電力儲(chǔ)能專題主講人：建筑電氣111電力儲(chǔ)能技術(shù)的意義在人類現(xiàn)代文明的發(fā)展中，電網(wǎng)是迄今為止建造的最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一，從發(fā)電，輸電，配電直到用電，電網(wǎng)與國民經(jīng)濟(jì)和我們普通百姓的日常生活無不息息相關(guān)。但目前實(shí)際狀況是：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)存在智能化程度低、運(yùn)行效率低等諸多亟待解決的問題，另一方面又面臨全球范圍內(nèi)氣候變暖、能源短缺的窘?jīng)r。2003年，美國能源部組織相關(guān)專家對(duì)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行反思和展望，提出了“智能電網(wǎng)”的概念。2010年中國國家電網(wǎng)公司也明確提出了在2020年之前分三個(gè)階段實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)的具體規(guī)劃。發(fā)展智能電網(wǎng)的目標(biāo)是建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定的現(xiàn)代化電網(wǎng)，其中與之相配套的一個(gè)很重要的核心環(huán)節(jié)就是發(fā)展大規(guī)模的電力儲(chǔ)能技術(shù)。大規(guī)模儲(chǔ)能蓄電的作用用于調(diào)節(jié)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性用于電網(wǎng)的“削峰填谷”用于用電大戶的“谷電”蓄電

用于重要部門和重要設(shè)施的應(yīng)急電源及備用電源用于“非并網(wǎng)”風(fēng)電直接利用中的調(diào)節(jié)電源

→『電力儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用舉例』配備上、下游兩個(gè)水庫，負(fù)荷低谷時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負(fù)荷高峰時(shí)抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的水發(fā)電上水庫有無天然徑流匯入純抽水

蓄能電站混合抽水

蓄能電站調(diào)水式抽水

蓄能電站原理應(yīng)用抽水儲(chǔ)能是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和核電站的運(yùn)行效率按一定容量建設(shè)，儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾天，綜合效率在70%~85%之間發(fā)展方向機(jī)組向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，今后的重點(diǎn)將立足于對(duì)振動(dòng)、空蝕、變形、止水和磁特性的研究，著眼于運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機(jī)組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率控制。抽水蓄能電站壓縮空氣儲(chǔ)能電站（compressedairenergystorage,CAES）是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，并將其儲(chǔ)藏在典型壓力7.5MPa

的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。原理在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中，燃料的2/3用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%，同時(shí)可以降低投資費(fèi)用、減少排放。CAES建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。地下儲(chǔ)氣站有多種模式，其中最理想的是水封恒壓儲(chǔ)氣站，能保持輸出恒壓氣體，保障燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。CAES儲(chǔ)氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。100MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)成熟，利用渠氏超導(dǎo)熱管技術(shù)可使系統(tǒng)換能效率達(dá)到90%。大容量化和復(fù)合發(fā)電化將進(jìn)一步降低成本。隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減小儲(chǔ)氣庫容積和提高儲(chǔ)氣壓力至10~14MPa

的需要，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)（micro-CAES）已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。應(yīng)用發(fā)展方向壓縮空氣蓄能電站抽水蓄能電站壓縮空氣儲(chǔ)能電站日、美、西歐等國家和地區(qū)在20世紀(jì)60~70年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水儲(chǔ)能機(jī)組容量占世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量55%以上，其中：美國約占3%，日本超過10%；中國、韓國和泰國3個(gè)國家在建抽水蓄能電站17.53GW，加上日本的在建量達(dá)24.65GW。近年國外投入運(yùn)行的8大抽水蓄能電站：世界上第一個(gè)商業(yè)化CAES電站為1978年在德國建造的Huntdorf

