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大容量电池储能系统综述


大容量电池储能系统
摘 要 电池储能系统(BESS)是一种新兴的 FACTS 器件。具有控制有功功 率流的能力, 能够同时对接入点的有功功率和无功功率进行调节,为高压输电系 统提供快速的响应容量,有效提高了电力系统的稳定性、可靠性和电能质量。本 文通过阐述电池储能系统的原理,作用以及对比不同储能技术的优缺点,对电池 储能系统进行阐述。 关键词 电池储能系统;功率调节;变

流器;电池组

Large-capacity battery energy storage system
Abstract Battery energy storage system is a new FACTS device. It has the ability to control active power flow and regulate access point active and reactive power simultaneously. It also provide the High-voltage transmission system for the rapid response capacity, and to effectively improve the power system stability, reliability and power quality. This paper describes the principle of energy storage system, the role and compare the advantages and disadvantages of different energy storage technologies, elaborated on the battery energy storage system. Keywords Large-capacity battery energy storage system;Power conditioning; converter;Battery pack;

绪论
1.1 文献综述
迄今为止,发电、输电、配电与用电必须同时完成,这就要求系统始终处于 动态的平衡状态中, 瞬间的不平衡就可能导致安全稳定问题。电池储能系统能快 速、独立地调节有功/无功, 在负荷平定、电能质量治理等方面具有很高的应用 价值。 电力系统中引入储能环节后, 不仅可作为提高系统运行稳定性、 调整频率、 补偿负荷波动的一种手段,也可以有效地实现需求侧管理,有效利用电力设备, 降低供电成本,还可以促进可再生能源的应用。 本文将通过各种储能技术的介绍,对现时国内储能技术的状况进行总结。

1.1 研究框架
研究目标:基于现有的研究成果,比较各种储能技术的应用情况,得出国内 储能技术的发展趋势。 研究内容:简述电池储能系统的工作原理、应用状况及发展趋势。 创新之处:本文通过分析总结现时电池储能的各种方式,比较各种方式的特 点总结电池储能系统的发展趋势。 研究方法:引用理论分析和实例分析相结合的研究方法。

1.2 术语说明
功率补偿:在电力系统中的变电所或直接在电能用户变电所装设无功功率 电源,以改变电力系统中无功功率的流动,从而提高电力系统的电压水平,减小网 络损耗和改善电力系统的动态性能,这种技术措施称为无功功率补偿。 功率因数:在交流电路中,电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因 数,用符号 cosΦ 表示,在数值上,功率因数是有功功率和视在功率的比值,即 cosΦ=P/S。

2. 电池储能系统及其发展现况
2.1 电池储能的原理及用途介绍
2.1.1 电池储能的原理
电池储能系统主要有电池组和变流器两部分组成[1],其变流器主要是基于电 压源型变流器,其基本结构如图1所示。

图1 电池储能系统及电路原理图 电池组部分一般采用技术比较成熟的钠硫电池或铅酸电池, 其中钠硫电池在 能量密度、 使用寿命、 运行效率上有较明显优势, 所以钠硫电池的应用更广泛[2,3]。 变流器的实质是大容量的电压逆变器, 它是连接储能电池和接人电网之间的接口 电路, 实现了电池直流能量和交流电网之间的双向能量传递。图 1 中电池储能系 统等效为一个理想的电压源,其电压的幅值为 U1,电压相角为 θ;串联的 R、L 代表总的功率损耗、线路损耗等;电池储能系统注入电力系统的电流的幅值为 IL,电流相角为 ψ;电力系统的接人点的电压幅值为 US,电压相角为 δ。 在电池储能系统中,电压幅值 U1 和电压相角 θ 都是可以控制的,当我们需 要向系统注入有功功率时,便可以控制 θ>δ,这时电池储能系统的电压相角超前 于系统接人点的电压相角,所以有功功率由电池储能系统流人系统;反之亦然。 当我们需要向系统注入无功功率时,便可以控制 U1>US,这时电池储能系统的电 压幅值高于系统接人点的电压幅值,所以无功功率由电池储能系统流人系统;反 之亦然。可见,适当的调整换流器来控制电池储能系统的电压幅值 U1 和相角 θ, 便可以实现电池储能系统与接人的电力系统之间的有功功率和无功功率的交换。

