储能技术及其在新型电力系统中的应用研究

大规模风电并网： 大规模风电并网：风电并网技术
提高电网调度能力和水平：有调节能力的水电、 提高电网调度能力和水平：有调节能力的水电、火电 电网调度能力和水平 提高风电预测精度， 提高风电预测精度，为电网调度提供技术支持 风电预测精度 提高风电机组的技术水平：低电压穿越能力、有功调节、 提高风电机组的技术水平：低电压穿越能力、有功调节、 风电机组的技术水平 无功调节、 无功调节、电压控制 利用储能技术应对风电的随机和波动 （可再生能源法修正案：发展和应用智能电网、储能等技 术，……提高吸纳可再生能源电力的能力）
HUST储能研究进展简介：超导 储能研究进展简介：超导SMES 储能研究进展简介
35kJ／7.5kW 直接冷却高温超导磁储能系统（SMES） ／ 直接冷却高温超导磁储能系统（ ）
主要内容
一、大规模风电并网 二、多元复合储能 三、新型电力系统 四、HUST储能研究进展简介 储能研究进展简介
多元复合储能
抽水蓄能 先进蓄电池储能 飞轮储能 超导磁储能 超级电容器储能 压缩空气储能
多元复合储能
抽水蓄能：大容量、 抽水蓄能：大容量、大功率
为火电和核电机组提供稳定的负荷 2008年发电量：世界：17％，中国：2％ 年发电量：世界： ％，中国： ％ ％，中国 年发电量 核电装机：2020年，1.1％↑5％， ％，60GW 核电装机： 年 ％ ％， 抽水蓄能装机： 抽水蓄能装机：2020年，5％ 年 ％ 特性：静止 满载 ～ 特性：静止→满载 2～2.5min 空载→满载 ～ 空载 满载 30～35s 技术较成熟， 技术较成熟，受地理条件限制
1 2 E = Jω 2
能 量 转 化 模 块
能量存储模块
单个飞轮储能系统
多元复合储能：美国Beacon Power公司 多元复合储能：美国 公司
电气
最大持续输出功率：250kW；最大输出能量：25kWh 最大持续输出功率： ；最大输出能量： 外接电网电压：DC800V；旋转损耗：＜ 外接电网电压： ：＜2% ；旋转损耗：＜ 设计年限：20年；响应时间：ms 设计年限： 年 响应时间：
物理
飞轮：直径 91cm，高 152cm；重 1360kg 飞轮： ， ； 变换器模块：大小 91cm×61cm×46cm；重 68kg 变换器模块： × × ；
环境
工作温度范围：-40~+50℃；防震标准：4级以下地震 工作温度范围： ℃ 防震标准： 级以下地震 湿度限制：95%（非冷凝）；安装地点：地面混凝土上或拖车内 湿度限制： ）；安装地点 （非冷凝）；安装地点：
多元复合储能
储能技术将在未来电力系统中占有重要地位
储能 火电 水电 核电 风电 储能 储能
发电
输配电
用电
电力系统： 电力系统：“发－输－用” → “发－输－用－储” 对储能系统的要求：大容量、大功率、快响应、长寿命、 对储能系统的要求：大容量、大功率、快响应、长寿命、 低成本、易维护、 低成本、易维护、便安装
多元复合储能：美国Beacon Power公司 多元复合储能：美国 公司
室内固定式飞轮储能系统矩阵 室内固定式飞轮储能系统矩阵
多元复合储能：美国Beacon Power公司 多元复合储能：美国 公司
车载式飞轮储能系统矩阵 车载式飞轮储能系统矩阵
多元复合储能：美国Beacon Power公司 多元复合储能：美国 公司
核电和抽水蓄能将在未来电力系统中发挥重要作用！ 核电和抽水蓄能将在未来电力系统中发挥重要作用！
多元复合储能
蓄电池：中等规模， 蓄电池：中等规模，易分散安装 钠硫电池、液流电池、 钠硫电池、液流电池、锂电池 提高容量、充放电速度及次数 提高容量、 降低成本， 降低成本，增强环保
多元复合储能： 多元复合储能：飞轮储能
多元复合储能
风电随机波动的控制调节： 风电随机波动的控制调节：不同时间尺度上的控制
飞轮／ 飞轮／蓄电池
蓄电池／ 蓄电池／抽水蓄能
抽水蓄能／ 抽水蓄能／电网调度
主要内容
一、大规模风电并网 二、多元复合储能技术 三、新型电力系统 四、HUST储能研究进展简介 储能研究进展简介