電站，裝機(jī)容量為290MW，換能效率77%，運(yùn)行至今，累計(jì)啟動(dòng)超過7000次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。在美國，McIntosh電站裝機(jī)容量為100MW，Norton電站裝機(jī)容量為2.7GW，用于系統(tǒng)調(diào)峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas開始建造Markham電站，容量為540MW。在日本，1998年施工建設(shè)北海道三井砂川礦坑儲(chǔ)氣庫，2001年CAES運(yùn)行，輸出功率2MW。在瑞士，ABB公司正在開發(fā)大容量聯(lián)合循環(huán)CAES電站，輸出功率442MW，運(yùn)行時(shí)間為8h，貯氣空洞采用水封方式。此外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、以色列等國也在長期致力于CAES的開發(fā)。電站國家裝機(jī)容量/MW投入年份落基山美國7601995錫亞比舍伊朗10001996奧清津Ⅱ日本6001996葛野川日本16001999拉姆它昆泰國10002000金谷德國10602003神流川日本28202005小丸川日本12002007抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能電站的應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能裝置主要包括3個(gè)核心部分：飛輪、電機(jī)和電力電子裝置。他將外界輸入的電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)外界需要電能的時(shí)候，又通過發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負(fù)載，要求空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候損耗非常小。原理飛輪儲(chǔ)能功率密度大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長達(dá)20a，工作溫區(qū)-40~50℃，無噪音、無污染、維護(hù)簡單，主要用于不間斷電源(UPS)/應(yīng)急電源(EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。應(yīng)用隨著對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、軸承支撐系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的深入研究，高強(qiáng)度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)極大地促進(jìn)了儲(chǔ)能飛輪的發(fā)展。磁浮軸承的應(yīng)用、飛輪的大型化以及高速旋轉(zhuǎn)化合軸承載荷密度的進(jìn)一步提高，將使飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用更加廣泛。發(fā)展

方向飛輪儲(chǔ)能超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(SMES)超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理原理應(yīng)用應(yīng)用發(fā)展發(fā)展超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)利用超導(dǎo)體制成的線圈儲(chǔ)存磁場能量，功率輸送時(shí)無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快(ms級(jí))，轉(zhuǎn)換效率高(≥96%)，比容量(1~10Wh/kg)/比功率(10?~10?kW/kg)大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償SMES技術(shù)相對(duì)簡單，沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求目前1~5MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100MJ裝置已投入高壓輸電網(wǎng)運(yùn)行，5GWh裝置已通過可行性分析和技術(shù)論證。SMES的發(fā)展重點(diǎn)在于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運(yùn)行的MJ級(jí)系統(tǒng)，解決高場磁體繞組力學(xué)支撐問題等根據(jù)電化學(xué)雙電層理論，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電荷層間距極小并采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍增加，產(chǎn)生極大的電容量超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合，如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平超級(jí)電容器已經(jīng)歷了三代發(fā)展，形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電流400~2000A系列產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能量達(dá)到30MJ。基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代產(chǎn)品正在開發(fā)中超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)與超級(jí)電容器儲(chǔ)能研發(fā)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用西門子公司儲(chǔ)量21MJ/5.7Wh,

最大功率1MW4800支2600F/2.5V電容器組成，儲(chǔ)效95%地鐵配電美國TVA電力公司200kW用于大功率直流電機(jī)啟動(dòng)支撐飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的部分應(yīng)用：研發(fā)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)技術(shù)特點(diǎn)作用日本四個(gè)綜合研究所8MWh，儲(chǔ)能放電各4h，待機(jī)16h高溫超導(dǎo)磁浮立時(shí)軸承，儲(chǔ)效84%平滑負(fù)荷日本原子力研究所215MW/8GJ輸出電壓18kV,輸出電流6896A，儲(chǔ)效85%UPS美國Vista公司277kWh引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全程調(diào)峰美國馬里蘭大學(xué)(1991)24kWh,

11610~46345rad/min電磁懸浮軸承，輸出恒壓110V/240V，儲(chǔ)效81%電力調(diào)峰美國波音公司100kW/5kWh高溫超導(dǎo)磁浮軸承電力調(diào)峰德國(1996)5MW/100MWh,

