能的原理为：外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转从而带动飞轮旋转将电能储存为机械能；当需要释放能量时，飞轮带动发电机旋转，将动能变换为电能，电力电子装置将对输出电能的频率和电压进行变换以满足负载的要求。图3即为飞轮储能的内部结构图图3飞轮储能内部结构图飞轮系统运行于真空度较高的环境中，其特点是没有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能质量保障，是目前最有发展前途的储能技术之一。缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势，主要应用于为蓄电池系统作补充。在美国，10年前现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，风险投资的大量介入，飞轮储能技术获得了成功应用。风电、太阳能发电本身所固有的随机性、间歇性特点，决定了其范围化成长必定会对电网调峰和体系平安运转带来明显影响，必需要有先进的储能手艺作支持。飞轮储能技术发展到一定程度后，能在很大程度上解决新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，目前，已经开发出大功率飞轮储能系统，并应用于航空以及UPS领域以BeaeonPower为领先水平的研究机构正在致力于飞轮储能的优化设计，以便将其用于长过程储能服务(多达几个小时)，同时降低其商用成本。2.2抽水储能抽水储能的原理是在电力负荷低谷期将水从下游水库抽到上游水库，将电能转化成水的重力势能存储，在电网负荷高峰期释放上游水库的水来发电。抽水蓄能电站可以在电网负荷出现突然变化时，几分钟内快速响应，这是其他类型发电厂所无法比拟的。水能发电的最大优势，在于要发电就发电，不发电就不发电，启动和关闭闸门都比较容易。我国抽水蓄能电站面临高速发展契机，目前，我国已建成抽水蓄能电站20余座，占全国总装机容量的1．73％。而一般工业国家抽水蓄能装机占比在5％-10％水平，其中日本2006年抽水蓄能装机占比即已经超过10％。2020年我国抽水蓄能电站总装机容量将达到约6000万kW。典型的抽水储能示范工程有惠州抽水储能电站、十三陵抽水储能电站等，惠州抽水储能电站是目前我国最大的抽水储能示范工程。2.3压缩空气储能压缩空气储能的原理为：压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或薪建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。其中，压缩机由电网供电的电动机驱动，因此汽轮机的输出功率全部用于发电，其发电功率是常规燃汽轮机电站的3倍。应用领域包括削峰填谷、调频调相、系统备用、黑启动等。2009年压缩空气储能被美国列入未来10大技术，德、美等国有示范电站投入运营，总体而言，目前尚处于产业化初期，技术及经济性有待观察。我国的压缩空气储能事业还处于初始状态，目前还没有规模以上的压缩空气储能电站建成。2.4钠硫电池储能钠硫电池的储能原理是：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。钠硫电池能量密度高，循环寿命长，国际上电化学储能的成功案例都是使用这项技术。图4钠硫电池储能示意图钠硫电池的理论比能量高，效率高，充放电次数多，寿命长，维护成本低，不含重金属，但是钠硫电池的工作温度高（300摄氏度以上），易爆炸，技术难度高。钠硫电池是在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。2.5全钒液流电池全钒液流电池的示意图如下：图5全钒液流电池全钒液流电池的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。它的效率很高，实验室充放电效率高达88%，实际应用中效率在75%左右，且没有自放电现象。充放电循环次数高达4000次。建设周期短，原材料丰富且易开采(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)，维护成本低。全钒液流电池不含重金属，环境友好。液流电池具有能量转换效率高，运行维护费用低等优点，是高效、大规模并网发电储能，调节的首选技术之一，液流储能技术在美国、德国、日本、和英国发达国家已有示范性应用，我国目前尚处于研究开发阶段。2.6超导储能超导磁储能系统是利用超导体制成的线圈，由电网经变流器供电励磁，在线圈中产生磁场而储存能量，当需要供电时，经逆变器将所储存的能量输送回电网。SMES通常包括置于真空绝热冷却容器中的超导线圈、控制用的电力电子装置以及真空汞系统。目前，在世界范围内有许多超导磁储能工程正在进行或处于研制阶段。在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面开始发挥作用。2.7超级电容器储能超级电容器由2个多孔电极、隔膜及电解质组成。充电时处于理想极化状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。由于使用碳或其他高表面积材质作为电极，并且电极间的距离非常小，因此储存的电能更高，是传统电解电容器的100～1000倍。使用超级电容器作为动力源的上海11路电动公交车已示范运营5年多，目前中国是唯一将超级电容公交车投入量产的国家，这项技术为中国自主研发。超级电容器未来的发展主要是面向电动汽车，以及电力系统中短时间、大功率负载的平滑，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平等。下图6为几种储能技术的比较，储能技术的评价有几个维度。首先是安全性，即不燃烧也不爆炸；其次是能量转换效率与自放电；再者是比能量、比功率；还有成本与寿命、可维护性、环境友好等。所以，对储能技术进行选择应用时应综合多方进行比较分析，因地制宜，合适发展。由于不同的储能技术在额定功率下的放电时间不同，因此应用在电网不同的地方时，应该选择合适的储能方式。当用于电能质量改善、电网频率稳定及UPS时，应选择响应快速、放电时间短的电池，例如超级电容器、飞轮储能等；当用于供电的连续性、缓冲或者备用电源时，则选择能放电数秒到数分钟的相应的短时储能方式；当用于电网的“削峰填谷”或者风能、太阳能等新能源的并网储能时，则选择能够大规模储能，且自放电小的储能方式，例如抽水蓄能、压缩空气储能等；在地理条件受限制的时候，可以选择钠硫电池、液流电池等。当然，商业化储能电站的建设应考虑投资成本。图6几种储能方式的比较3.储能技术的应用3.1削峰填谷储能发挥削峰填谷的作用，改善了电力系统的日负荷率，使发电设备的利用率大大提高，从而提高电网整体的运行效率。电力生产过程的连续性，要求发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成，因此发电、供电、用电之间必须随时保持平衡。并且，电力系统必须有一定的发电备用容量。电力的需求在白天和黑夜、不同季节间存在巨大的峰谷差，从建设成本资源保护的角度出发，通过新增发输配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难，用户对供电的可靠性和调峰的要求也越来越高。如今，丰富的可再生能源和分布式资源却得到越来越多的应用，这些特点使得分散的储能系统的重要性日益增加。如果能够建立起既经济又反应快速的调峰电站和大规模储能系统，以便将低谷电能转化为高峰电能，是实现发电和用电间解耦及负荷调节的有效途径，也是电力工业市场化的前提。同时，还可以减少电网对发电设备的投资，提高电力设备的使用率，减小线路损耗，提高供电可靠性，创造巨大的经济效益和社会效益。3.2改善电能质量近年来人们对电能质量问题日益关注，国内外都做了大量的研究。例如在微电网中，微电网要作为一个微源与大电网并网运行，必须达到电网对功率因数、电流谐波畸变率、电压闪变以及电压不对称的要求。此外，微电网必须满足自身负荷对电能质量的要求，保证供电电压、频率、停电次数都在一个很小的范围内。储能系统对于微电网电能质量的提高起着十分重要的作用，通过对微电网并网逆变器的控制，