分布式发电L6-EnergyStorage

传统电能利用方式面临的挑战“僵直化”“平准化”保证敏感负荷供电的连续性波动性可再生能源的平衡储能的形式和分类电气量形式与非电气量形式集中方式和分布式方式抽水蓄能飞轮储能电池储能：铅酸电池，NaS，锌－氯电池，RF电池SMES超级电容压缩空气热、冷储能抽水蓄能技术纵断面图上水库下水库发电机组压力管道尾水隧道引水隧道尾水调压室上游调压室平面图上水库下水库压力管道发电机组尾水隧道引水隧道尾水调压室上游调压室抽水蓄能技术的发展（1）1904年在瑞士的Aase河上诞生了世界上第一个抽水蓄能电站。该电站扬程325m，出力590kW。在过去的100年里，随着整个世界电力事业的发展，抽水蓄能电站也得到很快发展。目前，全世界出力在10万kW以上的抽水蓄能电站约有210座，总装机容量超过1亿kW抽水蓄能技术的发展（2）我国的第一座大型抽水蓄能电站建于1992年9月，在广州市附近流溪河水系上建成投运，该电站的作用是调节大亚湾核电站的出力。该抽水蓄能上下池间落差520m，蓄水量1700立方米，装有4台33.3万千瓦电动发电机组。年平衡电量约为2300GWh。目前，装机容量跃进到世界第4位,遍布全国16个省市。在建的抽水蓄能电站装机约11400MW。国家电网公司规划2020年公司经营区域内抽水蓄能规模将达到26920MW。抽水蓄能技术的新趋势可变速化高落差大容量与规模化可再生电源配合调节方式•定子频率调节方式•调节范围大，容量大，造价高•转子励磁调节方式•调节范围有限，但容量小，造价低n±n2=n1=同步转速水轮机励磁断路器励磁变压器n1n2nr主断路器主变压器转子空间磁场转速转子机械转速变换装置控制装置调节阀同步转速发电电动机n1n2nr发电运行方式亚同步运行状态：nn1，滑差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相同，转子绕组吸收功率；•超同步运行状态：nn1，滑差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相反，转子绕组发出功率；•同步运行状态：n＝n1，滑差频率为f2＝0，转子为直流励磁，与普通同步发电机相同，转子绕组无功率交换。发电运行方式的功率调节340360380400420100160200260300320340330恒速常规发电机出力范围(±70MW)变速发电机出力范围(±120MW)HTminHTnorHTmax330340350360r/min出力/MW有效水头/m电动方式的功率调节400300200360380400420330340350360370380390r/min变速电动机功率范围(±80MW)扬程/m功率/MWHPminHpmax可变速机组功率的调节32PMW指令有功功率160MW128MW330.8/minr338.0/minr344.0/minr330.5/minr转速335.0/minr3,500A3,750A3,500A励磁电流大河内可变速抽水蓄能电站压缩空气蓄能技术压缩空气储能透平发电热力蓄能技术•概要•分类•动向分布式蓄能技术及其发展蓄能设备理论能量密度(Wh/kg)目前能量密度(Wh/kg)效率（%)目前寿命（充放电回数）铅酸电池16735801500NaS电池780100872250飞轮储能5-101.880105超级电容10385-98105超导储能30020090107飞轮蓄能技术的历史飞轮蓄能技术简单的讲就是利用旋转物体所具有的动能存贮能量的。这一技术远在古代就被用在农作物加工、制陶等作业中。18世纪瓦特发明的蒸汽机正是利用飞轮蓄能实现圆周运动与活塞的往复运动的平滑变化。这一技术在现代科技的许多领域中得到广泛应用。如人造卫星方位的调整与控制、大容量冲击电流的发生等。飞轮储能技术的发展飞轮蓄能具有能量密度高、无环境污染等特点。平均效率在85%以上，优于抽水蓄能技术。