淺談智能電網(wǎng)中的分布式儲能

1、專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：一班姓名：楊鵬學(xué)號：3013203194淺談智能電網(wǎng)中的分布式儲能摘要：優(yōu)質(zhì)、自愈、平安、清潔、經(jīng)濟和互動是當(dāng)前各國建設(shè)智能電網(wǎng)的共同目標(biāo),儲能環(huán)節(jié)是智能電網(wǎng)構(gòu)建及實現(xiàn)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié),將分布式發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合大大提升了系統(tǒng)的能源利用率,改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟性.儲能技術(shù)將成為未來電網(wǎng)的開展重點之一.本文介紹了分布式儲能技術(shù)的概念,主要類型和開展現(xiàn)狀,以及分布式儲能在智能電網(wǎng)的應(yīng)用.關(guān)鍵詞：分布式儲能智能電網(wǎng)抽水儲能飛輪儲能電池儲能1 .引言目前,全球風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源得到了指數(shù)式的增長,已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的重要組成局部,但由于其具有波動

2、性、隨機性、間歇性的特點,這些愈來愈成為制約新能源開展的障礙,且隨著新能源發(fā)電規(guī)模的繼續(xù)擴大,這個問題將顯得更為迫切.而儲能技術(shù)正是從根本上解決可再生能源發(fā)電接入問題的最有效手段,將充裕的能量儲存起來,用能頂峰期再將這些間歇式能源轉(zhuǎn)換成具有相對統(tǒng)一、穩(wěn)定的輸出,通過儲能系統(tǒng)來彌補可再生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性缺陷,從而實現(xiàn)可再生能源電力平滑并入電網(wǎng).儲能技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊,并得到國家大力支持,科技部發(fā)布了的?國家“十二五科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃?把儲能作為戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域.儲能技術(shù)將為改變現(xiàn)有的電網(wǎng)開展模式提供了可能,幫助可再生能源和智能電網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用,從而實現(xiàn)能源利用效率和性能的最大化,未來有望大

3、范圍應(yīng)用.1.1 分布式儲能技術(shù)概念分布式儲能技術(shù)是指電能通過某種裝置轉(zhuǎn)化成其他形式的能量并且高效存儲起來,需要時所存儲的能量可以方便地轉(zhuǎn)化成需要的能量形式.包括以下兩方面的內(nèi)容,一是高效大容量存儲能量,二是快速高效的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)1.2 分布式儲能的作用電力生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的,發(fā)電、輸電、變電、配電、用電必須時刻保持平衡；電力系統(tǒng)的負(fù)荷存在峰谷差,必須留有很大的備用容量,造成系統(tǒng)設(shè)備運行效率低.應(yīng)用儲能技術(shù)可以對負(fù)荷削峰填谷,提升系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性,減少系統(tǒng)備用需求及停電損失.另外,隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益擴大和分布式發(fā)電技術(shù)的不斷開展,電力儲能系統(tǒng)的重要性也日益凸顯.儲能技術(shù)的應(yīng)用是在傳統(tǒng)

4、電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式根底上增加一個存儲電能的環(huán)節(jié),使原來幾乎完全剛性的系統(tǒng)變得柔性起來,電網(wǎng)運行的平安性、可靠性、經(jīng)濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提升.因此有人將儲能技術(shù)譽為電力生產(chǎn)過程中的第六環(huán)節(jié),電力儲能技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊.同時,分布式儲能是智能電網(wǎng)中最重要的環(huán)節(jié)之一,可以對風(fēng)電廠、光伏發(fā)電站送出的電能進行儲存進入穩(wěn)定送入電網(wǎng),有效解決風(fēng)能和太陽能發(fā)電不穩(wěn)定對電網(wǎng)造成的沖擊.2 .儲能技術(shù)開展現(xiàn)狀2.1 我國分布式儲能技術(shù)開展現(xiàn)狀在大規(guī)模電池儲能裝置技術(shù)方面,我國起步較晚,與國外興旺國家還有較大差距,主要表現(xiàn)在：一是設(shè)備容量規(guī)模還較?。欢窃O(shè)備的壽命短、利用效率低；三是設(shè)備的智能化水平薄

