电能储存技术在电网运行中的应用

电能储存技术在电网运行中的应用 电能储存技术在电网运行中的应用胡学浩首席专家中国电力科学研究院 2012年10月17日2012-9-71 简历??1946年生于中国上海??1968年毕业于北京清华大学电机系??1982年毕业于中国电力科学研究院研究生院，获硕士学位??1985年获国家科技进步一等奖(电力系统综合程序的开发和应用PSASP)??1986-1988年，美国德州大学阿灵顿分校能源研究中心访问学者??现任中国电力科学研究院首席专家，教授级高工，博导??199<#004699'>3年获国务院政府特殊津贴，1999年获国家人事部中青年有突出贡献专家称号??研究领域:电力系统规划、运行和自动化??近期研究工作:分布式发电、微电网、新能源发电并网技术和智能电网等??发表:60多篇，译、著书9本(合作)2012-9-72 1. 电力系统中应用的几种主要电能储存技术2.电能储存技术的分类和选用原则<#004699'>3.电能储存技术在电网运行中的应用4.电网运行时储能技术与其他技术的配合2012-9-7<#004699'>3 1.电力系统中应用的几种主要电能储存技术??(1)抽水蓄能电站??(2)飞轮储能??(<#004699'>3)压缩空气储能??(4)超导储能(SMES)??(5)超级电容器储能??(6)电池储能??(7)电动汽车储能2012-9-74 (1)抽水蓄能??大规模、集中式能量储存。需要上池和下池，需长距离输电，技术成熟??效率一般约为65%~75% ??负荷响应速度快(10%负荷变化需10 秒钟)，从全停到满载发电约5分钟，从全停到满载抽水约1分钟??具有日调节能 力，适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电(Very-Large Scale PV Power Generation)??到2007年底，我国抽水蓄能电站装机容量约946万千瓦，占全国装机容量71821万千瓦的1.<#004699'>3%，目前正在大规模建设新的大型抽蓄机组(<#004699'>30万千瓦)，估计2010年抽蓄机组总量为2660万千瓦左右，占全国总装机容量95000万千瓦的2.8%左右(需更新)??我国规划到2020年时，投运抽水蓄能总装机容量为5200万千瓦(其中，国网公司4200万千瓦，南网公司1100万千万，约占其时全国总装机容量17.56亿千瓦的<#004699'>3%)，偏少，仅够配合核电，若需配合风电、太阳能光伏发电，则合理的容量应为8000万千瓦左右(约5%)。20<#004699'>30年则应达到1.2亿千瓦~1.4亿千瓦。??目前，抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为<#004699'>3%左右，部分国家超过10%，奥地利达到16.<#004699'>3%，瑞士12%，意大利11%，日本达10% (24.<#004699'>3GW)。从技术水平看，日本较为先进2012-9-75 (2) 飞轮储能:2012-9-76 ??利用大转轮所储存的惯性能量??取决于三方面的技术突破:磁悬浮轴承、高强度材料制成的圆盘和电力电子技术??具有高效(90%), 长寿命(15~<#004699'>30 年), 快速响应时间(毫秒级), 适合于配合配电系统运行以进行频率调节, 可用作一个不带蓄电池的UPS，提高电能质量(供电中断、电压波动等)2012-9-77 ??容量仍然较小、需要降低损耗??在中国，刚刚开始在配电系统中安装使用，如安装在北京<#004699'>306医院(美国设备，项目由电科院电力电子研究所完成，为在北京运行中的第二套装置，2008年投运)，容量为250kVA, 磁悬浮轴承， 能运行15秒，可与备用的柴油发电机配合(第一套装置由其他单位安装在北京某工厂，500kVA ，用于特殊负荷，)??超导磁悬浮轴承技术现在正在美国Boeing Phantom works 开发(50kW/5kWh, 示范工程)2012-9-78 (<#004699'>3)压缩空气储能热交换器2012-9-79 ??至今, 只有德国(Hundorf 站, 1978年, 压缩功率60MW,发电功率290MW, 压缩时间/发电时间=4，2小时连续运行,启动过上万次，可靠率达97%)??