1、电力储能技术的意义电力储能技术的意义v在人类现代文明的发展中，电网是迄今为止建造的最复杂的系统工程之一，从发电，输电，配电直到用电，电网与国民经济和我们普通百姓的日常生活无不息息相关。但目前实际状况是：一方面传统电网存在智能化程度低、运行效率低等诸多亟待解决的问题，另一方面又面临全球范围内气候变暖、能源短缺的窘况。2003年，美国能源部组织相关专家对电力工业的现状和未来进行反思和展望，提出了“智能电网”的概念。2010年中国国家电网公司也明确提出了在2020年之前分三个阶段实施智能电网建设的具体规划。v发展智能电网的目标是建设节能、环保、高效、可靠、稳定的现代化电网，其中与之相配套的一个很重要
2、的核心环节就是发展大规模的电力储能技术。大规模储能蓄电的作用用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性用于电网的“削峰填谷”用于用电大户的“谷电”蓄电 用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源用于“非并网”风电直接利用中的调节电源 电力储能系统应用举例电力储能系统应用举例配备上、下游两个水库，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上水库有无天然径流汇入纯抽水蓄能电站混合抽水蓄能电站调水式抽水蓄能电站原理应用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、
3、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按一定容量建设，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%之间发 展 方 向机组向高水头、高转速、大容量方向发展，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。抽水蓄能电站压缩空气储能电站（compressed air energy storage, 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 7.5 MPa 的
4、高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。原理 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。 地下储气站有多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，保障燃气轮机稳定运行。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。100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠氏
5、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 1014 MPa 的需要，812 MW 微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。应用发 展 方 向压缩空气蓄能电站抽水蓄能电站压缩空气储能电站 日、美、西欧等国家和地区在20世纪6070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%，日本超过10%；中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW
6、。 近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站： 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 290 MW，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 100 MW，Norton 电站装机容量为2.7GW，用于系统调峰；2005年由 Ridge 和 EI Paso 能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站，容量为 540 MW。 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
7、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。电站电站国家国家装机容量 / MW投入年份投入年份落基山落基山美国美国7601995锡亚比舍锡亚比舍伊朗伊朗1 0001996奥清津奥清津 日本日本6001996葛野川葛野川日本日本1 6001999拉姆它昆拉姆它昆泰国泰国1 0002000金谷金谷德国德国1 0602003神流川神流川日本日本2 8202005小丸川小丸川日本日本1 2002007抽水蓄能与压缩空气储能电站的应用飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和
8、电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。原理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-4050，无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系统的深入研究，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。磁浮轴承的应用、飞轮的大型
9、化以及高速旋转化合轴承载荷密度的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。发展方向飞轮储能超导磁储能系统(SMES)超级电容器储能原理原理应用应用发展发展超导磁储能系统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(96%)，比容量(110 Wh/kg)/比功率(1010 kW/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技术相对简单，没有旋转机械部件和动密封问题。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目前 15 MJ/MW 低温SMES装置已形成产品， 10
