電儲(chǔ)能技術(shù)課件

電儲(chǔ)能技術(shù)課件第1頁/共43頁2內(nèi)容一、背景1.1儲(chǔ)能技術(shù)的背景1.2目前主要的儲(chǔ)能方式1.3電儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀二、若干關(guān)鍵問題以及清華的部分工作2.1電池技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)和管理2.2電力變換裝置及其控制技術(shù)2.3功率預(yù)報(bào)技術(shù)第2頁/共43頁3風(fēng)電場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求1.1

儲(chǔ)能技術(shù)的背景一、背景第3頁/共43頁4智能電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求1.1儲(chǔ)能技術(shù)的背景第4頁/共43頁51.1儲(chǔ)能技術(shù)的背景電動(dòng)汽車對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求

汽車動(dòng)力電氣化已成為全球汽車工業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)和核心；“車輛到電網(wǎng)”(V2G)的概念正在興起，期待其作為電力系統(tǒng)“削峰填谷”的有效手段之一。SystemSolutionsforHybridandElectricVehicles,TexasInstruments,2010國(guó)家電網(wǎng):支持V2G的快速充電座第5頁/共43頁6不同需求對(duì)充放電速度和容量的要求ChangingtheElectricityGame,IEEE-PEMag,2009,July第6頁/共43頁71.2目前主要的儲(chǔ)能方式按照儲(chǔ)能介質(zhì)形態(tài)分類，目前的電力儲(chǔ)能可分為：化學(xué)儲(chǔ)能：鉛酸電池、鈉硫電池、全釩氧化還原液流電池

電磁儲(chǔ)能：超導(dǎo)儲(chǔ)能、雙電層電容器機(jī)械儲(chǔ)能：如抽水儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能熱/冰儲(chǔ)能：如熱泵儲(chǔ)能、電鍋爐儲(chǔ)能第7頁/共43頁8主要儲(chǔ)能方式比較(2003)1.2目前主要的儲(chǔ)能方式王冉冉,劉玉慶等.飛輪儲(chǔ)能裝置的性能特點(diǎn)及其應(yīng)用展望.電源技術(shù)應(yīng)用.2003第8頁/共43頁91.2目前主要的儲(chǔ)能方式主要儲(chǔ)能方式的比較BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP’2009第9頁/共43頁101.2目前主要的儲(chǔ)能方式主要儲(chǔ)能方式的比較

效率負(fù)載管理技術(shù)成熟經(jīng)濟(jì)性環(huán)境友好電能質(zhì)量壓縮空氣343511蓄水儲(chǔ)能343531氫氣儲(chǔ)能141344飛輪儲(chǔ)能423553超級(jí)電容413153鋰電池443344鈉硫電池3?43234釩電池3?42234BarinA.etal,StorageEnergyManagementWithPowerQualityConcernsTheAnalyticHierarchyProcessAndTheFuzzyLogic,COPEP’2009第10頁/共43頁11日本住友電工(SEI)總裝機(jī)容量：30.8MW（19個(gè)風(fēng)機(jī)）電池組額定容量：6MWhVRB地點(diǎn)：TomamaeWindVilla目的：平滑風(fēng)力發(fā)電輸出功率價(jià)格：不詳1.3電儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀—風(fēng)電場(chǎng)日本礙子公司(NGK)總裝機(jī)容量：51MW電池組額定容量：34MWNAS地點(diǎn)：RokkashomuraWindFarm