美国(Mcintosh, Alabama阿拉巴马州, 1991年, 110MW,压缩时间/发电时间=1.6，如连续输出100MW 可维持26小时，曾因地质不稳定而发生过坍塌事故),??日本(Sunagawa 站,北海道电力公司,1997年, <#004699'>35MW,压缩时间/发电时间=1.17，6 小时连续功率输出)??以色列也有类似项目，但仅作示范，中国无同类工程??它需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有限??它需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于负荷调平和削峰??此类储能技术复杂、条件苛刻、发展缓慢??近来此类技术的研究和开发的热度在不断上升,国家电网公司已立项研究，项目负责人清华大学卢强院士，中国电科院参加，电科院周孝信院士负责建模和分析研究(500kW压缩空气储能发电原型系统开发-储气罐式，10MW压缩空气储能发电系统建设研究)2012-9-710 (4)Super-conducting Magnetic Energy Storage (SMES)Photo courtesy of AMSC2012-9-711 ??由于直接将电能出储存在磁场中，并无能量形式转换，能量的充放电非常快(几毫秒至几十毫秒)，能量密度也很高??适合于用于提高电能质量，增加系统阻尼，改善系统稳定性能，特别是用于抑制低频功率振荡(1978年美国洛斯- 阿拉莫斯实验室LASL开始和建造用于阻尼电力系统振荡的<#004699'>30MJ/10MW，容量很小,仅相当于8.<#004699'>34kWh的超导储能装置，系统于1980年在BPA公司的Tacoma变电站投入运行，能较好地起到了阻尼太平洋西海岸多回平行交流联络线的0.<#004699'>3Hz的低频振荡，但由于设备的制冷方面缺陷，以及与交流输电线并行的高压直流输电线能更好地解决振荡问，该系统现已停运。以后研究的目标转向微型和小型的超导储能装置)??SMES 在电力系统中的应用取决于超导技术的发展(特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方面技术的发展)2012-9-712 (5)超级电容器储能2012-9-71<#004699'>3 ??电能直接储存在电场中，无能量形式转换，充放电时间很快，被广泛地应用于脉冲功率设备中，功率密度也很高??根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小(一般0.5mm以下)，采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。目前已实现电容量0.5-1000F、工作电压12-400V、最大放电电流400-2000A的超级电容器系列产品??超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般耐压,仅有几伏，根据电容储能的能量为,,1/,??,??(,)的公式，尽管电容C很大，但V不大，即它的储能水平受到耐压的限制。如果能把电压提高，则储能将以平方的关系增长??适合用于改善电能质量，由于容量仍然较小，适合与其他储能手段联合使用(如用于电动汽车，和蓄电池联合2012-9-714使用) (6)蓄电池储能VRB-Vanadium Redox Flow Battery全钒液流电池2012-9-715 ZnBr-Zinc Bromine Flow Battery锌溴电池2012-9-716 NaS-Soldium Sulfur Battery钠硫电池2012-9-717 Li-ion-Lithium Ion Battery锂离子电池2012-9-718 Lead-Acid Battery铅酸电池2012-9-719 蓄电池储能的总结??有许多种类、不同特点和成本的蓄电池储能??适用于负荷调平、提高电能质量、辅助可再生能源发电以提供稳定的电力输出??通常制成模块，易于分阶段安装??由于在充放电过程中有能量形式的转换、功率较小，但能量可以做得较大，因此适合与其他储能技术配合使用(如超级电容器、飞轮、超导储能SMES等) ??应用于电力系统时，也必须与电力电子技术结合 9-720 2012- (7)电动汽车储能??插入式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle—PHEV)??