2.1.2 电池储能系统的作用
储能系统在电力系统中应用的目的主要为电力调峰、 提高系统运行稳定性及 提高电能质量。 1)电力调峰作用 电力生产过程的连续性,要求发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成,因 此发电、供电、用电之间必须随时保持平衡,电力系统内的发电端必须有一定的 备用容量。电力的需求在白天和黑夜、不同季节间存在巨大的峰谷差,从建设成 本和资源保护的角度出发, 通过新增发输配电设备来满足高峰负荷的需求变得越 来越困难。同时,分布式电源得到越来越多的应用,电网可靠性和调峰的要求也

越来越高。 这些特点使得分散的储能系统的重要性日益增加。如果能将夜间多余 的电能储存起来,在白天用电高峰时再释放出来,则可以减少发电设备的投资, 提高电力设备的使用率,减小线路损耗,提高供电可靠性,并获得可观的经济效 益。抽水蓄能电站、电池储能系统就是能起到削峰填谷作用的电能储存系统。 2)提高系统运行稳定性 储能装置用于电力系统稳定控制时, 可以通过快速的电能存取来响应负荷的 波动,吸收多余的能量或补充缺额的能量,实现大功率的动态调节,很好地适应 频率调节和电压与功率因数的校正,从而提高系统运行的稳定性。 3)提高供电质量 对于供电紧张的电力系统来说, 分布式储能系统可以有三种方式来实现可靠 供电:A. 在关键时刻提供辅助电能;B.将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负 荷低谷时刻;C. 在强制停电或供电中断的情况下向用户提供电能。另外,储能 系统还可以通过快速的无功调节来稳定供电端的电压质量。

2.1.3 电池储能系统的发展现状
近年我国电力系统建设正处于快速发展阶段,用电高峰时的供电紧张、有功 无功储备不足、 输配电容量利用率不高和输电效率低等问题都有不同程度的存在。 同时, 越来越多的大型工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量 问题提出更高的要求。这些特点为分散电力储能系统的发展提供了广泛的空间。 而随着大功率逆变器技术的不断成熟,电池技术的不断发展,电池储能系统在电 力系统中的应用前景将越来越广泛。

2.2 主要储能方式的介绍
目前电能储存的形式可分为四类:物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、 飞轮储能等)、电化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超 级电容器等)、电磁储能(如超导电磁储能等)和相变储能(如冰蓄冷等) [4]。

2.2.1 抽水储能
抽水储能技术在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库, 将电能转化 成重力势能储存起来, 在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。抽水储能的 释放时间可以从几个小时到几天,综合效率在70%~85%之间,主要用于电力系统 的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能电站的建设受地形制约, 当电站距离用电区域较远时输电损耗较大。目前,世界范围内抽水蓄能电站总装 机容量9000 万千瓦, 约占全球发电装机容量的3%。我国国家电网公司规划2020 年公司经营区域内抽水蓄能规模将达到2692 万千瓦。

2.2.2 压缩空气储能
压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气, 将空气高压密封在报 废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中,在电网负荷高 峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。 最早实现商业化运营的压缩空气储能系统 于1978 年建于德国, 装机容量为290 兆瓦。另一个成功案例是1991 年建于美国 亚拉巴马州的压缩空气储能系统,它把压缩空气储存在地下450 米的废盐矿中, 可以为110 兆瓦的汽轮机连续提供26 小时的压缩空气。压缩空气储能电站的建 设受地形制约,对地质结构有特殊要求。目前随着分布式电力系统的发展,人们

对于8~12 兆瓦微型压缩空气储能系统(micro- CAES)开始关注

2.2.3 飞轮蓄能
飞轮蓄能利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成机械能储存起来,在 需要时飞轮带动发电机发电。 飞轮系统运行于真空度较高的环境中,其特点是没 有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响,几乎不需要维护,适用于电网 调频和电能质量保障; 缺点是能量密度比较低, 保证系统安全性方面的费用很高, 在小型场合还无法体现其优势,目前主要应用于为蓄电池系统作补充。

