储能技术在电网运行的应用调研.docx
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储能技术在电网运行的应用调研
前言
随着对环境的关注和能源体系的变革,各种新技术将加速应用到电力体系中。
在全球范围内,电力公司、高科技公司、政府和电力用户都已开始关注电力储存技术的潜力。
在过去20年中,储能技术已经从一个概念发展成为未来智能电网规划的必要组成部分。
全球各国的电网都在积极参与推动这一领域的技术发展,目前在全球已经有十几种技术的超过400个大型储能项目应用在不同领域。
随着可再生能源发展,2009年起各种MW级储能电池项目在全球范围的建设,储能产业已成为全球新一轮投资热点。
中华全国工商联新能源商会储能专业委员会(CNESA,以下简称储能专委会)作为中国第一个专注在储能领域的专业组织成立于2009年底,发起成员包括国内国外各类储能技术、电力领域的企业及专业人士。
他们曾参与全球多个储能项目的实施,对整个储能产业链有深入理解,在储能技术研发、产品设计、应用解决方案实施、储能项目评估、以及产业政策发起和推动等方面具有丰富的经验。
储能专委会希望通过聚集全球储能专业人士,加强业内交流,为储能产业争取更多关注,为政府制定储能产业政策献计献策,共同推动储能产业发展。
储能产业在技术、市场、政策等方面均处在高度变化的过程中,这增加了产业发展的不确定性。
面对这种状况,需要专业人士为储能产业参与者提供准确的信息与客观的分析。
为向各界人士提供一个参考,并帮助推进国家出台储能产业政策,储能专委员会组织部分专家撰写了这份《储能产业研究白皮书》,希望能够抛砖引玉,为各方提供一个沟通工具并进形成业界观点。
储能技术已被视为电网运行过程中“采–发–输–配–用–储”六大环节中的重要组成部分。
系统中引入储能环节后,可以有效地实现需求侧管理,消除昼夜间峰谷差,平滑负荷,不仅可以更有效地利用电力设备,降低供电成本,还可以促进可再生能源的应用,也可作提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。
储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。
近几十年来,储能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。
电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储,按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型。
其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括冰蓄冷储能等。
本文着重介绍MW级大规模电力储能技术的研发状况和应用实例,并基于我国能源布局和电力系统需求,从技术和经济的层面加以分析,探讨储能技术的未来发展方向和研究重点。
1储能概述
1.1储能的定义及分类
从广义上讲,储能即能量存储,是指通过一种介质或者设备,把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来,基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。
从狭义上讲,针对电能的存储,储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。
表1储能技术分类
按照储能的狭义定义,燃料电池与金属-空气电池虽然不具备“充电”的特性,不等同于狭义上的储能,但就其特点和应用领域又与储能产品相近,因此在本报告中,也把它们收录在其它储能类别中。
1.2储能产业的发展背景
(一)新能源发电规模快速扩大,电网与新能源的矛盾突出近年来,我国以风电、光伏发电、核电、生物质能发电为主的新能源发电规模迅速攀升。
根据我国新能源规划草案,预计未来十年将迎来新能源产业的发展高峰。
2020年,风电、光伏发电、核电、生物质能发电装机容量将分别达到1.5亿、2000万、8600万和3000万千瓦,分别占全国电力装机总容量的7.8%、1.2%、4.6%和1.4%。
表2新能源发电装机容量发展目标
但风电、太阳能发电具有随机性、间歇性,核电的控制难度较大,其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来较大的影响。
储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网,是构建智能电网的重要环节。
(二)新能源汽车开始兴起,对储能产业的需求愈加迫切
按照2009年3月份公布的《汽车产业调整和振兴规划》,到2011年“形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能,新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右”。
《新能源汽车发展规划》也已上报国务院,预计2010年3月将正式颁布,密集的扶持政策大大加速了新能源汽车的产业化进程。
车用储能装置(大容量动力电池、超级电容器等)是新能源汽车的核心技术之一,新能源汽车的规模化发展必将大大激发车用储能装置的市场需求,推动车用储能产业的率先发展。
(三)环保与节能概念不断深化,储能产业潜在市场巨大
近年来,我国对环境保护与节能减排的投入不断加大,并取得了良好的效果。
2009年上半年,我国单位GDP能耗累计下降3.35%,规模以上工业单位增加值能耗同比降低11.35%。
到2020年,我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40%~50%。
随着环保与节能概念的不断深化,集中发展和使用清洁能源成为未来的主要趋势。
而储能装置特别是大容量储能装置作为清洁能源的主要载体之一,既能够提高能源的利用效率,又能节约国家投资,有着庞大的潜在市场需求。
另外,储能设施占地少、无排放,其节地、节能、减排效果非常好。
1.3储能产业发展的意义
储能行业的存在和发展,有着如下几方面的重要意义:
●储能是未来电网的一个必要组成部分。
●有利于促进可再生能源的大规模应用。
●削峰填谷,节约能源。
●有利于提高电网效率,减少或延缓电力建设的投资。
●提高突发事故的应对能力,保证电力系统安全运行。
●推进新能源汽车等产业的发展,有利于节能环保。
1.4储能的应用
电力系统
储能在电力系统可以应用于以下几个方面:
发电系统、辅助服务、电网应用、用户端、可再生能源并网。
(详见下表)
表3储能在电力系统中的应用
电动汽车
电池及其他形式的储能设备能够为电动汽车提供动力并起到制动能量回收的作用。
同时,电动汽车也可被看作为一种储能设施,这是由于,轻型车辆在使用中平均有90%的时间处于停泊状态。