纯电动汽车(Battery Electric Vehicle—BEV)??电动汽车的充电模式---双向有序电能供给模式:(V2G模式—Vehicle to Grid)(Vehicles Plug-in with Logic/Control regulated charge/discharge)??电动汽车与电网的能量管理系统通信，并受其控制，实现电动汽车与电网间的能量转换(充、放电)。此种方式下，电动汽车可以作为电能存储设备、备用电源设备来使用2012-9-721 1. 电力系统中应用的几种主要电能储存技术2.电能储存技术的分类和选用原则<#004699'>3.电能储存技术在电网运行中的应用4.电网运行时储能技术 与其他技术的配合2012-9-722 ??主要性能指标(在选择不同储能手段时必须考虑的因数)–(1)能量密度(kWh or MWh)–(2)功率密度(kW or MW)–(<#004699'>3)响应时间(-ms, -s, -minute)–(4)储能效率(充放电效率)–(5)设备寿命(小时或年), 或充放电次数–(6)经济因素(投资成本、运行和维护费用)–(7)安全和环境方面的考虑2012-9-72<#004699'>3 主要应用领域(可分成三类)??(1)power quality & UPS & system stability电能质量、UPS、系统稳定(毫秒至秒级，保证电能质量、系统稳定和防止供电中断)??(2)Bridging power 备供电力(秒级至分钟级，当供电转移时保证供电不间断)??(<#004699'>3)Energy management能量管理(分钟至小时级，适应负荷的需要，如负荷调平)抽水管理能蓄可再生燃料电池量电电源备转 9-724 2012- ??大规模的蓄能手段主要包括抽水蓄能、压缩空气、蓄电池(钠硫电池、液流电池、锂离子电池等)，比较适合于应用于大规模风力发电和太阳能光伏发电并网液流电池蓄能抽水蓄能电站(浙江天荒坪)压缩空气蓄能钠硫电池蓄能2012-9-725 1. 电力系统中应用的几种主要电能储存技术2.电能储存技术的分类和选用原则<#004699'>3.电能储存技术在电网运行中的应用4.电网运行时储能技术与其他技术的配合2012-9-726 电能储存技术在电网运行中的应用??1) 负荷调平(或削峰)–近年来空调 负荷增加很快，往往达一些大城市(如北京、上海)负荷的<#004699'>30%~40% ，而且对气温变化非常敏感(冬季和夏季均有需求)–负荷峰谷差越来越大–电力系统运行人员难以调度，通常他们利用水力发电、集中式抽水蓄能或安装更多的调峰机组(如快速启动的燃气轮机)来与此适应–也可增加常规煤电的调峰能力(如华北电网系统)，但煤电低出力时热效率低下，不停的调峰会导致增加故障、厂用电率增加、发电煤耗上升、检修期缩短、成本增加等问题2012-9-727 –电力短缺有时往往只发生在夏季的白天，峰荷有时还可能是很尖和短暂的，如采用电能储存技术，则新的发电厂、输电线和相应的设备建设就可能推迟–在日本，有些电力公司，如东京电力公司TEPCO , 用钠硫电池[NAS battery—(Natrium拉丁文) Sodium Sulfur Battery] 作为电力系统的储能手段，安装在变电站侧或负荷侧。至2008年，安装总量已达215个系统(<#004699'>302MW) , 其中约2/<#004699'>3 用于负荷(工厂和大楼)调平，仅2009年一年新装90MW，因此，至2009年底的总安装容量达<#004699'>392MW。目前的年生产能力已达到150MW，估计2010年安装150MW(2011年统计数据:全球安装400MW)2012-9-728 2012-9-729 ??2) 提高电能质量–越来越多的电子型负荷，它们对电压很敏感的，特别是对电压暂降(骤降)【voltage dip (sag) 】或对供电短时的中断–如果采用一些储能设备(如蓄电池、飞轮等)，并与无功补偿设备相结合，供电质量就可得到改善2012-9-7<#004699'>30 ??