5、弱.在儲能應(yīng)用方面我國距國外先進水平差距也很大,國外已經(jīng)有數(shù)十套儲能電站投入運行,國內(nèi)還沒有大容量電池儲能裝置的示范工程投入運行.目前,我國電池儲能的應(yīng)用規(guī)模還很小,現(xiàn)有系統(tǒng)中儲能容量僅占總裝機容量的1.7%左右,遠沒有到達合理水平,且尚未建立用于瞬態(tài)電能質(zhì)量治理和電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)/補償?shù)目焖俅笕萘績δ芟到y(tǒng),只能依靠繼電保護和平安自動裝置切機,被動到達穩(wěn)定.但隨著國家能源政策的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策逐步落實,其應(yīng)用規(guī)模預(yù)計也將逐步擴大.上海市電力公司已經(jīng)建設(shè)包括漕溪站、前衛(wèi)站、白銀站三個儲能示范電站,電力調(diào)度中央可以直接通過電網(wǎng)儲能治理系統(tǒng)對分布于各地的儲能站實施統(tǒng)一調(diào)度與遠程監(jiān)控BYDft深圳龍

6、崗建立了一座1MW(4MWh)儲能電站.2.2 國外分布式儲能技術(shù)開展現(xiàn)狀近些年來,世界先進儲能技術(shù)得到了各國大力支持,不斷開展,取得了大量成果.加拿大VRBPowerSystem紀(jì)司開始為愛爾蘭建設(shè)迄今為止國際上最大的額定輸出功率2MW稱沖輸出功率3MW)儲能容量12MWhir鈾液流儲能電池系統(tǒng).美國：北美有10個獨立系統(tǒng)運營(ISO)市場.每個市場有多個區(qū)、接口和樞紐.PJM一個1兆瓦-1兆瓦時工程2021年可獲得電網(wǎng)調(diào)節(jié)效勞收入383,000美元.如果一個工程在15年的工程期內(nèi)收到2021年收入113,000美元,內(nèi)部回報率為28%德國：PCFH個1兆瓦-1兆瓦時的鋰離子系統(tǒng)可獲得收入1

7、90,000歐元/兆瓦-233,000歐元/兆瓦.如果其在15年的工程期內(nèi)收到2021年收入208,000歐元,內(nèi)部回報率為15%英國：英國使用儲能技術(shù)的兩個案例是FirmFrequencyResponse(FFR)和FastReserve:日本經(jīng)產(chǎn)省發(fā)起了新一輪針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)的補貼方案,共劃撥了100億日元,給予購置者購置系統(tǒng)價格2/3的資金補貼.日本政府希望通過開展這項方案可以借助儲能提升可再生能源的利用比例,有效地治理峰值負(fù)荷.3 .分布式儲能技術(shù)的分類分布式儲能技術(shù)根據(jù)儲能原理可以分為三大類：機械儲能,電磁儲能和電化學(xué)儲能.其中機械儲能包括：抽水蓄能,壓縮空氣和飛輪儲能；電磁儲

8、能包括：超級電容和超導(dǎo)儲能；電化學(xué)儲能包括：鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全銳液流電池和鋅澳液流電池.各儲能技術(shù)比擬如下表：18功率等級(MW)功率密屋(W/kg)6g(Wh/kg)放電持續(xù)時間舜(%)函抽水蓄能商用100-5000/05-1.5<1謝圾8013000壓縮空氣商用5-300/30-60小50705000飛愴商用0-250400-1600S-L30電秒-分種變05-90>100000電窿軸級電容示寇C-030.05-5300-5000杪分鐘艱95350000禽能超導(dǎo)儲能研發(fā)0-50MO-200005-5室秘力摩9s>100000鉛酸電池商用0-10075-30

9、03050分加-4啕寸堤70901005000電化學(xué)他能鋰離子電池0-2015031575250分a4業(yè)SO95200C-10口00鈉硫電池1-盟.90-230150-240色-小時銀752DOO-45DD全乳液流電池0.03-415-3015-75杵-小時級6S75>10000鐘浪液雌；也0.055050150秒-小時編6070>10000由上表可以看出,所有的儲能方式中只有抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能和鉛酸電池的技術(shù)比擬成熟,已經(jīng)可以滿足商用的要求,而其他儲能技術(shù)無不在示范研發(fā)階段.而技術(shù)成熟的四種儲能技術(shù)其功率等級,轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)也相差很大.超導(dǎo)儲能尚處于研發(fā)階段,目前受制于

10、技術(shù)的進步,短期內(nèi)看不到大規(guī)模應(yīng)用的前景；飛輪儲能轉(zhuǎn)換效率較低,大功率飛輪實現(xiàn)難度大；壓縮空氣儲能對平安要求較高,實現(xiàn)存在一定難度.國內(nèi)主要倡導(dǎo)的是抽水蓄能和電池儲能.抽水蓄能電站技術(shù)成熟、存儲容量大、運行壽命長,適宜于電力系統(tǒng)的大容量儲能,但是受水資源和地理條件的限制.因此,電池儲能的技術(shù)研究是目前分布式發(fā)電領(lǐng)域研究熱點之一.以下為幾種技術(shù)成熟儲能技術(shù)的介紹.3.1 抽水儲能抽水蓄能是電力系統(tǒng)中唯一大規(guī)模采用的電力儲能形式,抽水儲能是投入運行時必須配備上、下游兩個水庫,負(fù)荷低谷時段抽水儲能設(shè)備工作在電動機狀態(tài),將下游水庫的水抽到上游水庫保存,負(fù)荷頂峰時抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機狀態(tài),利用儲存在

