1、并聯(lián)儲能系統(tǒng),華北電力大學(xué) 譚偉璞,一、并聯(lián)儲能系統(tǒng),電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電與用電必須同時完成，要求系統(tǒng)始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)中。 如果出現(xiàn)瞬時的功率不平衡，就會造成系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題。 儲能系統(tǒng)可以平抑系統(tǒng)出現(xiàn)的瞬時功率不平衡，起到能量的緩沖平衡作用，可有效提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。 儲能系統(tǒng)的容量越大，對系統(tǒng)提高安全穩(wěn)定性的作用越強。 儲能系統(tǒng)發(fā)揮作用，需與電網(wǎng)連接，連接是通過電力電子裝置實現(xiàn)的。,一、并聯(lián)儲能系統(tǒng),并聯(lián)儲能系統(tǒng)的作用： P282 1. 削峰填谷，改善系統(tǒng)日負荷率，提高發(fā)電設(shè)備利用率，提高電網(wǎng)整體運行效率。 2.儲能系統(tǒng)可作為應(yīng)急備用電源迅速投入系統(tǒng)，提高供電可靠性。 3.適當(dāng)

2、控制的儲能系統(tǒng)可以抑制電壓的異常，提高供電質(zhì)量。 4.將儲能系統(tǒng)與電能轉(zhuǎn)換控制技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)對電網(wǎng)的快速控制，改善電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。,1.1 電力系統(tǒng)中的儲能方式,在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的儲能方式： P281 蓄電池儲能 電容器儲能 抽水儲能 超導(dǎo)儲能 飛輪儲能 壓縮空氣儲能。,1.2 各種儲能方式的比較,小型超導(dǎo) 超導(dǎo) 抽水儲能 壓縮空氣/氣體 電池儲能 飛輪儲能 電容器 效率/%90 90 60 50 70 90 90 儲能容量 低 高 高 高 中/高 中 高 模塊化 是 否 否 否 是 是 是 循環(huán)壽命無限 無限 數(shù)千次 數(shù)千次 百千次無限 數(shù)千次 充電時間分鐘 小時 小時 小時 小時

3、 分鐘 小時 建設(shè)時間 周 年 年 年 月 周 月 環(huán)境影響良好 很好 極大 極大 大 良好 大 電廠規(guī)模 小 大 大 中 大 小 大 可用性 少 開發(fā) 廣泛 有 廣泛 示范 廣泛,二、電池儲能系統(tǒng) Battery Energy Storage Systems,電池儲能系統(tǒng),STATCOM等FACTS裝置，多采用電壓源型逆變器。逆變器的直流單元如采用電容器，則電壓源型逆變器只能與系統(tǒng)進行無功交換，也就是在兩個象限運行。 如果電壓源型逆變器與系統(tǒng)進行有功交換，則逆變器直流單元電容器的電壓將伴隨著吸收或送出有功功率而上升或下降，這將給逆變器的控制帶來困難、增加復(fù)雜性，更直接的結(jié)果是逆變器無法正常工

4、作。 如果電壓源型逆變器的直流單元采用儲能元件，則儲能元件可以存儲系統(tǒng)多余的有功功率，也可在系統(tǒng)有功功率欠缺時送出其存儲的能量。 采用儲能元件作直流單元的逆變器，可四象限工作。 系統(tǒng)中使用最多的儲能元件是蓄電池租電池儲能系統(tǒng)。（Battery Energy Storage Systems） P282,電池儲能系統(tǒng),電池儲能系統(tǒng)(BESS)是將直流電池組與交流電網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來的電壓源型逆變器。它在電網(wǎng)中的作用象其他同步裝置一樣，即可給系統(tǒng)提供無功支持，又可與系統(tǒng)進行有功交換。 任何一個BESS都必須通過一定的控制策略，控制電池組的充放電周期以維持直流電源電壓的恒定。 BESS多用于平衡負荷變化及作為

5、旋轉(zhuǎn)能量儲備，它有許多非常有益的作用效果，最突出的是提高輸電的穩(wěn)定性及給系統(tǒng)提供有力的有功支持。美國的研究結(jié)果表明，在受到輸電穩(wěn)定極限限制的南加州輸電線路上，在新諾安裝10MW的BESS使亞利桑納的輸送能力提高了幾百MW。,電池儲能系統(tǒng),電池儲能系統(tǒng)(BESS)的優(yōu)點： P283 BESS的基本原理與模型： P283 BESS的控制系統(tǒng)： P285 電池儲能系統(tǒng)的核心是儲能元件。根據(jù)應(yīng)用場合、充放電特性、單元容量及運行維護等因素，用作儲能元件的電池有多種類型。,電池儲能系統(tǒng)-0,一、電池的種類： 鋰電池 ：鋰亞電池、鋰錳電池 （相機等） 鎳氫電池 ：手機、手表 鎳鎘電池 ：手機、手表 堿錳電池