目的：平滑風(fēng)力發(fā)電輸出功率;價(jià)格：0.42Euro/kWh第11頁/共43頁12美國(guó)電力公司(AEP)2006年：查爾斯頓一變電站，第一組儲(chǔ)能1MW/7.2MWh的鈉硫電池（左圖）2008年：三個(gè)變電站中設(shè)置了2MW/14.4MWh鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（右圖）2009年：在俄亥俄州投入1MW/250kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，驗(yàn)證分布式儲(chǔ)能裝置對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)整的可行性；2009年：120V/240V上“社區(qū)儲(chǔ)能裝置”(communityenergystorage,CES)，推廣分布式儲(chǔ)能裝置。一個(gè)2MW,14.4MWh蓄電站的組成一個(gè)1MW變電站電儲(chǔ)能裝置10MW饋線負(fù)載的削峰填谷作用1.3電儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀—智能電網(wǎng)第12頁/共43頁13日本豐田公司1997年10月底推出prius2005年12月第二代prius上市2009年5月第三代prius1.3電儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀—電動(dòng)汽車2010/6，財(cái)政部、科技部、工信部和發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布了私人購(gòu)買新能源汽車補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，確定將在上海等5個(gè)城市啟動(dòng)私人購(gòu)買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)工作。國(guó)家對(duì)滿足支持條件的新能源汽車，按3000元/千瓦時(shí)給予補(bǔ)貼。中國(guó)的電動(dòng)汽車示范以及推廣清華純電動(dòng)比亞迪純電動(dòng)QQ第13頁/共43頁141.3電儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀—國(guó)家的幾個(gè)舉措近期幾個(gè)示范工程：（1）張北：風(fēng)光儲(chǔ)一體化示范工程（風(fēng)電30萬千瓦、太陽能光伏電10萬千瓦、化學(xué)儲(chǔ)能7.5萬千瓦，2010年）；（2）廈門：基于液流電池儲(chǔ)能的大型應(yīng)急電源示范工程（國(guó)際會(huì)展中心）；（3）上海：上海世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程·······幾個(gè)計(jì)劃：（1）2010年5月，國(guó)網(wǎng)公司《堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃》

發(fā)電：“大規(guī)模儲(chǔ)能：大型抽水蓄能電站、大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”用電：“智能用電中的“儲(chǔ)能及管理”/電動(dòng)汽車充放電設(shè)備”（2）2010年9月，能源局《新興能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》

規(guī)劃不僅包含先進(jìn)核電、風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等新能源資源的開發(fā)利用，還包括對(duì)傳統(tǒng)能源的升級(jí)變革。實(shí)施以后，到2020年將大大減緩對(duì)煤炭的過度依賴，使當(dāng)年的SO2排放減少約780萬噸、CO2排放減少約12億噸。規(guī)劃期累計(jì)直接增加投資5萬億元，每年增加產(chǎn)值1.5萬億元。第14頁/共43頁152.1電池技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)和管理2.1.1電池技術(shù)2.1.2電池應(yīng)用：狀態(tài)估計(jì)和管理2.2電力變換裝置及其控制技術(shù)2.2.1并網(wǎng)技術(shù)2.2.2多電平逆變器控制技術(shù)二、

若干關(guān)鍵問題

以及清華的部分工作2.3功率預(yù)報(bào)技術(shù)第15頁/共43頁16Fig.Approximatescaleofenergystoragesystemsinstalledbymid-2006,excludingPSHandCAES.(JimMcDowall,StatusandOutlookoftheEnergyStorageMarket,IEEE-PES,2007)2.1電池技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)和管理2.1.1電池技術(shù)傳統(tǒng)儲(chǔ)能電池

（鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池）鋰電池（基本是鋰離子電池）

液流電池（鋅溴電池，釩電池）鈉硫電池（高溫鈉硫）雙層電容器和飛輪超導(dǎo)儲(chǔ)能SMES第16頁/共43頁17鈉硫電池（NAS）及技術(shù)現(xiàn)狀優(yōu)點(diǎn)：(1)理論比能量高達(dá)760Wh/kg，實(shí)際中>100Wh/kg(鉛酸電池的3-5倍)。(2)高效率，實(shí)驗(yàn)室充放電效率高達(dá)89%，實(shí)際效率也高達(dá)80%；沒有自放電現(xiàn)象；容量和功率分別可調(diào)；(3)充放電循環(huán)次數(shù)高達(dá)4500次，壽命可達(dá)10-15年。(4)原材料豐富且易開采，維護(hù)成本低；(5)不含重金屬，環(huán)境友好。缺點(diǎn)：工作溫度高，大電流充放電可能發(fā)生爆炸；技術(shù)難度高。技術(shù)所有：日本NGK；我國(guó)：大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所等原理：鈉和硫分別作為陰極和陽極，陶瓷β-氧化鋁同時(shí)起隔膜和電解液的雙重作用，正常工作溫度范圍在300℃-360℃。高溫下的電極物質(zhì)處于熔融狀態(tài)，使得鈉離子流過β-氧化鋁固態(tài)電解液的電阻大為降低，以獲得電池充放電高效率。第17頁/共43頁18國(guó)際：1976年美國(guó)福特(Ford)公司發(fā)明公布2002年日本東京電力公司(TEPCO)和日本NGK推出鈉硫電池產(chǎn)品