2.2.4 钠硫电池
钠硫电池在300℃的高温环境下工作,其正极活性物质是液态硫(S);负极 活性物质是液态金属钠(Na),中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池的主要特点是 能量密度大(是铅蓄电池的3 倍)、充电效率高(可达到80%)、循环寿命比铅 蓄电池长等;然而钠硫电池在工作过程中需要保持高温,有一定安全隐患。东京 电力公司在钠硫电池系统开发方面处于国际领先地位, 2004 年在Hitachi 自动 化系统工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统,容量是9.6MW/57.6MWh[5]。

2.2.5 液流电池
液流电池的活性物质可溶解分装在两大储存槽中,溶液流经液流电池,在离 子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应为可逆的,因此可 达到多次充放电的能力。 此系统之储能容量由储存槽中的电解液容积决定,而输 出功率取决于电池的反应面积。 由于两者可以独立设计,因此系统设计的灵活性 大而且受设置场地限制小。 液流电池已有全钒、钒溴、多硫化钠/ 溴等多个体系,液流电池电化学极化 小,其中全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实 现快速充放电,且寿命长等优点,全钒液流电池已经实现商业化运作,能够有效 平滑风能发电功率。 在日本运营的容量为4 兆瓦的全钒液流电池为当地32兆瓦的 风电场提供储能,并已运行27 万次循环,世界上还没有任何其他储能技术能够 实现这一要求。

2.2.6 锂离子电池
锂离子电池的阴极材料为锂金属氧化物,具有高效率、高能量密度的特点, 并具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应 及无公害等优点。 但目前锂离子电池在大尺寸制造方面存在一定问题,过充控制 的特殊封装要求高,价格昂贵,所以尚不能普遍应用。目前世界上运行的最大锂 离子储能系统是A123 公司投资建设的,装机容量为2 兆瓦。

2.2.7 超级电容器
超级电容器根据电化学双电层理论研制而成,可提供强大的脉冲功率,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。超级电容器历经三代及数十 年的发展,已形成容量0.5~1000F、工作电压12~400 V、最大放电流400~2000 A 系列产品,储能系统最大储能量达30 MJ。但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峰值功率场合,如大功率

直流电机的启动支撑、 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。

2.2.8 超导电磁储能
超导磁储能系统(SMES)利用超导体制成线圈储存磁场能量,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 (1- 10 Wh/kg)/ 比功率(104- 105kW/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。目前,世界上1- 5 MJ/MW 低温SMES 装置已形 成产品, 100 MJ SMES 已投入高压输电网中实际运行,5 GWhSMES 已通过可行 性分析和技术论证。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。和其他储能技术相比,超导电磁储 能仍很昂贵, 除了超导本身的费用外,维持系统低温导致维修频率提高以及产生 的费用也相当可观。 目前, 在世界范围内有许多超导磁储能工程正在进行或者处 于研制阶段。

2.2.9 全钒液流电池
早期的全钒液流电池研究主要集中在澳大利亚的新南威尔士大学。 MariaSkyllas- Kazacos 等提出全钒液流电池体系以后,开展了大量关于电极反 应动力学的基础性研究, 所发表的单电池研究结果,构成了全钒液流电池发展的 基础。1988 年,UNSW提出并开始建造1kW级全钒液流电池堆。该电堆由10 个单 电池组成,电极面积1500 cm2,能量效率可达71.9%~88%。千瓦级电堆的开发和 建造成功具有重大意义, 标志着全钒液流电池开始走出实验室,迈向工程化研发 阶段。 全钒液流电池工程发展的第二个阶段主要集中在日本。从90 年代初开始, 以住友电工(SEI)和Kashima- kita电力公司为首的工业企业先后开发了一系列 规模不一的试验性电堆。 逐步把全钒液流电池系统推向商业化试运营阶段。 目前, 位于日本北海道由J- power 电源开发会社为30 兆瓦的风电场建设的全矾液流 电池,使用最大输出功率6 兆瓦、储能容量6MWh 的全钒电池,成为世界上最大 的全钒液流电池系统。 风电和太阳能等新能源自身的不稳定性和间歇性是对电网的重大挑战, 新能 源并网应用的规模越大,电网就越不安全。根据国内外风光电站并网的实践,借 助储能技术可以实现新能源发电功率的平滑输出,并能在电压、频率及相位控制 上方便地进行控制, 使大规模风电及太阳能电力方便可靠地并入常规电网。从一 定意义上讲, 储能技术应用的程度将决定新能源发展的水平。 储能和风机匹配后, 平滑了风机功率输出曲线。