6、 ：日常家用 鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead）： 工業(yè)廣泛應(yīng)用,電池儲能系統(tǒng)-1,鋰亞電池產(chǎn)品特點： 1. 鋰亞硫酰氯電池額定電壓3.6V，是目前鋰電池系列中電壓最高的； 2. 鋰亞硫酰氯電池是實際使用電池中能量最高的一種電池(500 wh/kg,1000wh/dm3); 3. 常溫中等電流密度放電時，放電曲線極為平坦,90%的容量范圍內(nèi)工作平臺保持不變； 4. 電池可以在-40C-+85C范圍內(nèi)正常工作。-40C時的容量約為常溫容量的50%，表現(xiàn)出極為優(yōu)良的高低溫性能; 5. 年自放電率=1%; 貯存壽命10 年以上; 主要用途： 智能水表氣表電表、實時時鐘、后備記憶電

7、源、各種儀器、儀表、設(shè)備。高能量用于不同類型軍事電子裝置和通訊設(shè)備（便攜式電臺、夜視儀、導(dǎo)航用全球定位裝置、數(shù)據(jù)終端設(shè)備、測距器），水下武器、聲納浮標、地雷、導(dǎo)彈、雷達等,電池儲能系統(tǒng)-2,鋰錳電池產(chǎn)品特點： 電壓高，單只工作電壓2.8V3.2V。 比能量高，C型電池可達到270Wh/kg和510Wh/L。 使用溫度范圍寬，可在-40C+70C下工作。 性能穩(wěn)定，儲存期長，低率放電電壓平穩(wěn)，無電壓滯后現(xiàn)象，自放電小。 可以大電流放電。 安全性好，無公害。 用途： 鋰錳柱式電池可應(yīng)用在照相機、攝像機、收單機、袖珍錄放機以及計算機的記憶電 路上。還可以應(yīng)用在許多民用、軍用及通訊設(shè)備上。,電池儲能系

8、統(tǒng)-3,鎳氫電池特征： 高容量，容量離散度小 低內(nèi)阻 AA: 15-20 m; AAA: 20-25 m SC:3.5-4.0 m 長壽命，壽命可達500次 自放電小，50oC靜置7天，自放電小于15% ；室溫28天，自放電小于20% 大電流充放電，動力電池10C放電，性能達到IEC標準。 耐過充，充電過程電池內(nèi)壓低。,電池儲能系統(tǒng)-4,鎳鎘電池特點： 耐高低溫（40度至55度）。 壽命長（1020）年，少維護。 廣泛應(yīng)用于直流屏、變電站、內(nèi)燃機車、AGV車、柴油機啟動、發(fā)電機啟動、電廠、備用電源等領(lǐng)域。產(chǎn)品有GN、GNZ、GNC系列。,電池儲能系統(tǒng)-5,鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 蓄電池是1

9、859年由普蘭特(Plante)發(fā)明的，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對優(yōu)勢。這是因為其價格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點。 到20世紀初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進，提高了能量密度、循環(huán)壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個主要缺點：充電末期水會分解為氫，氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護工作繁重；氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。,電池儲能系統(tǒng)-6,1912年ThomasEdison發(fā)表專利，提出在單體電池的上部空間使用鉑絲，在有電流通過時，鉑被加熱，

10、成為氫、氧化合的催化劑，使析出的H2與O2重新化合，返回電解液中。但該專利未能付諸實現(xiàn)：鉑催化劑很快失效；氣體不是按氫2氧1的化學(xué)計量數(shù)析出，電池內(nèi)部仍有氣體發(fā)生；存在爆炸的危險。 60年代，美國Gates公司發(fā)明鉛鈣合金，引起了密封鉛酸蓄電池開發(fā)熱，世界各大電池公司投入大量人力物力進行開發(fā)。 1969年，美國登月計劃實施，密封閥控鉛酸蓄電池和鎘鎳電池被列入月球車用動力電源，最后鎘鎳電池被采用，但密封鉛酸蓄電池技術(shù)從此得到發(fā)展。,電池儲能系統(tǒng)-6,1969-1970年，美國EC公司制造了大約350,000只小型密封鉛酸蓄電池，該電池采用玻璃纖維棉隔板，貧液式系統(tǒng)，這是最早的商業(yè)用閥控式鉛酸蓄電

11、池，但當(dāng)時尚未認識到其氧再化合原理。 1975年，GatesRutter公司在經(jīng)過許多年努力并付出高昂代價的情況下，獲得了一項D型密封鉛酸干電池的發(fā)明專利，成為今天VRLA的電池原型。 1979年，GNB公司在購買Gates公司的專利后，又發(fā)明了MFX正板柵專利合金，開始大規(guī)模宣傳并生產(chǎn)大容量吸液式密封免維護鉛酸蓄電池。 1984年，VRLA電池在美國和歐洲得到小范圍應(yīng)用。 1987年，隨著電信業(yè)的飛速發(fā)展，VRLA電池在電信部門得到迅速推廣使用。,電池儲能系統(tǒng) 之 工業(yè)主流產(chǎn)品鉛酸蓄電池,二、鉛酸蓄電池,2.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史 蓄電池是1859年由普蘭特(Plante)發(fā)明的，至今已有