随着利用超导现象的悬浮特性产生的高温超导蓄能技术的发展，飞轮蓄能技术的效率将会进一步提高。日本、美国、德国、韩国都在积极开发超导飞轮储能技术。日本NEDO支持的一项研究利用磁悬浮技术实现的飞轮储能装置，飞轮重量25吨，转速2000rpm，可存储能量50kWh，瞬时最大输出功率1000kW。中国飞轮储能技术发展与应用情况。飞轮储能装置的构成电能飞轮旋转动能发电电动机＋电力电子设备部件下轴承上轴承飞轮转子外壳联轴器电机电力电子装置旋转刚体的储能：飞轮系统的储能：飞轮储能技术原理212EJ22maxmin1()2flywheelEJ增大转动惯量J：质量，形状，材料增大转速：材料、工艺飞轮储能的特性2.72/wseK/单位重量的储能：Ks，形状系数：等应力圆板：1.0;形圆板：0.9；平坦圆板：0.606;开孔平圆板：0.303，比强度：铸铁：2.23;铸钢：3.25；合金钢：12.8;纤维强化塑料：68.8单位体积的储能：2.72vseK飞轮储能的机电转换异步电机：特点：技术成熟，成本低廉，损耗大，效率低；构造：鼠笼式；控制方法：V/f控制，异步驱动/异步发电永磁电机：分类：永磁直流电机，永磁同步电机；特点：低损耗，高效率，技术复杂；控制方式：直流电机/同步电机飞轮储能的驱动控制驱动与并网主回路能量的吸收与放出飞轮储能的驱动控制异步电机矢量控制策略异步电机的矢量控制1.电压方程：将转子磁链矢量定在d轴方向上，转子磁链：转矩方程：SVPWM原理电压空间矢量PWM技术是SPWM技术与电机磁链圆形轨迹直接结合的一种方法。它从电动机角度出发，直接以电动机磁链圆形轨迹控制为目的，该方法不仅在控制上与SPWM的效果相同，而且更直观，物理意义更明晰，实现起来也很方便。SVPWM调制方法是利用交替使用不同的电压空间矢量(六个基本电压矢量和两个零矢量)合成实现的。参考矢量合成规则是：由当前参考矢量所在扇区的两个电压矢量分别作用一定时间合成所得。为了补偿参考矢量的旋转频率，设计时需要插入零矢量。电池蓄能技术电池蓄能技术是将电能转化为化学能存储、使用时再将化学能转化为电能的蓄能技术。这种电池可以实现电能与化学能的多次反复转化，有别于只一次性实现从化学能到电能转化的一次电池（不可充电电池），用于蓄能的电池称为二次电池（可充电电池）。由于直接转化为化学能的电能只能是直流形式，因而交直流变换器是这种蓄能系统的重要组成部分。电池蓄能技术的特点无燃烧过程，无旋转机械，因而效率高，噪音低，污染小；不受规模效应的制约，根据需要设置规模；暂态特性好，负荷追随性能强，这一点对蓄能系统用于电力系统运行控制的意义是不言而喻的；对设置地点、设施无特殊要求，因而通常可设置在负荷中心，由此可以省去像抽水蓄能系统所需的输变电设备，降低造价，另一方面，为电力系统受端提供更多的电源支持，对系统的稳定可靠供电十分有利；电池蓄能系统需要相应的交直流变换与控制设备，增加了系统的复杂性；负荷中心通常为人口、建筑物密集的都市，在此设置高密度、大容量且化学过程复杂的电池蓄能系统必然给都市设施安全管理带来新的课题；电池制造、运行及报废处理中的环境问题。电池技术的发展自1859年法国人G.Plante发明铅酸蓄电池以来，二次电池在人们的生产、生活中起着越来越重要的作用。人们围绕提高能量密度，增加充放电回数，减小自放电电流，提高能量变换效率，降低造价等方面开展了一系列的研究开发工作，取得了一系列重大的进展。利用新材料、新原理实现的新型电池不断出现。就用于电力系统蓄能目的电池而言，先后有ＮAＳ电池，锌－氯电池，锌－溴电池，RF电池等获得试验性运用。电池能量密度、充放电性能等方面都取得了长足的进步。