处于停泊状态的电动汽车可以看作是储能设备,主要有两种应用形式:
车辆—电网(V2G):
这是一种车载电池与电网间充电、放电为双向的应用,车载电池不仅仅作为负荷从电网充电,同时作为一种储能设备为电网提供电能。
车辆—电网,单向(V1G):
在这种应用中,车辆仅从电网充电,并不向电网提供电能,但在充电过程中可以改变其充电速率,从而调节电网频率,提高电能质量。
因为电池放电对电池的使用寿命影响很大,所以在目前的电池发展阶段,V1G是发展重点。
轨道交通
机车制动时,制动转矩带动发电机给储能设备充电,启动时,储能设备放电,节省了能量,提高了能量的利用效率。
同时,减少了机车启动和制动时引起的电压波动,降低轨道机车启动和制动环节对电网带来的冲击。
UPS
在计算机系统和网络应用或其它电力电子设备中,储能设备主要起到两个作用:
一是应急使用。
储能设备储备电能,在电网失电的情况下,向用电设备提供电能;二是提高用电设备的电能质量。
储能设备可以瞬间提供足够的有功和无功支持,改善电源质量。
电动工具
电动工具,是由电池提供动力驱动的工具。
它使使用者不受插座电源的约束,具体的应用包括电钻、电动螺丝刀、锤子和电锯等,取代了传统依靠插座的类似的电动工具。
因此电池为电动工具提供了驱动能量,使电动工具更便于使用。
电子产品
可充电电池为电子产品提供能量,例如数码相机、手机、笔记本等。
2电力储能方式和发展现状
2.1抽水蓄能电站
抽水储能电站投入运行时必须配备上、下游两个水库(上、下池),负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态,将下游水库的水抽到上游水库保存,负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态,利用储存在上游水库中的水发电。
按上水库有无天然径流汇入分为纯抽水、混合抽水和调水式抽水蓄能电站,建站地点力求水头高、发电库容大、渗漏小、压力输水管道短、距离负荷中心近。
抽水储能电站可以按照一定容量建造,储存能量的释放时间可以从几小时到几天,综合效率在70%~85%之间。
抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术,其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量,还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率。
表4储能技术应用场合和技术要求
设备类型
用户类型
功率等级
能量等级
便携式设备
----
1~100W
Wh
运输工具
汽车
25~100kW
100kWh
火车、轻轨列车
100~500kW
500kWh
潜艇
1~20MW
10MWh
静止设备
家庭
1kW
5kWh
小型工业和商业设施
10~100kW
25kWh
配电网
MW
MWh
输电网
10MW
10MWh
发电站
10~100MW
10~100MWh
目前,抽水蓄能电站的设计规划已形成规范。
机组由早期的四机、三机式机组发展为水泵水轮机和水轮发电电动机组成的二机式可逆机组,极大地减小了土建和设备投资。
施工已采用沥青混凝土面板防渗、HT-100高强度钢结构、斜井全断面隧洞掘进机开挖、钢岔管考虑围岩分担为压、上水库和地下厂房信息化施工等先进技术。
为进一步提高整体经济性,机组正向高水头、高转速、大容量方向发展,现已接近单级水泵水轮机和空气冷却发电电动机制造极限,今后的重点将立足于对振动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究,着眼于运行的可靠性和稳定性,在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组,实现自动频率控制。
提高机电设备可靠性和自动化水平,建立统一调度机制以推广集中监控和无人化管理,并结合各国国情开展海水和地下式抽水蓄能电站关键技术的研究。
2.2压缩空气储能电站
压缩空气储能电站(compressedairenergystorage,CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂,主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气,并将其储藏在典型压力7.5MPa的高压密封设施内,在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。
在燃气轮机发电过程中,燃料的2/3用于空气压缩,其燃料消耗可以减少1/3,所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%,同时可以降低投资费用、减少排放。
CAES建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站,但其能量密度低,并受岩层等地形条件的限制。
CAES储气库漏气开裂可能性极小,安全系数高,寿命长,可以冷启动、黑启动,响应速度快,主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制分布式储能和发电系统备用。
目前,地下储气站采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种模式,其中最理想的是水封恒压储气站,能保持输出恒压气体,从而保障燃气轮机稳定运行。
100MW级燃气轮机技术成熟,利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到90%。
大容量化和复合发电化将进一步降低成本。
随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要,8~12MW微型压缩空气蓄能系统(micro-CAES)已成为人们关注的热点。
2.3飞轮储能
飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。
谷值负荷时,飞轮储能系统由工频电网提供电能,带动飞轮高速旋转,以动能的形式储存能量,完成电能—机械能的转换过程;出现峰值负荷时,高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电,经功率变换器输出电流和电压,完成机械能—电能转换的释放能量过程。
飞轮储能功率密度大于5kW/kg,能量密度超过20Wh/kg,效率在90%以上,循环使用寿命长达20a,工作温区为-40~50℃,无噪声,无污染,维护简单,可连续工作,积木式组合后可以实现MW级,输出持续时间为数min/数h,主要用于不间断电源(uninterruptedpowersupply,UPS)/应急电源(emergencypowersystem,EPS)、电网调峰和频率控制。