12、一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對優(yōu)勢。這是因為其價格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點。 到20世紀初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進，提高了能量密度、循環(huán)壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個主要缺點：充電末期水會分解為氫，氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護工作繁重；氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。,2.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史,1912年ThomasEdison發(fā)表專利，提出在單體電池的上部空間使用鉑絲，在有電流通過時，鉑被加熱，成為氫、氧化合的催化劑，使析出的H2

13、與O2重新化合，返回電解液中。但該專利未能付諸實現(xiàn)：鉑催化劑很快失效；氣體不是按氫2氧1的化學(xué)計量數(shù)析出，電池內(nèi)部仍有氣體發(fā)生；存在爆炸的危險。 60年代，美國Gates公司發(fā)明鉛鈣合金，引起了密封鉛酸蓄電池開發(fā)熱，世界各大電池公司投入大量人力物力進行開發(fā)。 1969年，美國登月計劃實施，密封閥控鉛酸蓄電池和鎘鎳電池被列入月球車用動力電源，最后鎘鎳電池被采用，但密封鉛酸蓄電池技術(shù)從此得到發(fā)展。,2.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史,1969-1970年，美國EC公司制造了大約350,000只小型密封鉛酸蓄電池，該電池采用玻璃纖維棉隔板，貧液式系統(tǒng)，這是最早的商業(yè)用閥控式鉛酸蓄電池，但當(dāng)時尚未認識到其氧

14、再化合原理。 1975年，GatesRutter公司在經(jīng)過許多年努力并付出高昂代價的情況下，獲得了一項D型密封鉛酸干電池的發(fā)明專利，成為今天VRLA的電池原型。 1979年，GNB公司在購買Gates公司的專利后，又發(fā)明了MFX正板柵專利合金，開始大規(guī)模宣傳并生產(chǎn)大容量吸液式密封免維護鉛酸蓄電池。 1984年，VRLA電池在美國和歐洲得到小范圍應(yīng)用。 1987年，隨著電信業(yè)的飛速發(fā)展，VRLA電池在電信部門得到迅速推廣使用。,2.2 鉛酸蓄電池的定義,閥控式鉛酸蓄電池的定義 閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱VRLA電池)，其基本特點是使

15、用期間不用加酸加水維護，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥(也叫安全閥)，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示)，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關(guān)閥，防止空氣進入電池內(nèi)部。,2.3 鉛酸蓄電池的分類,閥控式鉛酸蓄電池的分類 閥控式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種，AGM采用吸附式玻璃纖維棉(Absorbed GlassMat)作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，貧電液設(shè)計，電池內(nèi)無流動的電解液,電池可以立放工作，也可以臥放工作；膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。

16、目前文獻和會議討論的VRLA電池除非特別指明，皆指AGM電池。,2.4 閥控式鉛酸蓄電池的原理,閥控式鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)原理 閥控式鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)原理就是充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池內(nèi)儲存起來，放電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給外系統(tǒng)。其充電和放電過程是通過電化學(xué)反應(yīng)完成的。 充電過程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)正極充電到70時，開始析出氧氣，負極充電到90時開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不能重新復(fù)合得用，電池就會失水干涸。,早期的傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池，由于氫氧氣的析出及從電池內(nèi)部逸出，不能進行氣體的再復(fù)合，是需經(jīng)常加酸加水維護的重要原因。 閥控式鉛酸蓄電池能在電池內(nèi)部對氧氣再

17、復(fù)合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點。,2.4 閥控式鉛酸蓄電池的原理,2.4.1 閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理,閥控式鉛酸蓄電池采用負極活性物質(zhì)過量設(shè)計，AG或GEL電解液吸附系統(tǒng)，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣通過AGM或GEL空隙擴散到負極，與負極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)變成水，使負極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達不到析氫過電位，所以負極不會由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護。,2.4.1 閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理,在閥控式鉛酸蓄電池中，負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而被氧化成一氧化鉛，另

18、一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進行還原反應(yīng)，由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。 在電池內(nèi)部，若要使氧的復(fù)合反應(yīng)能夠進行，必須使氧氣從正極擴散到負極。氧的移動過程越容易，氧循環(huán)就越容易建立。,2.4.1 閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理,在閥控式蓄電池內(nèi)部，氧以兩種方式傳輸：一是溶解在電解液中的方式，即通過在液相中的擴散，到達負極表面；二是以氣相的形式擴散到負極表面。傳統(tǒng)富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區(qū)H2S04溶液中溶解，然后依靠在液相中擴散到負極。 如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴散大得多。,2.4.1 閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理,