几种典型电池的特点与性能对比电池种类理论能量密度(Wh/kg)目前能量密度(Wh/kg)单电池开路电压(V)反应物质利用率(%)动作温度目前寿命（充放电回数）铅酸电池167352.1305~501500NAS电池7801002.185300~3502250锌－氯电池828752.110020~501300锌－溴电池428701.810020~501500RF电池1036.51.180~9040~6013000电池储能的方式变电设备（送电系统）（配电系统）发电厂）））用户）交直流变换装置管理系统控制系统）充电）））放电电力系统电力储能列电池集合电池单电池群电池群电池群电池电池储能在电力系统中的应用示例美国于1985年开始实施的500kW、500kWh铅酸蓄电池蓄能试验－BEST蓄能系统；1987年2月德国BEWAG电力公司投入商业运行的17MW、14.4MWh的RESP电力蓄能系统；日本东京电力公司于1996年8月开始试运行的6MW、48MWh级NAS能系统，日本九州电力公司于1996年8月开始试运行的1MW、8MWh级锌－溴电池蓄能系统，日本关西电力公司于1993年开始试验运行的450kW、900kWh级RF电池蓄能系统等。NAS电池的发展钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，其比能量高、可大电流、高功率放电。日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，截止2007统计，日本年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。正极：负极：全反应：NAS电池的原理eNaNa222xSNaeNaxS222SxNaxSNa22•NaS电池利用负极熔融金属钠放电时形成的钠离子与正极的活物质熔融硫及通过外部电气回路到达正极的电子发生反应产生多硫化物，形成二次电池。为保证上式反应的正常进行，电池内部必须有一定的环境温度保障，因此，NaS电池工作温度通常为300~350度。观看短片NaS电池锌－氯电池锌－氯电池采用氯元素作为反应活物质，充电时产生的化学能以氯水化合物的形式存储，氯水化合物是将充电反应过程中生成的氯气通过6度左右的冷水冷却得到的固体结晶物（Cl2.xH2O,一个大气压时，熔点9.6度，黄色结晶体）。放电时，首先利用电池反应中产生的废热加热氯水化合物产生氯气，然后通过和外部电气回路来的电子结合形成氯离子，再和负极生成的锌离子结合生成氯化锌。这种电池在放电过程中的生成物没有任何变化，因而放电电压比较稳定，这一点对在电力系统中的应用尤为重要。锌－溴电池锌－溴电池的工作原理于锌－氯电池类似，然而，由于溴元素易溶于水，必须设置隔离板。另外，由于溴腐蚀性大，电解液中溴的含量应得到适当的控制，这可通过生成R4NBrx(x为奇数)，然后分离存储来实现。锌－溴电池的充放电化学反应也是在常温下进行的，单电池电动是势1.8V。电池的电极由碳元素及聚合物材料构成的复合材料制作，一面为正极，另一面则为另一个电池的负极。这种电池与锌－氯电池类似，也存在负极板有树枝状结晶物生成的问题，利用电解液循环是排除结晶的有效方法。RF（Redoxflow）电池RF（Redoxflow）电池的名称是由reduction(还原),oxidation（氧化）及flow（流动）构成的合成语。含义是指这种电池通过电解液的流动使金属离子发生氧化或还原，实现充放电构成的电池。电池的正、负极是由铁、铬、钒等金属离子的酸性水溶液组成，正、负极的电解液分别存储在各自的容器里，通过泵将电解液送入反应槽内实现放电或充电反应。具有长充放电回数寿命的特点，由于电池的化学反应只是电解液中金属离子电价的变化，充、放电回数可达13000次以上。长期停止时，无待机损，RF电池停运时，电极液送回各自的容器，无自放电，启用时又无需像NAS电池那样的加热过程，因而无待机损失。能量密度低、占地面积大是这种电池的主要缺点。随着新材料、新反应原理的开发，用于蓄能的新型电池也在不断发展。电池蓄能技术－RF电池3223CrFeCrFe超导储能(SMES)及其应用221LcLIW特点：效率高（大于90％）；响应快（1ms）；充放电次数多（107）；控制灵活