11、上游水庫中的水發(fā)電.按上游水庫有無天然徑流匯入分為純抽水、混合抽水和調(diào)水式抽水蓄能電站,建站地點力求水頭高,發(fā)電庫容大,滲漏小,壓力輸水管道短,距離負(fù)荷中央近.抽水儲能電站儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天,綜合效率在70%-85雙間.其最大特點是儲存能量非常大,同時抽水儲能也是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲能技術(shù),非常適合于電力系統(tǒng)調(diào)峰和用作長時間備用電源的場合.如調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動和提供系統(tǒng)的備用容量,還可以提升系統(tǒng)中火電站和核電站的運行效率.由于抽水蓄能電站要求必須同時具備上游水庫和下游水庫的條件,對地理條件要求比擬高,同時還有抽水蓄能電站對生態(tài)環(huán)境的破壞,尤

12、其是移民因素,都限制了抽水蓄能電站的進一步推廣.目前全世界共有超過90GW勺抽水蓄能電站機組投入運行,約占全球總裝機容量的3%3.2 飛輪儲能飛輪儲能是利用電動機帶動飛輪高速運轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來,并在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電,是一個電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的儲能元件,為了減少損耗,大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構(gòu)組成.現(xiàn)代飛輪設(shè)備儲能功率密度5kW/kg,能量密度20Wh/kg,效率在90%Z上,循環(huán)壽命可達20年.飛輪儲能的最大優(yōu)點是幾乎不需要運行維護,設(shè)備壽命長,儲能效率高在采用懸浮軸承后效率還可以進一步提升,清潔無污染,無噪聲,負(fù)荷跟蹤水

13、平強,對環(huán)境沒有不良影響,缺點是能量密度低,費用較高,在小型場合無法表達其優(yōu)勢,主要應(yīng)用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應(yīng)用和長時間儲能應(yīng)用之間的場合,如電能質(zhì)量限制、不間斷電源、電壓穩(wěn)定和電壓調(diào)峰方面.飛輪儲能的主要優(yōu)點有：1儲能密度高；比超導(dǎo)磁儲能、超級電容器儲能和一般的蓄電池都要高.2充放電時間短,且無過充放電問題,壽命長；飛輪儲能充電只需要幾分鐘,而不像化學(xué)電池需要幾個小時的充電時間.飛輪儲能系統(tǒng)的壽命主要取決于其電力電子的壽命,一般可到達20年左右.飛輪儲能技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸有:a技術(shù)本錢相對于蓄電池來說比擬高；b軸承材料還有待進一步的突破；c自放電現(xiàn)象很嚴(yán)重.3.3 電池儲能

14、電池儲能.電池儲能系統(tǒng)主要利用電池正負(fù)極的氧化復(fù)原反響進行充放電,也是人類最早應(yīng)用和應(yīng)用最廣泛的電儲能系統(tǒng)之一,電力系統(tǒng)的使用背景決定了儲能系統(tǒng)應(yīng)具有容量大,效率高,使用壽命長,造價相對低等特點,這就限制了鍥鎘、鋰離子電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,大容量集成的技術(shù)難度和生產(chǎn)維護本錢使得這些電池在相當(dāng)長的時間內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)模化應(yīng)用.而近年出現(xiàn)的鈉硫電池和液流電池滿足了電力系統(tǒng)這方面的需求.鈉硫和液流電池那么被視為新興的、高效的且具廣闊開展前景的大容量電力儲能電池.鈉硫電池儲能密度為140kWh/kg,體積減少到普通鉛酸蓄電池的1/5,系統(tǒng)效率可達80%且循環(huán)壽命超過6000次.鈉硫電池的根本單元

15、是單體電池,將數(shù)百個單體電池組合起來形成模塊,功率可到達數(shù)千千瓦,同時也是利于制造、運輸和安裝.目前在日本和北美已有100余座鈉硫電池電站在運行中,是各種二次電池中最為成熟的技術(shù).鈉硫電池已在日本商用,而且可以供應(yīng)一個中型水泥廠一天的電量,且放電效率幾乎100%液流電池是指電池正負(fù)極活性物質(zhì)主要存在于電解液中,分別裝在兩個儲液罐中,通過送液泵送回電池,電池的正負(fù)極電解液有離子交換膜隔開的電池裝置.最早由ThallerL.H于1974年提出的一種化學(xué)儲能裝置,目前液流電池主要有鈾一浪、全銳和多硫化鈉/澳等多個體系,液流電池電化學(xué)極極小,能夠100麻度放電,儲存壽命長,可以通過增加電解液的量或提升