19、充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負極化合了氧，產(chǎn)生一輕微的真空，于是正、負間的壓差將推動氣相氧經(jīng)過電極間的氣體通道向負極移動。閥控式鉛蓄電池的設(shè)計提供了這種通道，從而使閥控式電池在浮充所要求的電壓范圍下工作，而不損失水。,2.4.1 閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理,對于氧循環(huán)反應(yīng)效率，AGM電池具有良好的密封反應(yīng)效率，在貧液狀態(tài)下氧復(fù)合效率可達99以上；膠體電池氧再復(fù)合效率相對小些，在干裂狀態(tài)下，可達70-90；富液式電池幾乎不建立氧再化合反應(yīng)，其密封反應(yīng)效率幾乎為零。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),一、開路電壓與工作電壓： 11開路電壓：電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電

20、壓。電池的開路電壓等于電池的正極的電極電勢與負極電極電勢之差。 12工作電壓：工作電壓指電池接通負載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。 電池在接通負載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),二、容量： 電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號C表示。常用的單位為安培小時，簡稱安時(Ah)或毫安時(mAh)。電池的容量可以分為理論容量，額定容量，實際容量。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，

21、常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/1或Ah/kg。 實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。 額定容量也叫保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標準，保證電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),三、內(nèi)阻：電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化與濃差極化。內(nèi)阻的存在，使電池放電時的端電壓低于電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。 電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，在充放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和不斷

22、地改變。 歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關(guān)系，常隨電流密度和溫度都在不斷地改變。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),四、能量： 電池的能量是指在一定放電制度下，蓄電池所能給出的電能，通常用瓦時(Wh)表示。 電池的能量分為理論能量和實際能量。理論能量W理可用理論容量和電動勢(E)的乘積表示，即： W理=C理E 實際能量為一定放電條件下的實際容量C實與平均工作電壓U平的乘積，即： W實=C實U平,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),常用比能量來比較不同的電池系統(tǒng)。比能量是指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的電能，單位分別是Wh/kg或Wh/l。 比能量有理論比能量

23、和實際比能量之分。前者指lkg電池反應(yīng)物質(zhì)完全放電時理論上所能輸出的能量。 實際比能量為lkg電池反應(yīng)物質(zhì)所能輸出的實際能量。 由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠小于理論比能量。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠小于理論比能量。實際比能量和理論比能量的關(guān)系可表示為： W實W理KVKRKm 式中KV -電壓效率；KR -反應(yīng)效率；Km質(zhì)量效率。 電壓效率是指電池的工作電壓與電動勢的比值。電池放電時，由于電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆壓降，工作電壓小于電動勢。反應(yīng)效率表示活性物質(zhì)的利用率。 電池的比能量是綜合性指標，反映電池的質(zhì)量水平。,2.5 閥控式鉛酸

24、蓄電池的性能參數(shù),五、功率與比功率： 功率是指電池在一定放電制度下，于單位時間內(nèi)所給出能量的大小，單位為W(瓦)或kW(千瓦)。 單位質(zhì)量電池所能給出的功率稱為比功率，單位為W/kg或kW/kg。比功率是電池重要的性能指標之一。電池的比功率大，表示它可以承受大電流放電。 蓄電池的比能量和比功率性能是電池選型時的重要參數(shù)。因為電池要與用電的儀器、儀表、電動機器等互相配套，為了滿足要求，首先要根據(jù)用電設(shè)備要求的功率大小來選擇電池類型。 最終確定選用電池的類型要綜合考慮質(zhì)量、體積，比能量、使用的溫度范圍和價格等因素。,2.5 閥控式鉛酸蓄電池的性能參數(shù),六、電池的使用壽命： 在規(guī)定條件下，電池的有效

25、壽命期限稱為電池的使用壽命。 蓄電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達不到規(guī)范要求時蓄電池使用失效，這時電池的使用壽命終止。 蓄電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限指蓄電池可供使用的時間，包括蓄電池的存放時間。使用周期指蓄電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。,2.6 閥控式鉛酸蓄電池的自放電,1.自放電的原因： 自放電指電池在存儲期間容量降低的現(xiàn)象。電池開路時由于自放電使電池容量損失。 自放電通常主要在負極，因為負極活性物質(zhì)為較活潑的海綿狀鉛電極，在電解液中其電勢比氫負，可發(fā)生置換反應(yīng)。若在電極中存在著析氫過電位低的金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)和負極活性物質(zhì)能腐蝕電池，結(jié)果負極金屬自溶解，并伴有氫氣