<#004699'>3) 辅助可再生能源发电以获得稳定的电力输出–越来越多的 可再生能源，如风电、太阳能光伏发电接入电力系统–通常电力系统的运行人员调节发电机的输出功率以适应负荷的变化，但如果发电侧本身是间歇式的、不可调的，那么运行人员该怎么办呢,---储能是一种很有效的办法2012-9-7<#004699'>31 –在中国，风电往往通过110kV以上等级的高压输电线将大容量的风电(10 MW 至100MW)接入电力系统(约占80%)，此时往往需要大容量的储能手段–当一个电力系统中的风电比例较小时，通常利用其他常规的发电技术(如煤电、天然气发电)与风电变化的输出相配合。常规的发电技术(如煤电)的热备用和冷备用也应有所增加，但当风电比例较大时，仅用常规手段难以满足调节需求2012-9-7<#004699'>32 12000OnlineForecast D+110000Forecast 4HForecast 2H8000600040002000014.115.116.117.118.119.120.121.1Day??在德国应用风力发电预测技术来协助运行人员的调度(目前中国也已部分实现)，但预测的误差总归会有，预测的精度与时间有关，通常预报时间越短越精确。在风电变化大的情况下，即使预测很精确，归根结底还是需要具备一定的调节和储能手段2012-9-7<#004699'>3<#004699'>3Power [MW] 20000load w/o wind18000load incl. wind1600014000120001000080006000400020000024487296120144168Hours??预测的风电往往被处理成负的负荷，电力系统的运行人员就根据新的负荷曲线来进行调度，风力发电的信用度(credit)较低，只有20%~<#004699'>30% ，或低于10%, 由此常规发电的装机容量几乎与以往相同，只是节省了一些矿物燃料??如果应用储能技术，则风力发电的信用度就会大大增加 2012-9-7<#004699'>34Power [MW] 变化的可再生能源发电会影响电网的运行2012-9-7<#004699'>35 ??据有关统计资料:截止2012年6月，我国并网风电已达5258万千瓦(平均利用小时数:1992小时)，蒙东、蒙西、甘肃、冀北4个地区风电装机分别超过500万千瓦，占当地总装机容量比例分别为22%、21%、20%、26%，发电量分别占40%、12%、11%、9%??据国家风电发展规划，2015年风力发电规模将达到1亿千瓦，2020年达到2亿千瓦，80%以上集中在三北地区，这些地区的风电比例将达很高数值，若无特殊措施，电网将难以运行，增加储能手段是极为重要的措施之一2012-9-7<#004699'>36 在日本，试验安装了钠硫电池来稳定风力发电的输出，效果是非常显著的，但其缺点是需要高昂的投资。图中日本TEPCO公司采用400kW钠硫电池补偿500kW风力发电机，可得到稳定的总输出功率2012-9-7<#004699'>37 ??对于太阳能光伏发电，特别是在边远地区的独立太阳能光伏发电系统，它不与大电力系统相连，此时往往储能设备是必须的(铅酸电池因价格低廉而应用最为普遍)??对安装于屋顶的并网型太阳能光伏发电系统，蓄能设备可用可不用2012-9-7<#004699'>38 2012-9-7<#004699'>39 欧洲JRC (联合研究中心)关于可再生能源应用的新预测??太阳能在20<#004699'>30年后将获得大规模应用，而在2050年时在能源结构中将会占有 较大的份额2012-9-740 中国有85万平方公里的沙漠和沙漠化地区(集中在北部和西北部)，目前正在研究如何在这些地方建设大规模的太阳能光伏发电站柴达木盆地沙漠<#004699'>3.49万平方公里乌兰布和沙漠 巴丹吉林沙漠0.99万平方公里4.4<#004699'>3万平方公里库姆塔格沙漠库布齐沙漠 2.28万平方公里1.61万平方公里古尔班通古特沙漠4.88万平方公里呼和浩特塔克拉马干沙漠 <#004699'>3<#004699'>3.76万平方公里北京西宁 包头龙羊峡水电站247.00亿立方米银川刘家峡水电站 57.00亿立方米青铜峡水电站兰州大柳树水电站5.65亿立方米106.66亿立方米2012-9-741 超大规模太阳能光伏发电站将安装在沙漠地区??如果情况如此，则必须考虑在条件适当地点，开发一系列大型抽水蓄能电站，并同时在负荷侧(或发电侧) -742 安装大量分散型的各类储能设备(如各类小型蓄电池)2012-9 001,>0015909580857075606550554045<#004699'>30<#004699'>3520251015<?? 