新型电力系统
基于多元复合储能的大规模风电并网方法
多元复合储能
多元复合储能
多元复合储能
单种储能技术还难以满足现代电力系统的需求：大容量、 单种储能技术还难以满足现代电力系统的需求：大容量、 大功率、快响应、长寿命、低成本、易维护、 大功率、快响应、长寿命、低成本、易维护、便安装 多元复合储能：综合利用各种储能技术的特点，通过在一 多元复合储能：综合利用各种储能技术的特点， 点或多点并联运行的方式， 点或多点并联运行的方式，组成能够满足现代电力系统需 求的综合储能系统。 求的综合储能系统。 一种可行的组合方案：抽水蓄能＋蓄电池＋ 一种可行的组合方案：抽水蓄能＋蓄电池＋飞轮储能
HUST储能研究进展简介：飞轮 储能研究进展简介：飞轮FPC 储能研究进展简介
转 动 惯 量 18.7 kg m2 (=0.3+18.4) 飞 总 磁 重 轮 D=0.7m，H=0.1m ， 量 353.7kg (=53.5+300.2) 环 钕铁硼N45 H=10mm 钕铁硼 D=300/250 mm
3月 月
6月 月
9月 月
11月 月
大规模风电并网将使电力系统的特性发生深刻的变化！ 大规模风电并网将使电力系统的特性发生深刻的变化！
大规模风电并网： 大规模风电并网：传统电力系统的特点
火电 水电 核电 发电 稳定、可控） （稳定、可控） 输配电 用电 随机，不可控） （随机，不可控）
发电侧输出功率稳定且可控，用电侧负荷随机性大： 发电侧输出功率稳定且可控，用电侧负荷随机性大：一组随机变量 电能难以大规模存储： 电能难以大规模存储：发－输－用三个环节功率实时平衡 因故障导致系统功率严重失衡时，切机切负荷：被动致稳 因故障导致系统功率严重失衡时，切机切负荷：
大规模风电并网： 大规模风电并网：现代电力系统的新特点
火电 水电 核电 风电
发电 随机） （随机）
用电 随机） （随机）
发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性： 发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性：两组独立随机变量 电能难以大规模存储：功率失衡可能成为电网的一种常态， 电能难以大规模存储：功率失衡可能成为电网的一种常态，严重 威胁电网安全
多元复合储能： 多元复合储能：美国西屋公司的脉冲发电机
100MW/100MJ；正常运行时功率为700kW ；正常运行时功率为
多元复合储能： 多元复合储能：飞轮储能的优势
高能量密度：最大效率地利用装置的空间与重量 高能量密度： 超长寿命：数以万次的储能循环周期 超长寿命： 快速储能能力：储能与释能速度比接近1:1 快速储能能力：储能与释能速度比接近 高储能效率：内部真空与磁悬浮技术实现了低损耗 高储能效率： 操作可视性强：飞轮转速直接表征存储的能量 操作可视性强： 操作可靠性强：电力电子技术与电机技术均较成熟 操作可靠性强： 受温度变化影响小：在较宽的设计温度范围内都能正常运行 受温度变化影响小： 维护费用低：仅辅助设备需要年度养护 维护费用低： 绿色科技：无危险化学物质排放，不破坏生态平衡 绿色科技：无危险化学物质排放，
电网对大规模风电的接入持非常谨慎的态度！ 电网对大规模风电的接入持非常谨慎的态度！
大规模风电并网： 大规模风电并网：风电的穿透功率
？
可再生能源法：全额收购；可再生能源法修正案： 可再生能源法：全额收购；可再生能源法修正案：全额保 障性收购 能接纳多大比例的风电 → 在高比例风电条件下如何保证电 力系统的安全运行 大型风电场并网技术已成为可再生能源规模利用的瓶颈！ 大型风电场并网技术已成为可再生能源规模利用的瓶颈！
高压远距离输电
区域大电网
多元复合储能
平抑s~min级 级 平抑 功率波动 平抑数min及以 平抑数 及以 上功率波动
新型电力系统
含高比例风电、核电、 含高比例风电、核电、储能 快速响应容量， 快速响应容量，主动致稳
主要内容
一、大规模风电并网 二、多元复合储能技术 三、新型电力系统 四、HUST储能研究进展简介 储能研究进展简介