26、析出，從而容量減少。在電解液中雜質(zhì)起著同樣的有害作用。一般正極的自放電不大。正極為強氧化劑，若在電解液中或隔膜上存在易于被氧化的雜質(zhì)，也會引起正極活性物質(zhì)的還原，從而減少容量。,2.6 閥控式鉛酸蓄電池的自放電,2.自放電率 自放電率用單位時間容量降低的百分數(shù)表示。 式中：Ca-電池存貯前的容量(Ah) Cb-電池存貯后的容量(Ah) T一電池貯存的時間，常用天、月計算。,2.7 閥控式鉛酸蓄電池的安全閥,安全閥是閥控電池的一個關(guān)鍵部件，安全閥質(zhì)量的好壞直接影響電池使用壽命，均勻性和安全性。根據(jù)有關(guān)標準和閥控電池的使用情況，安全閥應(yīng)滿足如下技術(shù)條件： 單向開閥； 單向密封，可防止空氣進入電池內(nèi)

27、部； 同一組電池各安全閥之間的開閉壓力之差不應(yīng)超過平均值的20； 壽命不應(yīng)低于15年； 濾酸，可防止酸和酸霧從安全閥排氣口排出； 隔爆，電池外部遇明火時電池內(nèi)部不應(yīng)引爆； 抗震，在運輸和使用期間，安全閥不會因震動和多次開閉而松動失效； 耐酸； 耐高、低溫。 目前市場使用的安全閥主要有：柱式、帽式和傘形安全閥,2.8 對閥控式鉛酸蓄電池容量的影響因素,1、放電率對電池容量的影響： 鉛酸蓄電池的容量隨放電倍率增大而降低。 在考慮鉛酸蓄電池的容量時，必須指明放電的時率或倍率。電池容量隨放電時率或倍率不同而不同。 放電倍率越高，放電電流密度越大，電流在電極上分布越不均勻，電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近

28、的表面上，從而在電極的最外表面優(yōu)先生成PbSO4。于是放電產(chǎn)物硫酸鉛堵塞多孔電極的孔口，電解液不能充分供應(yīng)電極內(nèi)部反應(yīng)的需要，電極內(nèi)部物質(zhì)不能得到充分利用，因而高倍率放電時容量降低。,2.8 對閥控式鉛酸蓄電池容量的影響因素,2、 溫度對電池容量的影響 環(huán)境溫度對電池的容量影響很大，隨著環(huán)境溫度的降低容量減小。環(huán)境溫度變化1時的電池容量變化稱為容量的溫度系數(shù)。 根據(jù)國家標準，如環(huán)境溫度不是25，則需將實測容量按以下公式換算成25基準溫度 時的實際容量Ce，其值應(yīng)符合標準。 公式中：t是放電時的環(huán)境溫度 K是溫度系數(shù)，10hr的容量實驗時K=0.006/，3hr的容量實驗時K=0.008/，1h

29、r的容量實驗時K=0.01/,2.9 閥控式鉛酸蓄電池的安裝注意事項,1、不能將容量、性能和新舊程度不同的電池連在一起使用。 2、連接螺絲必須擰緊，臟污和松散的連接會引起電池打火爆炸，因此要仔細檢查。 3、安裝末端連接線和導(dǎo)通電池系統(tǒng)前，應(yīng)再次檢查系統(tǒng)的總電壓和極性連接，以保證正確接線。 4、由于電池組電壓較高，存在著電擊的危險，因此裝卸、連接時應(yīng)使用絕緣工具與防護，防止短路。 5、電池不要安裝在密閉的設(shè)備和房間內(nèi)，應(yīng)有良好通風(fēng)，最好安裝空調(diào)。電池要遠離熱源和易產(chǎn)生火花的地方；要避免陽光直射。,2.10 閥控式鉛酸蓄電池的其他問題,1、運行充電：蓄電池荷電出廠，由于自放電，投運前要作補充。 2

30、、浮充充電：蓄電池在現(xiàn)場的工作方式主要是浮充工作制，在使用中將蓄電池組和整流器設(shè)備并接在負載回路。 3、均充電壓和頻率：當(dāng)電池浮充電壓偏低或電池放電后需要再充電或電池組容量不足時，需要對電池組進行均衡充電，合適的均充電壓和均充頻率是保證電池長壽命的基礎(chǔ)。 4、蓄電池充電注意事項：電池在安裝后及放電后應(yīng)及時進行充電，避免過放電或欠充而造成容量下降。 5、相比同類產(chǎn)品的優(yōu)勢：(1) 技術(shù)領(lǐng)先 (2)安全可靠 結(jié)構(gòu)、體積比能量 、重量比能量、壽命 正常浮充壽命大于10年，北京市話局、上海市話局、內(nèi)蒙元寶山電廠已使用十年以上，目前容量仍達100。,三、超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng) Superconducting M

