储能技术在电力系统中的应用研究毕业论文.docx
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储能技术在电力系统中的应用研究毕业论文
毕业论文(设计)
储能技术在电力系统中的应用研究
系别:
电气工程系专业:
电气工程及其自动化
摘要
储能技术是一项可能对未来电力系统发展及运行带来革命性变化的技术,必须立足长远从整个电力系统的角度来考虑,明确储能技术的发展定位,要全面分析储能技术应用对整个电力系统和社会带来的综合效益和价值。
目前各类技术正处于快速发展阶段,应当采取鼓励多元发展的路线,加快各类技术的小规模试点和示范应用,通过实践检验、筛选出有前景的技术,在电力系统目前应重点加快在新能源发电和用户侧的试点应用。
而且针对性的政策法规对储能技术的发展至关重要,应当积极研究储能相关的法规,清晰界定相关方面的责任义务,出台包括峰谷电价、投资补贴在内的激励机制。
本文介绍了国内外各种储能技术的发展现状,并从电力系统安全高效运行的角度论述了电能储存技术的重要性。
本文对抽水储能、蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、压缩空气储能、超级电容器储能等几种储能技术的原理和实现方法作了介绍,并对其在电力系统中的应用情况以及可实施性作了说明。
关键词:
储能技术,电力系统,安全,高效,稳定性
Abstract
Energystoragetechnologyisapossiblefuturedevelopmentandoperationofpowersystemsbroughtaboutrevolutionarychangesintechnology,youmusttakealong-termperspectivefromthepointofviewoftheentirepowersystem,clearenergystoragetechnologydevelopment,comprehensiveanalysisofenergystoragetechnologyfortheentirepowersystemandcomprehensivebenefitandvaluetothecommunity.
Atpresent,allkindsoftechnologyisinastageofrapiddevelopment,shouldbetakentoencouragepluralisticdevelopmentofroute,speedupallkindsoftechnicalapplicationofsmallscalepilotanddemonstration,bypractice,filteringoutthepromisingtechnologies,inthepowersystemshouldnowbefocusedonspeedingupthepilotapplicationofnewenergypowergenerationandcustomerside.Andtargetedpoliciesandregulationsisessentialtodevelopmentofenergystoragetechnologies,shouldactivelystudyonenergy—relatedregulations,clearlydefinetheresponsibilities,introduced,includingpeak-Valleyelectricitypricesubsidies,investmentincentives。
Thisarticledescribesthedevelopmentofvariousenergytechnologiesathomeandabroad,andfromtheangleofthesafeandefficientoperationofpowersystemsdiscussestheimportanceofenergystoragetechnology.Articleonpumped—storage,batterystorage,flywheelenergystorage,superconductingmagneticenergystorage,compressedairenergystorage,supercapacitorenergystorageprincipleandrealizationmethodofenergystoragetechnologies,suchasmadeapresentationanditsapplicationinelectricpowersystem,andcanbeimplementedasdescribed。
Keywords:
Energystorage,Powersystem,Safety,High,Efficiency,Stability
1绪论
1.1课题背景
安全、优质、经济是对电力系统的基本要求.近年来,随着全球经济的发展对电力需求的增长和电力企业市场化革命的推行,电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化,一些新的矛盾日显突出,主要问题有:
(1)系统装机容量难以满足峰值负荷的需求;
(2)现有电网在输电能力方面落后于用户的需求;(3)复杂的大电网受到扰动后的安全稳定问题日益突出;(4)用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高;(5)电力企业市场化促使用户侧,需要能量管理技术的支持;(6)必须考虑环境保护和政府政策因素对电力系统发展的影响.