以往抽水蓄能电站往往建设在受端负荷侧，如江苏田湾核电站送电苏南，抽蓄电站建在无锡、苏州附近较为合理。??据有关研究，对于甘肃、青海等地的千万千瓦级的风电和太阳能光伏发电，就地难于消纳，主要靠外送，外送线路容量与风电场铭牌容量的比例为60%~70%时比较合理，此时，受端落地电价最低约为0.71~0.87元/度电(但仍高于0.4元/度电的煤电落地电价和0.6元/度电的当地风电标杆上网电价)??为了解决部分风电无法消纳问题，除了建设高压输电线路外，还应就地建设一些抽水蓄能电站与之配合??风电出力是随机的、时变的、难以甘肃省风电出力特性控制的<#004699'>30??甘肃风电大部分时间(60%)出 力低于<#004699'>30%2520??导致了电力系统调度和调峰的困难15??如果大型风电场的功率以外送为10主，则外送输电线的输送容量没有5必要按风力发电的最大装机容量考0虑，这需要经过深入研究，一般而言，按60%~70%即可, 如果要全额接受可再生能源发电，则当地的蓄2012-9-74<#004699'>3能手段是必需的 4) 改善电力系统的稳定性能，增加可靠性，作为供电事故备用(蓄电池、飞轮、超导储能SMES 、超级电容器等联合应用)??分布式电能Distributed Energy (DE) = 分布式发电Distributed Generation (DG) +储能Energy Storage (ES)?? 在分布式电能系统中，如果微网与相连之配电网解列而成孤立网的运行方式，则微网中储能是必须的2012-9-744 在美国曾经用6个小型D-SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage),AMSC公司制造，安装在威斯康辛州电网，用于在大扰动中提供有功和无功功率，以稳定系统频率和电压，增加系统阻尼，但总体而言，能量和作用尚小。??每个磁体, <#004699'>3MJ , <#004699'>3MW，维持一秒钟(0.8<#004699'>3kWh), 8Mvar 连续的无功功率??具有2倍的瞬时有功功率的过负荷能力和2.<#004699'>3倍的无功功率的过负荷能力，因此最大的功率输出为6MW 和18.4Mvar2012-9-745 5) 用于缓解输电线路上的功率阻塞(美国电力系统中有相关的报导)2012-9-746 1. 电力系统中应用的几种主要电能储存技术2.电能储存技术的分类和选用原则<#004699'>3.电能储存技术在电网运行中的应用4.电网运行时储能技术 与其他技术的配合2012-9-747 丹麦电力系统与NORDEL 和UCTE电网互联图??丹麦的装机结构中常规电厂总容量比例大于负荷??与外网的联络线输送功率的能力也与风力发电总量相当??所在同步区域中的风力发电总容量目前2012-9-748不超过本区域总装机容量的15% 储能技术在电力系统中的应用还必须和其他各种技术相配合??同步运行系统内要有足够数量的常规电源(煤、水、抽水蓄能机组)与可再生能源发电相配合(省能量、不省装机容量，凤、光与火电、抽水蓄能发电配合外送)，常规电源机组备用容量增加??网络结构变化和输电线路加强，采用必要的FACTS技术调节线路上变化的潮流，控制节点的电压，避免线路上功率阻塞??机组组合和实时优化调度??负荷侧的需求侧管理(Demand Side Management, DSM)需求响应 -749 (Demand Response, DR)等措施2012-9 ??对储能技术未来发展的一些看法:–(1)可再生能源的大规模接入和分布式电源的发展导致大型储能技术(如抽水蓄能)和小型储能技术(如蓄电池、飞轮等)同步发展的格局(有大量应用前景)–(2)不同储能手段的技术进步快慢会大大影响它的应用前景(以锂电池为例)(应用前景取决于技术进步快慢)–(<#004699'>3)不同储能技术的采用，取决于前述的7大因素，但储能技术的经济性在相当大的程度上决定了它的应用前景(目前经济性是主要决定因数，当然国家的扶植政策也很关键)–(4)储能技术在电力系统中的应用还必须和其他各种技术相配合(如机组组合和实时调度、机组备用容量的增加、网络结构变化和输电线路加强、负荷侧的需求侧管理措施等)(不要单纯依赖于储能技术)2012-9-750 xhhu@epri.sgcc4>>谢谢!2012-9-751