31、agnetic Energy Storage,三、超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng),超導(dǎo)磁儲能（SMES）是利用超導(dǎo)磁體儲存能量時所具有的低損耗和快速響應(yīng)（100ms）的能力，通過電力電子變流器與電力系統(tǒng)連接，組成既能儲存電能（整流方式）又能釋放電能（逆變方式）的快速響應(yīng)裝置。 SMES是把電能存儲在超導(dǎo)線圈中并以磁場能形式儲存的儲能設(shè)備。,3.1 SMES的優(yōu)點,SMES具備的優(yōu)點： 可長期無損耗地重復(fù)儲存能量，轉(zhuǎn)換效率可達95%，而蓄電池儲能重復(fù)次數(shù)一般在10002000次； SMES通過變流器連接電網(wǎng)，響應(yīng)速度快（ms級）； 可建成大功率和大能量系統(tǒng)； 除真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動部分，裝置壽命長； 建造不

32、受地點限制，且維護簡單、污染小。,3.2 SMES的工作原理,在正常工作情況下，系統(tǒng)電流經(jīng)大功率電力電子變流器轉(zhuǎn)換成直流電流注入超導(dǎo)線圈。超導(dǎo)線圈放置在絕對零度的低溫環(huán)境下，能量無損耗，注入的系統(tǒng)電流所含能量全部以磁場能形式儲存起來，超導(dǎo)線圈中恒定地流動著電流。 在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，超導(dǎo)線圈中直流電流經(jīng)變流器轉(zhuǎn)換為交流能量，反送回系統(tǒng)。 SMES控制器一般采用內(nèi)環(huán)、外環(huán)雙閉環(huán)控制器。外環(huán)控制器作為主控制器用于提供內(nèi)環(huán)控制所需要的有功功率和無功功率參考值，這是由SMES本身的特性和系統(tǒng)要求決定的；內(nèi)環(huán)控制器是根據(jù)外環(huán)控制器提供的參考值產(chǎn)生變流器的驅(qū)動信號。,3.3 SMES的拓撲結(jié)構(gòu),SMES

33、的拓撲有兩種：電壓源型和電流源型,3.3 SMES的拓撲結(jié)構(gòu),超導(dǎo)儲能常用的變流器有兩種：電壓源型和電流源型變流器。 電壓源型結(jié)構(gòu)就是將電流源型的超導(dǎo)磁體電流經(jīng)換流器轉(zhuǎn)換成電壓源后，再與電網(wǎng)相聯(lián)。 超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)的能量交換需要換流器和電壓變換電路兩個部分。 電流源型結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁體經(jīng)換流器直接與電網(wǎng)相聯(lián)。 電壓源型電路結(jié)構(gòu)雖然比電流源型結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但電壓源型變流器技術(shù)在可靠性和成熟性方面均優(yōu)于電流源型，而且成本低，應(yīng)用前景較好。大容量的SMES多采用電壓源型變流器與電網(wǎng)相聯(lián)。,3.3 SMES的拓撲結(jié)構(gòu),SMES變流器的主電路由換流器1（電壓回路）和換流器2（電流回路）構(gòu)成，拓撲結(jié)構(gòu)見圖。,3.3

34、.1 SMES的變流器,換流器1：DC/AC變換，通過高頻開關(guān)IGBT的切換，將直流電壓變成高頻脈沖。 高頻變壓器：將電壓回路與電流回路隔離開來；將高壓高頻脈沖降壓至所需的電壓幅值。 換流器2：推挽結(jié)構(gòu)的AC/DC變換器，通過高頻開關(guān)IGBT的切換，將正負周期性變換的電壓轉(zhuǎn)換成單極性的直流電流信號，注入超導(dǎo)磁體。 超導(dǎo)磁體：儲能。 SMES變流器有兩種工作狀態(tài)。,3.3.1.1 SMES變流器的兩種工作狀態(tài),1.磁體充電模式： 在這種工作方式下，功率由換流器1傳送給換流器2。 工作過程如下：換流器1通過高頻開關(guān)切換，將直流輸入電壓變換成高頻電壓，經(jīng)高頻變壓器將電壓降至所需要的幅值，然后送給換流

35、器2，最后到達磁體端實現(xiàn)對超導(dǎo)磁體的充電。 在充電方式下，換流器1和換流器2的高頻開關(guān)管的配合方式為：在電壓側(cè)高頻開關(guān)T5、T8導(dǎo)通時段，電流測高頻開關(guān)T1導(dǎo)通，高頻開關(guān)T2截止；在電壓側(cè)高頻開關(guān)T6、T7導(dǎo)通的時段，電流測高頻開關(guān)T2導(dǎo)通，高頻開關(guān)T1截止。,2.磁體放電模式： 在這種工作方式下，功率由換流器2傳送給換流器1。 工作過程如下：超導(dǎo)磁體儲存的能量首先通過換流器2傳送到高頻變壓器的電流側(cè)，然后通過高頻變壓器升壓后傳送給換流器1，最后經(jīng)換流器1送到直流輸入端。 放電模式與充電模式的工作過程正好相反。在放電方式下，電壓側(cè)高頻開關(guān)T5、T8導(dǎo)通的時段，電流測高頻開關(guān)T2導(dǎo)通，高頻開關(guān)T