2.3 电池储能方式目前的应用状况及特点总结
近年我国电力系统建设正处于快速发展阶段,用电高峰时的供电紧张、有功 无功储备不足、 输配电容量利用率不高和输电效率低等问题都有不同程度的存在。 同时, 越来越多的大型工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量 问题提出更高的要求。这些特点为分散电力储能系统的发展提供了广泛的空间。 储能系统在电力系统中应用可以达到调峰、 提高系统运行稳定性及提高电能 质量等目的。N A S 电池自身的优良特性:高能量密度、长运行寿命、低维护成 本以及突出的超载脉冲功率输出特性和迅速的动态特性,为N A S 电池储能系统

在电力系统的应用提供了广泛的前景[6]。 而由于全钒液流电池容易实现大规模蓄电,具有规模大、寿命长、效率高、 造价低、安全可靠等基本特征,并已开始步入商业化运行,有望在风能等可再生 能源发展过程中发挥重要作用, 存在广阔的市场空间。从目前的市场需求与液流 电池的基本特点考虑, 全钒液流电池将主要应用在以下几个技术领域,并逐渐成 为蓄电储能产业的主流技术之一。1.风电与光伏互补系统组成的局域电网,用于 偏远地区供电、 工厂及办公楼供电; 2. 通讯系统中作为不间断电源和应急电能 系统; 3. 风能和太阳能发电系统的并网电力质量调整; 4. 电力公司作为大规 模电力储存和负载调峰手段;5.国家重要部门作为大型后备电源。 从长远的角度看, 由各种类型的电源和逆变器组成的储能系统可以直接连接 在配电网中用户负荷附近,构成分布式电力系统,通过其快速响应特性,迅速吸 收用户负荷的变化,从根本上解决电力系统的控制问题[7,8,9],而在各种类型的储 能电源当中, 电池储能系统是一种比较适合电力系统使用的储能电源,具有技术 相对成熟、容量大、安全可靠、无污染、噪声低、环境适应性强、便于安装等优 点。所以大容量电池储能系统是未来储能发展的趋势。

参考文献
[1] 费万民,张艳莉,吕征宇.大容量静止无功发生器与电池储能的集成[J].电 力系统自动化,2005,29(10):41-44. [2] 崔艳华,孟凡明.钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J].电源技术, 2005,29(11):776-780. [3] 王振文, 刘文华. 纳硫电池储能系统在电力系统中的应用[J].中国科技信息, 2006,13:41-46. [4] 俞振华.大容量储能技术的现状与发展[J].中国电力企业管理,2009,7: 26-28. [5] 孔令怡,廖丽莹,张海武等.电池储能系统在电力系统中的应用[J].电气开 关,2008,(5):61-64. [6] T. Ohtaka, A. Uchida, S. Iwamoto.Avoltage Control Strategy with NAS Battery Systems Considering Interconnection of Distribututed Generations [J]. POWERCON2004,Singapore, 2004: 226-231 [7] 姜齐荣,谢小荣,陈建业.电力系统并联补偿偿一结构、原理、控制与应用 [M]. 北京:机械工业出版社,2004 [8] 罗承廉,纪勇,刘遵义.静止同步补偿器的原理与实现[J]. 北京:中国电力 出版社,2005

粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[J]. 北京:中国电力出版社, 2006


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