10、0MJ 装置已投入高压输电网运行， 5GWh 装置已通过可行性分析和技术论证。SMES的发展重点在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等根据电化学双电层理论，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。由于电荷层间距极小并采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量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量高峰值功率场合，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超级电容器已经历了三代发展
11、，形成电容量 0.5 1000F、工作电压 12400V、最大放电流 400 2000A 系列产品，储能系统最大储能量达到 30MJ。基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代产品正在开发中超导磁储能系统与超级电容器储能研发机构研发机构基本参数基本参数技术特点应用应用西门子公司西门子公司储量储量 21 MJ/5.7Wh,最大功率最大功率 1MW4800支支2600F/2.5V电容器组电容器组成，储效成，储效95%地铁配地铁配电电美国美国 TVA 电力公司电力公司200kW用于大功率直流电机用于大功率直流电机启动支启动支撑撑 飞轮储能系统的部分应用：研发机构研发机构基本参数基本参数技术特点作用
12、作用日本四个综合日本四个综合研究所研究所8MWh，储能放电，储能放电各各4h，待机，待机16h高温超导磁浮立时轴高温超导磁浮立时轴承，储效承，储效84%平滑平滑负荷负荷日本原子力研日本原子力研究所究所215 MW / 8 GJ输出电压输出电压18kV, 输出输出电流电流6896A，储效，储效85%UPS美国Vista公司277kWh引入风力发电系统引入风力发电系统全程全程调峰调峰美国马里兰大美国马里兰大学学(1991)24kWh,1161046345 rad/min电磁悬浮轴承，输出电磁悬浮轴承，输出恒压恒压 110V/ 240V，储，储效效81%电力电力调峰调峰美国波音公司美国波音公司100
13、 kW/ 5 kWh高温超导磁浮轴承高温超导磁浮轴承电力电力调峰调峰德国德国(1996)5MW/100MWh,22504500 rad/min超导磁浮轴承，超导磁浮轴承，储效储效96%储能储能电站电站欧洲欧洲 Urenc Power 公司公司(2001)转速转速 42 000 rad/min高强度碳纤维和玻璃高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料纤维复合材料UPS巴西巴西(2004)额定转速额定转速 3000 rad/min超导与永磁悬浮轴承超导与永磁悬浮轴承电压电压补偿补偿 SMES 的部分应用： 超级电容器系统的部分应用：年份年份应用地应用地基本参数基本参数作用作用1982美国美国30MJ/10M
14、W抑制系统低频振荡抑制系统低频振荡和支撑系统电压和支撑系统电压1993美国阿拉斯加电网美国阿拉斯加电网1.8GJ提高电网供电可靠提高电网供电可靠性性2000美国威斯康辛某电网美国威斯康辛某电网63MJ/8MVA避免电压凹陷和短避免电压凹陷和短路故障路故障2002美国田纳西某电网美国田纳西某电网83MJ/8MW维护输电网电压稳维护输电网电压稳定定2002日本日本Chubu公司公司7.3MJ/5MW提供瞬时电压补偿提供瞬时电压补偿2003日本日本Chubu公司公司1MJ, Bi-2212提供瞬时电压跌落提供瞬时电压跌落2006日本日本Hosoo电站电站10 MW补偿瞬时电压跌落补偿瞬时电压跌落20
15、02德国德国ACCEL150 KJ,Bi-2223用于用于 20 kVA UPS 系统，与电网相连系统，与电网相连以提高电能质量，以提高电能质量，同时发挥有源电力同时发挥有源电力滤波器作用滤波器作用2001韩国电力研究所韩国电力研究所1MJ/300VA有效维护系统稳定有效维护系统稳定运行运行2006韩国电力研究所韩国电力研究所3MJ/750kVA提高敏感负荷的供提高敏感负荷的供电质量电质量近年来，飞轮、超导磁和超级电容器储能技术在各国都得到研发应用飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用电池种类单体标称电压/V反应式研发机构铅酸2.0主要电池厂家镍镉1.01.3主要电池厂家镍氢1.01.3主要电
16、池厂家锂离子3.7主要电池厂家钠硫2.08东京电力公司、NGK、上海电力公司全钒液流1.4VRB、V-Fuel Pty、住友电工、关西电力、中国电力科学研究院电力储能系统可利用的主要电池各电池储能系统的基本特性电池种类功率上限比容量/(Wh/kg)比功率/(W/kg)循环寿命/次充放电效率/%自放电/(%/月)铅酸数十 MW3550753005001 50008025镍镉几十 MW751503002 500070520锂离子几十 kW1502002003151 00010 00009501钠硫十几 MW150240902302 500090-全钒液流数百 kW801305014013 0000
17、80-部 分电 池储 能系 统性 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，已广泛用于电力系统，目前储能容量达 20MW。但其循环寿命短，且在制造过程中存在一定环境污染。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会减少，荷电保持能力有待提高，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。钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。各电池