36、1截止；電壓側(cè)高頻開關(guān)T6、T7導(dǎo)通的時段，電流測高頻開關(guān)T1導(dǎo)通，高頻開關(guān)T2截止。,3.3.1.1 SMES變流器的兩種工作狀態(tài),3.4 SMES對系統(tǒng)的作用,SMES儲存一定容量的電能、可用于改善供電質(zhì)量、提供系統(tǒng)快速響應(yīng)容量和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)波動時，檢測控制系統(tǒng)立即發(fā)出釋放能量的指令，此時儲存的能量在極短的時間內(nèi)，經(jīng)變換器轉(zhuǎn)化成交流功率輸出，以滿足系統(tǒng)的要求。,3.4 SMES對系統(tǒng)的作用,由于SMES與電網(wǎng)的功率交換非常迅速，且能同時與系統(tǒng)獨立地進行四象限有功功率、無功功率的交換，使得SMES既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可提高電網(wǎng)電壓和頻率的質(zhì)量，從而提高電力品質(zhì)。 SM

37、ES的快速響應(yīng)特性可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，將SMES用于遠距離交流輸電系統(tǒng)可以抑制低頻振蕩現(xiàn)象。 SMES在增大輸電線路的輸送功率極限、縮短故障恢復(fù)時間方面也有著積極的作用。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,1. 美國SMES研究情況: 1971年，在Wisconsin大學(xué)Boom和Peterson帶領(lǐng)下，發(fā)明了一個由超導(dǎo)電感線圈和三相AC/DC橋路組成的電能儲存系統(tǒng)，并對能量在儲存單元與電力系統(tǒng)相互影響中的作用進行了詳細分析和研究。 他們發(fā)現(xiàn)裝置的快速響應(yīng)特性對于抑制電力系統(tǒng)振蕩非常有效。 1972年，LASL（洛斯阿拉莫斯實驗室）開始對SMES的經(jīng)濟可行性展開研究。結(jié)果顯示，SMES在經(jīng)

38、濟性、有效性、可靠性、易建設(shè)性和環(huán)境保護上都是優(yōu)越的。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,1974年，第1臺并網(wǎng)運行的SMES在LASL進行了測試。 1976年到1982年，LASL和BPA（Bonneville Power Administration（美國西部電網(wǎng)Bonneville電力局）合作建成了30MJ/10MW的SMES，該系統(tǒng)成功地抑制了從太平洋西北地區(qū)到南加利福尼亞州1500km的雙回500kV輸電線路的低頻0.35Hz自發(fā)功率振蕩。 1980年代初，1GWh和5GWh的SMES也開始了可行性分析和設(shè)計。 1980年代中期，在BPA安裝了一臺30MJ的SMES來抑制輸電線0.35Hz

39、，300MW的低頻震蕩。系統(tǒng)通過晶閘管的換流橋與電網(wǎng)相連，在控制目標變化時可工作于充電和放電兩種模式，由于受器件本身的限制，兩種工作模式下都從系統(tǒng)吸收無功。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,1988年初，ASC（在美國建立的開發(fā)超導(dǎo)儲能商業(yè)應(yīng)用的超導(dǎo)電公司）研制成功了SSD（用來對超導(dǎo)儲能進行經(jīng)濟評估的系統(tǒng)），并推向了市場。 80年代后期，SDI（Strategic Defense Initiative） 啟動了SMESETM（Engineering Test Model）計劃，開展了方案論證、工程設(shè)計和器件的研制，目的是為儲能調(diào)峰和戰(zhàn)略備用電源開辟新路。 90年代初，美國國家強磁場實驗室與電力部

40、門聯(lián)合，研制了儲能調(diào)峰的3600MJ/100MW SMES?，F(xiàn)在BWX技術(shù)公司建造1.8GJ的SMES用來調(diào)峰及解決阿拉斯加電網(wǎng)電壓波動，提高供電的可靠性。美國 Lockheed Martin公司研制的15kV/30kA超導(dǎo)限流器已于2002年在美國加州Edison變電站投入試驗運行。目前IGC公司和超導(dǎo)電公司已實現(xiàn)了微型SMES裝置的商品化。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,日本SMES研究情況: 1986年，日本成立了超導(dǎo)儲能研究會，任務(wù)是實現(xiàn)超導(dǎo)儲能的實際應(yīng)用，為日本超導(dǎo)儲能技術(shù)的獨立發(fā)展做出貢獻。該研究會現(xiàn)有成員單位50個，包括日本著名的大學(xué)、研究機構(gòu)、公司和工廠。自1980年代中期以來，