16、電解質(zhì)的濃度到達增加帶能容量的目的.由于液流電池電池組和電解液儲液罐可以分開放置,因而可以因地制宜的安排相對位置,并可根據(jù)設(shè)置場所的情況自由設(shè)計儲藏形式及隨意選擇形狀.4 .儲能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用4.1 智能電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)(1)輔助動態(tài)運行：通過儲能技術(shù)快速響應(yīng)速度,在輔助動態(tài)運行時提升火電機組的效率,減少碳排放.(2)在系統(tǒng)升級延遲時,取代或延緩新建機組：對于已接近峰值容量的電廠,儲能可降低或延緩對新建發(fā)電機組容量的需求；防止動態(tài)運行對機組壽命的損害,減少設(shè)備維護和設(shè)備更換的費用,延緩設(shè)備報廢時間.4.2 智能電網(wǎng)輸配電側(cè)(1)無功支撐：通過與AGC勺協(xié)調(diào)運行實現(xiàn)儲能設(shè)備無功功率的動態(tài)補償

17、.(2)緩解線路阻塞：儲能系統(tǒng)安裝在阻塞線路的下游,在無阻塞時段充電在高負(fù)荷時段放電,從而減少系統(tǒng)對輸電容量的需求.(3)延緩輸配電擴容升級：在負(fù)荷接近設(shè)備容量的輸配電系統(tǒng)內(nèi),將儲能安裝在原本需要升級的輸配電設(shè)備的下游來延緩或防止擴容；延緩高本錢設(shè)備的報廢時間(老舊變壓器和直埋電纜).(4)變電站直流電源：可用于開關(guān)元件、通訊基站、限制設(shè)備的備用電源直接為直流負(fù)荷供電.4.3 只能電網(wǎng)用戶側(cè)(1)靠性.(2)用戶分時電價治理：在電價較低時儲能充電,在高電價時放電,止匕時用戶用電或向電網(wǎng)售電.(3)容量費用治理：用戶通過儲能系統(tǒng)以減少用電頂峰時段用電需求,到達降低容量費用的目的.4.4 智能電網(wǎng)

18、輔助效勞(1)電壓支撐：利用具有快速響應(yīng)水平的儲能裝置根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求釋放或吸收無功功率,調(diào)整系統(tǒng)電壓(2)調(diào)峰：在用電低谷時為抽水蓄能電站蓄水,在用電頂峰時釋放電能,實現(xiàn)削峰填谷(3)調(diào)頻：對于負(fù)荷和發(fā)電的瞬間不平衡問題,通過對電網(wǎng)中的儲能設(shè)備進行充放電以及限制充放電的速率,實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)、非旋轉(zhuǎn)或補充備用：旋轉(zhuǎn)備用：儲能在線運行,可在發(fā)電或輸電設(shè)備失電10分鐘內(nèi)提供功率支持,10非在線運行,10旋轉(zhuǎn)備用的補充備用,1小時內(nèi)提供支持(5)可再生能源負(fù)荷功率跟蹤：平滑光伏系統(tǒng)/風(fēng)力發(fā)電機的功率輸出；滑負(fù)荷的快速隨機波動；減少碳排放(6)黑啟動支持：在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生災(zāi)難性故障后為發(fā)電設(shè)備提供補充功率維持其5.儲能研究開展趨勢現(xiàn)階段,各種儲能方法都不能完全兼顧平安性、高比功率、高比能量、長使用壽命、技術(shù)成熟以及工作溫度范圍寬等多方面的要求,儲能技術(shù)本錢和性能不夠理想,整體技術(shù)和經(jīng)濟性不夠好是制約儲能技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙,因此可大規(guī)模應(yīng)用于電網(wǎng)中的儲能技術(shù)還有很大的研究前景和開展空間.(1) 研發(fā)高效率低本錢的儲能技術(shù)：現(xiàn)階段本錢過高是儲能技術(shù)大規(guī)模推廣運用的最大瓶頸,提升轉(zhuǎn)換效率和降低本錢是儲能技術(shù)研發(fā)的一個重要環(huán)節(jié).(2) 在智能電網(wǎng)中綜合應(yīng)用各種儲能技術(shù)：由于每種儲能技術(shù)均存在著一定的局限性,并且由于本身的固有特性對其進行改良又要付出很大代價,因此