目前只有東京電力和NGK下屬企業(yè)生產(chǎn)鈉硫電池國(guó)內(nèi)：2006年8月上海硅酸鹽研究所與市電力公司開始研發(fā)大容量鈉硫單體電池2007年1月650Ah單體電池試制成功，標(biāo)志我國(guó)掌握單體電池核心技術(shù)2007年8月上海硅酸鹽研究所與市電力公司攻克制備關(guān)鍵技術(shù)，建成中試線鈉硫電池（NAS）及技術(shù)現(xiàn)狀第18頁/共43頁19全釩液流電池（VRB）和技術(shù)現(xiàn)狀優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)電堆與電解液分開，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和功率可分別設(shè)計(jì)。高效率，實(shí)驗(yàn)室充放電效率高達(dá)88%，實(shí)際效率在75%左右，且沒有自放電現(xiàn)象。充放電循環(huán)次數(shù)高達(dá)4000次。原材料豐富(我國(guó)已探明五氧化二釩資源大約1000萬噸，每?jī)?chǔ)存1度電大約需要五氧化二釩5.62公斤);不含重金屬，環(huán)境友好。缺點(diǎn)：能量密度為20Wh/kg，略高于鉛酸電池。技術(shù)所有：日本住友電工，我國(guó)：大連化學(xué)物理所、中南大學(xué)、清華大學(xué)positive：negative：dischargecharge第19頁/共43頁201984年澳大利亞新南威爾士大學(xué)的MariaSkyllas-Kazacos教授提出概念;1993年日本住友電工(SEI)獲得相關(guān)專利，并對(duì)關(guān)鍵材料和設(shè)計(jì)進(jìn)行探索;1998年澳大利亞PinnacleVRB獲得新專利許可，并在1999年將專利授予日本住友電工和加拿大的Vanteck公司;2001年Vanteck公司控股pinnacleVRB，更名為VRBPowerSystems，并開始在大范圍內(nèi)推廣釩電池;我國(guó)于1995年開始VRB的研究工作，研究單位主要有中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所、中科院大連化學(xué)物理所、中南大學(xué)以及清華大學(xué)。全釩液流電池（VRB）和技術(shù)現(xiàn)狀清華大學(xué)5kW釩電池反應(yīng)電堆與電解液儲(chǔ)蓄罐第20頁/共43頁21鋰離子電池（Li-ion）和技術(shù)現(xiàn)狀優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)误w電壓高，能夠到達(dá)3.7-3.8V;比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右;環(huán)保無公害，不含有污染環(huán)境的重金屬，沒有記憶效應(yīng);缺點(diǎn)：電池衰老比較明顯；不耐受過充過放，需要多重保護(hù).鋰離子電池目前以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰，只有鋰離子，因此稱為鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。第21頁/共43頁22鋰離子電池（Li-ion）和技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代M.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池；1981年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一個(gè)可用的鋰離子石墨電極；1991年日本索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池；1996年Goodenough和AkshayaPadhi等人對(duì)鋰離子電池引入磷酸鐵鋰正極。最新數(shù)據(jù)：美國(guó)Altairnano公司使用納米鈦酸鋰代替普通的碳素作為鋰離子電池的負(fù)極，使得制造的鋰離子電池?fù)碛斜容^長(zhǎng)的工作壽命（超過12000次充放電）和比較寬的工作溫度條件（-40℃到55℃）。但電池能量密度比較低100Wh/kg，電池價(jià)格USD2/Wh。第22頁/共43頁232.1.2電池應(yīng)用：狀態(tài)估計(jì)和管理動(dòng)力電池（串聯(lián)）應(yīng)用的三個(gè)問題使用一段時(shí)間后，容量和SOC出現(xiàn)差異充電時(shí)，容量小而SOC大的電池容易過充放電時(shí)，容量小而SOC小的電池容易過放第23頁/共43頁242.1.2電池應(yīng)用：狀態(tài)估計(jì)和管理第24頁/共43頁25電池模型介紹基于模型的SOC估計(jì)方法電化學(xué)模型等效電路模型解析模型隨機(jī)數(shù)學(xué)模型第25頁/共43頁26不同電池模型比較第26頁/共43頁27