41、進行了大量的分析、設(shè)計和試驗研究工作。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,1985年，Kyushu（九州）大學(xué)設(shè)計了一臺100kJ的SMES，用于研究直流輸電中SMES的應(yīng)用和系統(tǒng)穩(wěn)定。Kyushu電力公司于1991年將一臺30kJ的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)聯(lián)接到一臺60kW的水力發(fā)電機上，進行了改善發(fā)電機穩(wěn)定性的試驗，并取得了較好的實驗結(jié)果；而且Kyushu電力公司與Kyushu大學(xué)合作，開展了36MJ的SMES試驗，并設(shè)計建造一臺360MJ/20MW的SMES，并網(wǎng)后進行示范運行，然后將研制一臺1260MJ/500MW的多功能SMES。Kyushu電力公司最近在其所屬的Ariuragawa水電站進行了超導(dǎo)儲

42、能用于系統(tǒng)穩(wěn)定的一系列現(xiàn)場實驗，表明單機系統(tǒng)可由儲能容量為其發(fā)電機容量的10%50%的超導(dǎo)儲能裝置進行穩(wěn)定控制。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,90年代，神戶制鋼所、東芝公司、日立公司、富士電力公司、中部（Chubu）電力公司等也都進行了SMES的相關(guān)設(shè)計和試驗。東京電力公司與日立公司進行合作，對275kV系統(tǒng)進行了含1MJ的SMES的全面系統(tǒng)動模實驗，效果也非常令人滿意。中部電力公司與電力研究發(fā)展中心合作，開展了含1MJ的SMES系統(tǒng)的動模實驗，內(nèi)容包括調(diào)平尖峰負荷、平衡負荷波動、負荷頻率控制、改善動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性等，效果令人鼓舞。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,俄羅斯SMES研究情況: 198

43、8年建成的超導(dǎo)托卡馬克T-15超導(dǎo)磁體，儲能達370MJ760MJ。1990年代以來，俄羅斯國家實驗室建成了12MJ的SMES，并進行了儲能100MJ/電感8H/電流5kA/最強磁場5.4T的SMES設(shè)計。用于研究、儲能達900MJ的SMES也已建造完成。 我國的SMES研究則剛起步。中國科學(xué)院電工研究所1997年研制出一臺300A/220V、25kJ的SMES試驗裝置。清華大學(xué)和一些科研機構(gòu)的SEMS研究工作也處于初級摸索階段。而對于阻尼高壓輸電線路的振蕩，改善線路穩(wěn)定性及供電質(zhì)量的中、大規(guī)模SMES的研究還處于計算機仿真研究階段。,3.5 SMES的發(fā)展狀況,近10年來，超導(dǎo)科學(xué)與材料技術(shù)

44、的進步，使超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用、尤其是在電力方面的應(yīng)用具有了更高的可行性。據(jù)美、日等國的調(diào)查研究機構(gòu)預(yù)測，到2010年，新興的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)市場將超過250億美元，其中在電力系統(tǒng)中為75億美元，占30%；到2020年超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)市場將達到700億美元；在2015年左右，幾乎各種超導(dǎo)電力產(chǎn)品都可達到商品化水平。在超導(dǎo)的電力應(yīng)用中，SMES技術(shù)相對簡單，具有誘人的應(yīng)用前景，是超導(dǎo)電力應(yīng)用的主選課題之一。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，如新的大功率器件的研制、先進的轉(zhuǎn)換電路與變壓器的組合等，為SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。而高性能微處理器的應(yīng)用使得工程上SMES用的控制器的性能變地更加理想。這些因素使得

45、SEMS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣闊。,3.6 SMES的實用技術(shù),如果電感是由超導(dǎo)線圈構(gòu)成，則沒有電阻的損耗，電流在閉合電感中不會消失而長期循環(huán)。在使用此能量時由線圈引出，經(jīng)轉(zhuǎn)換接入系統(tǒng)或供給用戶。 80年代中期高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)為SMES開創(chuàng)了有希望的前景，利用陶瓷金屬超導(dǎo)產(chǎn)生了極大的實用價值。目前已有一些單位在進行高溫超導(dǎo)儲能應(yīng)用于電力系統(tǒng)的研究，但在90年代工程應(yīng)用的仍是鈮鈦合金構(gòu)成的。并非全部超導(dǎo)線圈都采用此合金，因為其線圈的材料和結(jié)構(gòu)都相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。,3.6 SMES的實用技術(shù),3.6 SMES的實用技術(shù),將能量存進電感線圈和將能量自線圈取出送入電力系統(tǒng)都需要功率這個指標，在充能時，假t1開始，見上圖，到t2為止，電能已充到電感的額定電流值，所加的電壓和方能的電壓方向相反，而SMES的特點之一就是在于改變電壓方向來改變功率方向，不論是充電還是放電，電感中的電流方向不變，充能過程中，要使電流增加，必須有電壓，否則電流不會上升，此電壓與上升的電流之積是充電功率瞬時值。,3.6 SMES的實用技術(shù),企業(yè)用超導(dǎo)儲能裝置 在電力系統(tǒng)中除了為調(diào)尖峰負荷和抑制搖擺以外，電力用戶或波動比