多元复合储能：美国Active Power公司 公司F-UPS 多元复合储能：美国 公司
多元复合储能：美国Active Power公司 公司F-UPS 多元复合储能：美国 公司
消除了传统 消除了传统UPS中的蓄电池部分，可靠性达99.99999％（ 中的蓄电池部分，可靠性达 ％（5min/年）； 中的蓄电池部分 ％（ 年 效率 ％（传统 效率96％（传统UPS最高为 最高为93%）； ％（传统 最高为 ）； 维护工作量小、成本低； 维护工作量小、成本低； 占地面积仅为蓄电池型 占地面积仅为蓄电池型UPS的1/4，能量密度高； 的 ，能量密度高； 可扩展性强：单系统120kVA － 3.6 MVA； 可扩展性强：单系统 ； 无限次数充放电，充电速度快； 无限次数充放电，充电速度快； 工作寿命长： 产品使用寿命超过为 年； 工作寿命长： 产品使用寿命超过为20年 对环境温度要求低（启动温度：-20℃－40℃ / 运行温度：0℃－40℃）； 对环境温度要求低（启动温度： ℃ ℃ 运行温度： ℃ ℃ 抗过载能力强； 抗过载能力强； 无污染、绿色环保。 无污染、绿色环保。
储能技术及其在新型电力系统中的 应用研究
文劲宇
华中科技大学
主要内容
一、大规模风电并网 二、多元复合储能技术 三、新型电力系统 四、HUST储能研究进展简介 储能研究进展简介
主要内容
一、大规模风电并网 二、多元复合储能技术 三、新型电力系统 四、HUST储能研究进展简介 储能研究进展简介
大规模风电并网： 大规模风电并网：风电的快速发展
调频电站：40MW / 10k kWh 调频电站：
40个车载式飞轮矩阵构成，40MW持续 个车载式飞轮矩阵构成， 持续15min， 个车载式飞轮矩阵构成 持续 ， 预期寿命 年；占地面积减少 预期寿命20年 提供有效动态无功补偿，提高电压稳定性 提供有效动态无功补偿， 提供低成本的频率控制 增大系统阻尼 提供 提供15min可靠的后备电源 可靠的后备电源 减小传输拥挤 不消耗燃料、不产生废气 不消耗燃料、
大规模风电并网： 大规模风电并网：风电的快速发展
欧洲： 欧洲： 20:20:20 targets by Year 2020
20% 温室气体排放减少 20% 可再生能源增加 20% 能耗减少
风电为代表的可再生能源规模化利用成为全球趋势！ 风电为代表的Fra Baidu bibliotek再生能源规模化利用成为全球趋势！
大规模风电并网：风电的特性：随机、 大规模风电并网：风电的特性：随机、波动
美国： 美国：
2008：世界最大风电装机国 ： 25GW 2030年，20% 的风电 年 300GW
Increasing Wind Energy's Contribution to U.S. Electricity Supply (DoE Report, 2008)
大规模风电并网： 大规模风电并网：风电的快速发展
浮力） 上 下 盘 距 7mm（350kg浮力） （ 浮力
10kW／100kJ 基于飞轮储能的柔性功率调节器（FPC） ／ 基于飞轮储能的柔性功率调节器（ ）
HUST储能研究进展简介：超导 储能研究进展简介：超导SMES 储能研究进展简介
35kJ／7.5kW 直接冷却高温超导磁储能系统（SMES） ／ 直接冷却高温超导磁储能系统（ ）
中国： 中国：
2009年底 20GW, 其中： 年底: 其中： 年底 并网： 并网：16.13GW (80.07%) 非并网：3.87GW (19.35%) 非并网： 2010年底：30GW（预计） 年底： 年底 （预计） 2020年底：100GW（预计） 年底： 年底 （预计）
《可再生能源中长期发展规划》：2010年，5GW；2020年：30GW 可再生能源中长期发展规划》 年 ； 年 国家能源局规划： 千万千瓦； 亿千瓦， 国家能源局规划：2010年：2千万千瓦；2020年：1亿千瓦，超过总装 年 千万千瓦 年 亿千瓦 机的8％； 个千万千瓦级的“风电三峡” 机的 ％；7个千万千瓦级的“风电三峡” ％； 个千万千瓦级的