電池SOC檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀工程方法放電試驗(yàn)法電壓檢測(cè)法電池阻抗法卡爾曼濾波法安時(shí)積分法線性模型法離線檢測(cè)受電池工作狀況影響較大受電池工作狀況影響較大依賴于電池模型存在累計(jì)誤差存在非線性誤差第27頁/共43頁282.2.1兩種典型拓?fù)?.2.2并網(wǎng)技術(shù)2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)2.2電力變換裝置及其關(guān)鍵技術(shù)大型電儲(chǔ)能裝置的電力變換接口及控制系統(tǒng)為電力電子裝置，其關(guān)鍵技術(shù)與SVG、并網(wǎng)PV裝置等技術(shù)相通。第28頁/共43頁29級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)：不需要變壓器，控制復(fù)雜；并聯(lián)結(jié)構(gòu)：切換方便、安全，變壓器成本高。2.2.1兩種典型拓?fù)涞?9頁/共43頁302.2.2并網(wǎng)技術(shù)–

同步問題難點(diǎn)：瞬時(shí)檢測(cè)正、負(fù)序電壓（現(xiàn)階段需要?周期）;電壓跌落過程的同步問題？硬件方法：模擬（APLL）、數(shù)字（DPLL）、混合（HPLL）軟件方法（SPLL）：隨著處理器能力的提高、算法的成熟，愈受關(guān)注。

國(guó)內(nèi)已有工作：清華大學(xué)袁志昌、劉文華（電機(jī)系）、耿華（自動(dòng)化系）；燕山大學(xué)郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)老師；哈爾濱工大徐殿國(guó)老師；湖南大學(xué)黃純老師。

鎖相環(huán)（PLL）獲取電網(wǎng)電壓頻率和相位并網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電壓預(yù)同步并網(wǎng)后轉(zhuǎn)為電流控制模式第30頁/共43頁312.2.2并網(wǎng)技術(shù)--LVRT目前對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電廠、大型風(fēng)電場(chǎng)和大型PV均有要求。顯然今后對(duì)大型儲(chǔ)能裝備也需要LVRT功能。

例：對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的LVRT要求以及對(duì)策：其他聲音(GeneratorFaultToleranceandGridCodes,IEEE-PEMag.Apl,2010):傳統(tǒng)發(fā)電廠能做到嗎？為何要有這樣的LVRT要求？本質(zhì)：無功供給、輸入有功的有效泄放。第31頁/共43頁32

功率解耦控制技術(shù)直流側(cè)電壓平衡控制技術(shù)：三相平衡、各個(gè)單元平衡容錯(cuò)控制技術(shù)2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——Y/Δ第32頁/共43頁33功率解耦控制技術(shù)：有功控制技術(shù):

無功指令為0，直流母線電壓不定；無功控制技術(shù):

有功指令為0，直流母線電壓恒定。2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)第33頁/共43頁34直流側(cè)電壓平衡控制技術(shù)—硬件控制基于交流母線和直流母線能量交換的直流側(cè)電壓平衡控制方法（、清華劉文華）基于脈沖循環(huán)換位及PWM制動(dòng)的直流側(cè)電壓平衡控制方法2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)第34頁/共43頁35各單元直流側(cè)電壓平衡控制技術(shù)直流側(cè)電壓平衡控制技術(shù)—軟件控制2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)第35頁/共43頁36三相各直流母線電壓控制直流側(cè)電壓平衡控制技術(shù)—軟件控制零序電壓注入/負(fù)序電壓注入零序電流注入/負(fù)序電流注入2.2.3多電平逆變器控制技術(shù)第36頁/共43頁37容錯(cuò)控制技術(shù)

三相級(jí)聯(lián)拓?fù)渲芯嬖谌哂鄦卧月饭收蠁卧月啡哂鄦卧?.2.3多電平逆變器控制技術(shù)第37頁/共43頁3