近年来,人们对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转换系统进行了深入研究,高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。
机械式飞轮系统已形成系列产品,如ActivePower公司100~2000kWCleanSource系列、Pentadyne公司65~1000kVAVSS系列、BeaconPower公司的25MWSmartEnergyMatrix和SatConTechnology公司315~2200kVA系列。
高温超导磁浮轴承摩擦系数达到10-7量级,在此基础上,1MWh超导飞轮已于1997年研制成功。
随着磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化和轴承载荷密度的进一步提高,飞轮储能的应用将更加广泛。
2.4超导磁储能系统
超导磁储能系统(superconductingmagneticenergystorage,SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量,功率输送时无需能源形式的转换,具有响应速度快(ms级),转换效率高(³96%)、比容量(1~10Wh/kg)/比功率(104~105kW/kg)大等优点,可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。
SMES在技术方面相对简单,没有旋转机械部件和动密封问题。
目前,世界上1~5MJ/MW低温SMES装置已形成产品,100MJSMES已投入高压输电网中实际运行,5GWhSMES已通过可行性分析和技术论证。
SMES可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求。
SMES的发展重点在于基于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ级系统,解决高场磁体绕组力学支撑问题,并与柔性输电技术相结合,进一步降低投资和运行成本,结合实际系统探讨分布式SMES及其有效控制和保护策略。
2.5超级电容器储能
超级电容器根据电化学双电层理论研制而成,可提供强大的脉冲功率,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。
由于电荷层间距非常小(一般0.5mm以下),加之采用特殊电极结构,电极表面积成万倍增加,从而产生极大的电容量。
但由于电介质耐压低,存在漏电流,储能量和保持时间受到限制,必须串联使用,以增加充放电控制回路和系统体积。
超级电容器历经三代及数十年的发展,已形成电容量0.5~1000F、工作电压12~400V、最大放电电流400~2000A系列产品,储能系统最大储能量达到30MJ。
但超级电容器价格较为昂贵,在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质高峰值功率场合,如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等,在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。
目前,基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代超级电容器正在开发中。
2.6电池储能系统
电池储能系统主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电,表2、3分别显示了一些种类电池的基本特性和由它们构成的储能系统目前已达到的性能指标。
表5电力储能系统可利用的主要电池
表6部分电池储能系统的性能比较
铅酸电池在高温下寿命缩短,与镍镉电池类似,具有较低的比能量和比功率,但价格便宜,构造成本低,可靠性好,技术成熟,已广泛应用于电力系统,目前储能容量已达20MW。
铅酸电池在电力系统正常运行时为断路器提供合闸电源,在发电厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用,为继保装置、拖动电机、通信、事故照明提供动力。
然而,其循环寿命较短,且在制造过程中存在一定的环境污染。
镍镉等电池效率高、循环寿命长,但随着充放电次数的增加容量将会减少,荷电保持能力仍有待提高,且因存在重金属污染已被欧盟组织限用。
锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好,但由于工艺和环境温度差异等因素的影响,系统指标往往达不到单体水平,使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍。
大容量集成的技术难度和生产维护成本使得这些电池在相当长的时间内很难在电力系统中规模化应用。
钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。
钠硫电池储能密度为140kWh/m3,体积减少到普通铅酸蓄电池的1/5,系统效率可达80%,单体寿命已达15a,且循环寿命超过6000次,便于模块化制造、运输和安装,建设周期短,可根据用途和建设规模分期安装,很适用于城市变电站和特殊负荷。
液流电池已有钒–溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体系,高性能离子交换膜的出现促进了其发展。
液流电池电化学极化小,能够100%深度放电,储存寿命长,额定功率和容量相互独立,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,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。
目前,钠硫和液流电池均已实现商业化运作,MW级钠硫和100kW级液流电池储能系统已步入试验示范阶段。
随着容量和规模的扩大、集成技术的日益成熟,储能系统成本将进一步降低,经过安全性和可靠性的长期测试,有望在提高风能/太阳能可再生能源系统的稳定性、平滑用户侧负荷及紧急供电等方面发挥重要作用。
3电力储能技术在电力系统中的应用实例
3.1抽水蓄能系统
日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期,到目前为止,美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上,其中:
美国约占3%,日本则超过了10%,中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.530GW,加上日本后达到24.650GW,表4显示了近十年来投入运行的8个大型抽水蓄能电站的情况。
表7国外8个大型抽水蓄能电站的情况