2250~4500rad/min超導(dǎo)磁浮軸承，

儲(chǔ)效96%儲(chǔ)能電站歐洲UrencPower公司(2001)轉(zhuǎn)速42000rad/min高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料UPS巴西(2004)額定轉(zhuǎn)速3000rad/min超導(dǎo)與永磁懸浮軸承電壓補(bǔ)償SMES的部分應(yīng)用：超級(jí)電容器系統(tǒng)的部分應(yīng)用：年份應(yīng)用地基本參數(shù)作用1982美國30MJ/10MW抑制系統(tǒng)低頻振蕩和支撐系統(tǒng)電壓1993美國阿拉斯加電網(wǎng)1.8GJ提高電網(wǎng)供電可靠性2000美國威斯康辛某電網(wǎng)6×3MJ/8MVA避免電壓凹陷和短路故障2002美國田納西某電網(wǎng)8×3MJ/8MW維護(hù)輸電網(wǎng)電壓穩(wěn)定2002日本Chubu公司7.3MJ/5MW提供瞬時(shí)電壓補(bǔ)償2003日本Chubu公司1MJ,Bi-2212提供瞬時(shí)電壓跌落2006日本Hosoo電站10MW補(bǔ)償瞬時(shí)電壓跌落2002德國ACCEL150KJ,

Bi-2223用于20kVAUPS系統(tǒng)，與電網(wǎng)相連以提高電能質(zhì)量，同時(shí)發(fā)揮有源電力濾波器作用2001韓國電力研究所1MJ/300VA有效維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2006韓國電力研究所3MJ/750kVA提高敏感負(fù)荷的供電質(zhì)量近年來，飛輪、超導(dǎo)磁和超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)在各國都得到研發(fā)應(yīng)用飛輪、超導(dǎo)磁和超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用電池儲(chǔ)能技術(shù)電池

種類單體標(biāo)稱

電壓/V反應(yīng)式研發(fā)機(jī)構(gòu)鉛酸2.0

主要電池廠家鎳鎘1.0~1.3

主要電池廠家鎳氫1.0~1.3

主要電池廠家鋰

離子3.7主要電池廠家鈉硫2.08

東京電力公司、NGK、上海電力公司全釩

液流1.4VRB、V-FuelPty、住友電工、關(guān)西電力、中國電力科學(xué)研究院電力

儲(chǔ)能

系統(tǒng)

可利

用的

主要

電池各電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本特性電池

種類功率

上限比容量/

(Wh/kg)比功率/

(W/kg)循環(huán)

壽命/次充放電

效率/%自放電/

(%/月)鉛酸數(shù)十MW35~5075~300500~15000~802~5鎳鎘幾十MW75150~30025000~705~20鋰離子幾十kW150~200200~3151000~100000~950~1鈉硫十幾MW150~24090~23025000~90-全釩液流數(shù)百kW80~13050~140130000~80-部分

電池

儲(chǔ)能

系統(tǒng)

性能

比較鉛酸電池在高溫下壽命縮短，與鎳鎘電池類似，具有較低的比能量和比功率，但價(jià)格便宜，構(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛用于電力系統(tǒng)，目前儲(chǔ)能容量達(dá)20MW。但其循環(huán)壽命短，且在制造過程中存在一定環(huán)境污染。鎳鎘等電池效率高、循環(huán)壽命長，但隨著充放電次數(shù)的增加容量會(huì)減少，荷電保持能力有待提高，且因存在重金屬污染已被歐盟組織限用。鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)指標(biāo)往往達(dá)不到單體水平，使用壽命較單體縮短數(shù)倍甚至十幾倍。鈉硫和液流電池被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲(chǔ)能電池。各電池儲(chǔ)能系統(tǒng)比較鉛酸蓄電池系統(tǒng)鈉硫電池系統(tǒng)鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站充當(dāng)備用電源已使用多年，并在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了極其重要的作用國外大型鉛酸蓄電池系統(tǒng)及其功能：東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)研發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位，擁有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，1999年在大仁變電站設(shè)置6MW×8h系統(tǒng)，2004年7月又在Hitachi自動(dòng)化系統(tǒng)工廠安裝了目前世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量9.6MW/57.6MWh；鈉硫電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和負(fù)荷側(cè)成功應(yīng)用100余套，總?cè)萘砍^100MW，其中近2/3用于平滑負(fù)荷。2004年，在美國哥倫比亞空軍基地安裝了12MW/120MWh鈉硫電池系統(tǒng)，充當(dāng)備用電站。鉛酸電池系統(tǒng)