18、储能系统比较铅酸蓄电池系统钠硫电池系统 铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用 国外大型铅酸蓄电池系统及其功能： 东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国际领先地位，拥有较为成熟的商业化产品，1999年在大仁变电站设置 6MW8h 系统，2004 年 7 月又在 Hitachi 自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠硫电池系统，容量 9.6MW/ 57.6MWh；钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用 100 余套，总容量超过 100MW，其中近 2/3 用于平滑负荷。 2004年，在美国哥伦比亚空军基地安装了 12
19、MW/ 120MWh 钠硫电池系统，充当备用电站。铅酸电池系统铅酸电池系统名称和位置名称和位置额定功额定功率率/容量容量(MW/MWh)功能安装安装时间时间BEWAG, Berlin (德国德国)8.5/8.5热备用、频率控热备用、频率控制制1986Crescent, North Carolina0.5/0.5峰值调节峰值调节1987Chino, California(美国美国)10/40热备用、平衡负热备用、平衡负荷荷1988PREPA, Puerto Rico(波多黎各波多黎各)20/14热备用、频率控热备用、频率控制制1994Vernon, California(美国美国)3/4.5提高
20、电能质量提高电能质量1995Metlakatla, Alaska(美国美国)1/1.4提高孤立电网提高孤立电网稳定性稳定性1997ESCAR, Madrid(西班牙西班牙)1/4平衡负荷平衡负荷20世纪世纪90年代后期年代后期Herne-Sodingen(德国德国)1.2/1.2削峰、削峰、提高电能质量提高电能质量20世纪世纪90年代后期年代后期电池储能系统铅酸蓄电池系统与钠硫电池系统地点地点储能系统规模储能系统规模功用功用研发单位研发单位时间时间爱尔兰风电场爱尔兰风电场2MW6h风风/储发电并网储发电并网加拿大加拿大VRBPowerSystemsInc.2006年年8月月美国犹他州美国犹他州
21、250kW8h削峰填谷削峰填谷2004年年2月月澳洲金岛风场澳洲金岛风场200kW8h风风/储储/柴联合柴联合2003年年11月月丹麦丹麦15kW8h风力风力/储能发电储能发电2006年年6月月南非南非250kW / 520kWh应急备用应急备用2002年年美国美国南卡罗来纳州南卡罗来纳州30/60kW2h备用电源备用电源2005年年10月月美国佛罗里达州美国佛罗里达州25kW4h光伏光伏/储能发电储能发电2007年年7月月意大利意大利5kW4h电信备用电源电信备用电源2006年年4月月丹麦丹麦5kW4h风力风力/光伏发电光伏发电2006年年4月月加拿大加拿大10kWh偏远地区供电偏远地区供电
22、2006年年3月月德国德国10kWh光光/储并网储并网2005年年9月月泰国泰国1kWh/12kWh光伏光伏/储能应用储能应用V-Fuel Pty Ltd1993年年日本日本200kW/ 800kWh平稳负载波动平稳负载波动住友住友电工电工1997年年关西电力关西电力450kW/ 1MWh电站调峰电站调峰1999年年日本日本1.5MW/ 3MWh电能质量电能质量2001年年北海道北海道170kW/ 1MWh风风/储并用系统储并用系统2001年年 20世纪90年代初，英国 Innogy 公司成功开发出5、20和100kW 系列多硫化钠 / 溴液流储能电堆，并于2001年和2002年分别在英国和美
23、国各建造了120MWh储能电站，用于电站调峰和 UPS。 2001年，250kW/520kWh 全钒液流电池在日本投入商业运营。 近十多年来，美国、日本、欧洲等国家相继将与风能/光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站调峰：电池储能系统液流电池系统液流储能电池分类是一种适合于大规模蓄电的电化学储能装置，蓄电基础是由正/负极活性物质氧化还原电对组成的电化学体系液流储能电池液相储能体系 液相体系的活性物质溶于正/负极电解液中，电极反应没有其他电池常有的固相及形貌改变。多硫化钠/溴和全钒体系电化学体系的改进和新体系探索 其中全钒液流电池(VRB)的正/负极电解液为不同价态钒离子的硫酸溶液，反应物
24、的交叉污染得以缓解，且便于电解液的再生，因此发展迅速 电解液浓度不高，造成VRB能量密度较低 由于正/负极活性离子的相互渗透难以完全避免，且水转移严重，为了提高能效，对已有电对的化学修饰，和对新体系的探索在不断深入沉积型储能体系锌/溴电池（半沉积型）新型铅酸液流储能电池（全沉积型）单液流锌/镍储能电池（全沉积型） 沉积型体系是指在充(放)电过程中至少有一个电对的充(放)电产物沉积或原本在电极上。 与液相储能体系不同，该电池容量受限于沉积锌的总量采用酸性甲基璜酸铅溶液 电解液是流动的锌酸盐碱性溶液。电池循环寿命超过千次，能效超过85%。液流储能电池的分类 液流储能电池中，液相体系的研究较多，特别
25、是全钒液流储能电池，已初步商业化运行。 离子交换膜仍是液相储能电池规模化、商品化的瓶颈。 因单液性、无膜或只需价廉的普通微孔隔膜等特点，沉积型体系成为液流储能电池的发展方向。储能类型储能类型额定功率额定功率反应时间反应时间效率效率/ %应用方向应用方向机械机械储能储能抽水蓄能抽水蓄能1002000MW410h6070能量管理，频率控制和系统备用能量管理，频率控制和系统备用CAES100300MW620h4050调峰发电厂、系统备用电源调峰发电厂、系统备用电源Micro-CAES1050MW140h-调峰调峰飞轮储能飞轮储能5kW5MW15s15min7080调峰、频率控制、调峰、频率控制、UP
26、S/EPS、电能质量控制电能质量控制电磁电磁储能储能SMES10kW20MWMs15min8095输配电系统暂态稳定性、提高输电能力、输配电系统暂态稳定性、提高输电能力、电能质量管理、电能质量管理、UPS电容器电容器1100kW1s1min7080电能质量调节、输电系统稳定性电能质量调节、输电系统稳定性超级电容器超级电容器-与柔性交流输电技术相结合与柔性交流输电技术相结合电化电化学储学储能能铅酸电池铅酸电池1kW50MW1min3h6070电能质量控制、系统备用电源、电能质量控制、系统备用电源、黑启动、黑启动、UPS/EPS先进电池技术先进电池技术如如 NaS、Li等等1kW10MW1min数数 h7080平滑负荷、备用电源平滑负荷、备用电源液体电池液体电池10kW100kW120h-分布式、可再生能源系统稳定性、分布式、可再生能源系统稳定性、用户侧平滑负荷、备用电源用户侧平滑负荷、备用电源各种电力存储技术的应用潜力