3.2压缩空气储能电站
世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德国建造的Huntdorf电站,装机容量为290MW,换能效率77%,运行至今,累计启动超过7000次,主要用于热备用和平滑负荷。
在美国,McIntosh电站装机容量为100MW,Norton电站装机容量为2.7GW,用于系统调峰;2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas开始建造Markham电站,容量为540MW。
在日本,1998年施工建设北海道三井砂川矿坑储气库,2001年CAES运行,输出功率2MW。
在瑞士,ABB公司正在开发大容量联合循环CAES电站,输出功率442MW,运行时间为8h,贮气空洞采用水封方式。
此外,俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也在长期致力于CAES的开发。
3.3飞轮储能系统
1999年欧洲UrencPower公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮,转速为42000rad/min,2001年1月系统投入运行,充当UPS,储能量达到18MJ。
美国波音公司Phantom工厂研制的高温超导磁浮轴承100kW/5kWh飞轮储能装置,已用于电能质量控制和电力调峰。
部分飞轮储能装置在电力系统中的应用情况见表5。
表8飞轮储能装置在电力系统中应用项目
3.4超导磁储能系统
SMES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发挥了极其重要的作用,表6显示了其中一些应用实例。
表9SMES应用实例
3.5超级电容器储能系统
西门子公司已成功开发出储能量达到21MJ/5.7Wh、最大功率1MW的超级电容器储能系统,并成功安装在德国科隆市750V直流地铁配电网中,该系统由4800支2600F/2.5V超级电容器组成,重量2t,体积2m3,超级电容器组储能效率为95%。
美国TVA电力公司成功开发了200kW超级电容器储能系统,用于大功率直流电机的启动支撑。
3.5.1超级电容器最大的优点:
短时间高功率输出
超级电容器是一种电化学元件,储能过程并不发生化学反应,且储能过程是可逆的,因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次,且不会造成环境污染。
另外,它具有非常高的功率密度,为电池的10-100倍,适用于短时间高功率输出,充电速度快、模式简单,可以采用大电流充电,能在几十秒到数分钟内完成充电过程,是真正意义上的快速充电。
充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性,低温性能优越,超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行,容量随温度的衰减非常小。
超级电容器的特性总结如下:
(1)高功率密度。
超级电容器的内阻很小,并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放,因而它的输出功率密度高达数kW/kg,是任何一个化学电源所无法比拟的,是一般蓄电池的数十倍。
(2)充放电循环寿命很长。
超级电容器在充放电过程中没有发生碘化学反应,因而其循环寿命可达数万次以上,远比蓄电池的充放电循环寿命长。
(3)充电时间短。
超级电容器最短可在几十秒内充电完毕,最长充电不过十几分钟,远快于蓄电池的充电时间。
(4)妥善解决了贮存设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。
一般来说,比能量高的贮能体系其比功率不高,而一个贮能体系的比功率高,则其比能量就不一定很高,许多电池体系就是如此。
超级电容器可以提供1-5kW/kg的高比功率的同时,其比能量可以达到5-20Wh/kg。
将它与蓄电池组结合起来,可构成一个兼有高比能量和高比功率输出的贮能系统。
(5)贮存寿命长。
超级电容器充电后,虽然也有微小的漏电流存在,但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的,并没有出现化学或电化学反应,没有产生新的物质,且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的,因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。
(6)高可靠性。
超级电容器工作过程中没有运动部件,维护工作少,因此超级电容器的可靠性非常高。
表10:
超级电容器与静电电容器、电池的性能参数比较
超级电容器的用途非常广泛,既可以应用于消费类电子产品领域,又可以应用于太阳能能源发电系统、智能电网系统、新能源汽车、工业节能系统、脉冲电源系统等领域。
3.5.2新能源发电系统:
采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性
太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。
太阳能发电分为光伏发电和光热发电,其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。
光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。
自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来,世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。
目前,太阳能光伏发电系统有三个发展方向:
独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。
在独立运行系统中,储能单元一般是必须有的,它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。
目前,国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。
国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。
通过蓄电池组构成的储能系统,能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动,还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升,但是由于
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