名稱和位置額定功率/容量

(MW/MWh)功能安裝

時(shí)間BEWAG,Berlin(德國)8.5/8.5熱備用、頻率控制1986Crescent,NorthCarolina0.5/0.5峰值調(diào)節(jié)1987Chino,California(美國)10/40熱備用、平衡負(fù)荷1988PREPA,PuertoRico

(波多黎各)20/14熱備用、頻率控制1994Vernon,California(美國)3/4.5提高電能質(zhì)量1995Metlakatla,Alaska(美國)1/1.4提高孤立電網(wǎng)

穩(wěn)定性1997ESCAR,Madrid(西班牙)1/4平衡負(fù)荷20世紀(jì)

90年代后期Herne-Sodingen(德國)1.2/1.2削峰、

提高電能質(zhì)量20世紀(jì)

90年代后期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)——鉛酸蓄電池系統(tǒng)與鈉硫電池系統(tǒng)地點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模功用研發(fā)單位時(shí)間愛爾蘭風(fēng)電場2MW×6h風(fēng)/儲(chǔ)發(fā)電并網(wǎng)加拿大

VRB

Power

Systems

Inc.2006年8月美國猶他州250kW×8h削峰填谷2004年2月澳洲金島風(fēng)場200kW×8h風(fēng)/儲(chǔ)/柴聯(lián)合2003年11月丹麥15kW×8h風(fēng)力/儲(chǔ)能發(fā)電2006年6月南非250kW/520kWh應(yīng)急備用2002年美國

南卡羅來納州30/60kW×2h備用電源2005年10月美國佛羅里達(dá)州2×5kW×4h光伏/儲(chǔ)能發(fā)電2007年7月意大利5kW×4h電信備用電源2006年4月丹麥5kW×4h風(fēng)力/光伏發(fā)電2006年4月加拿大10kWh偏遠(yuǎn)地區(qū)供電2006年3月德國10kWh光/儲(chǔ)并網(wǎng)2005年9月泰國1kWh/12kWh光伏/儲(chǔ)能應(yīng)用V-Fuel

PtyLtd1993年日本200kW/800kWh平穩(wěn)負(fù)載波動(dòng)住友

電工1997年關(guān)西電力450kW/1MWh電站調(diào)峰1999年日本1.5MW/3MWh電能質(zhì)量2001年北海道170kW/1MWh風(fēng)/儲(chǔ)并用系統(tǒng)2001年20世紀(jì)90年代初，英國Innogy

公司成功開發(fā)出5、20和100kW系列多硫化鈉/溴液流儲(chǔ)能電堆，并于2001年和2002年分別在英國和美國各建造了120MWh儲(chǔ)能電站，用于電站調(diào)峰和UPS。2001年，250kW/520kWh全釩液流電池在日本投入商業(yè)運(yùn)營。近十多年來，美國、日本、歐洲等國家相繼將與風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰：電池儲(chǔ)能系統(tǒng)——液流電池系統(tǒng)→『液流儲(chǔ)能電池分類』是一種適合于大規(guī)模蓄電的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，蓄電基礎(chǔ)是由正/負(fù)極活性物質(zhì)——氧化還原電對(duì)組成的電化學(xué)體系液流儲(chǔ)能電池液相儲(chǔ)能體系液相體系的活性物質(zhì)溶于正/負(fù)極電解液中，電極反應(yīng)沒有其他電池常有的固相及形貌改變。多硫化鈉/溴和全釩體系電化學(xué)體系的

改進(jìn)和新體系探索其中全釩液流電池(VRB)的正/負(fù)極電解液為不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸溶液，反應(yīng)物的交叉污染得以緩解，且便于電解液的再生，因此發(fā)展迅速電解液濃度不高，造成VRB能量密度較低由于正/負(fù)極活性離子的相互滲透難以完全避免，且水轉(zhuǎn)移嚴(yán)重，為了提高能效，對(duì)已有電對(duì)的化學(xué)修飾，和對(duì)新體系的探索在不斷深入沉積型儲(chǔ)能體系鋅/溴電池

（半沉積型）新型鉛酸液流