2000年到2001年初,美国加州供电系统由于用电需求的增长超过电网的供电能力,出现了电力价格大范围波动以及多次停电事故;我国自2002年以来,已经连续十年出现多个省市拉闸限电的状况;在世界上的其他国家和地区,也不同程度地出现了电力短缺的现象[1]。
系统供电能力,尤其是在输电能力和调峰发电方面的发展已经落后于用电需求的增长,估计这种状况还会在一段时间内长期存在,对电力系统的安全运行将带来潜在的威胁。
1.2课题研究的目的及意义
加强电网建设(新建输电线路和常规发电厂),努力提高电网输送功率的能力,可以保证在满足系统安全稳定的前提下向用户可靠地输送电能。
但是,由于经济、环境、技术以及政策等方面的制约,电网发展难以快速跟上用户负荷需求增长的步伐,同时电网在其规模化发展过程中不可避免地会在一段时间甚至长期存在结构上的不合理问题;另一方面,随着电力企业的重组,为了获取最大利益,企业通常首先选择的是尽可能提高设备利用率,而不是投资建设新的输电线路和发电厂[2]。
因此,单靠上述常规手段难以在短时间内有效地扭转电力供需不平衡的状况。
在现代电力系统中,用户对于电能质量和供电可靠性的要求越来越高。
冲击过电压、电压凹陷、电压闪变与波动以及谐波电压畸变都不同程度地威胁着用电设备特别是敏感性负荷的正常运行。
电力市场化的推行也促使电力供应商和用户一起共同寻求新的能量管理技术支持,以提高电网运行的安全性和经济性。
1.3国内外研究的现状
长期以来,世界各国电力系统一直遵循着一种大电网、大机组的发展方向,按照集中输配电模式运行。
在这种运行模式下,输电网相当于一个电能集中容器,系统中所有发电厂向该容器注入电能,用户通过配电网络从该容器中取用电能。
对于这种集中是输配电模式,由于互联大系统中的电力负荷与区域交换功率的连续增长,远距离大容量输送电能不可避免,这在很大程度上增加电力系统运行的安全性。
近日,国家电监会发布《输配电成本监管暂行办法》,其中针对电网企业输配电成本核算提出一系列监管措施.此举被认为是搁置多年的电网输配电分离改革进程重新进入融冰期的政策信号[3].国务院2002年下发的《电力体制改革方案》(即“5号文”),定下了“厂网分开、主辅分离、输配分开、竞价上网”的电力体制改革的四大步骤.截至目前,厂网分开已完成,主辅分离也在今年实现实行突破.在此背景下,输配分离改革也渐渐进入决策者视野.分析指出,电网输配电成本厘清后,决策部门就可根据成本构成科学核定独立的输配电价,进而可依据市场原则理顺“煤—电—网”价格联动机制,这对于目前“久病难治"的煤电矛盾将起到实际疏导作用。
长期以来,电网输配电成本的核算和支出一直是电网企业最“神秘”的领地之一[4]。
而这也被认为是打破电网垄断的核心突破口,推行输配电分离改革,则成为实现这一突破的主要着力点.所谓输配分开,就是将输电和配电环节从资产、财务和人事上分拆,输电环节有电网管理,而售电环节则地方供电局改组为多个独立的法人实体,再辅之以购电的大户与电厂签订直供合同,把配电网的建设运行下放到地方.国家发改委价格司副司长刘振秋此前在媒体上撰文也指出,输配环节虽然形成国家电网和南方电网两大电网公司,但由于输配没有分开,实际上还是寡头垄断,配电环节竞争并没有形成,电网公司是一个绝对的垄断实体,合理合法地挡在供需双方之间,成为唯一的“总卖家”和“总买家”。
电力用户没有选择权,基本上只能向一家垄断的电网公司买电,销售电价环节仍存在卖方垄断。
电网企业既不需要为“拉闸限电”对用户进行赔偿,也不需要为电厂发不出电承担经济连带责任,缺乏真正市场竞争的动力.
范必表示,从近期“电荒”现象背后暴露出的一系列问题来看,煤电价格关系理顺是一方面,但上网价格与销售电价之间关系的理顺也是关键所在。
“近期电监会公布的大容量机组发电小时数与常规机组倒挂现象就直接说明,电网龙垄断导致的调度不合理问题也是‘电荒’的罪魁之一[5]。
而要打破这种垄断,必须从打破输配电一体化经营开始。
"刘振秋也表示,在目前已取得实质性进展的主辅分离、主多分离基础上,应及早按成本加上收益办法核定电网企业输配电价,同时加强输配电成本监管,未来还要推进大用户直供试点,以各省级电网现行平均输配电费用为基础,分电压等级核定输配电价。
目前,电力系统还缺乏高效的有功功率调节方法和设备,当前采用的主要方法是发电机容量备用(包括旋转备用和冷备用),这使得有功功率调控点很难完全按系统稳定和经济运行的要求布置.某些情况下,即使系统有充足的备用容量,如果电网发生故障导致输电能力下降,而备用机组又远离负荷中心,备用容量的电力就难以及时输送到负荷中心,无法保证系统的稳定性.因此,在传统电力系统中,当系统中出现故障或者大扰动时,同步发电机并不总是能够足够快地响应该扰动以保持系统功率平衡和稳定,这时只能依靠切负荷或者切除发电机来维持系统的稳定。
但是,在大电网互联的模式下,局部的扰动可能会造成对整个电网稳定运行的极大冲击,严重时会发生系统连锁性故障甚至崩溃。
美国和加拿大2003年8月14日发生的大停电事故就是一个惨痛的教训。
如果具有有效的有功和无功控制手段,快速地平衡掉系统中由于事故产生的不平衡功率,就有可能减少甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。
中国电网发展至今,已进入了全国联网、西电东送的时代,迄今尚未发生像美、加“8。
14"大停电那样的大事故。
但是否不存在类似的危险?
从中国电网的结构及其发展、现有的运行管理方式、继电保护与安全稳定控制等自动控制技术的水平等各方面因素看,中国电网是否足以防止发生类似的灾难性大停电事故?
对于这些问题,迄今没人给出肯定性的回答,恐怕也难于给出肯定性的回答,但却迫使我们去寻找答案.
2基于储能技术的解决方案
2。
1能量存储技术的历史及发展前景
能量存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法.这种方法在早期的电力系统中已经有所应用,例如在19世纪后期纽约市的直流供电系统中,为了在夜间将发电机停下来,采用了铅酸蓄电池为路灯提供照明用电.随着电力技术的发展,抽水储能电站被用来进行电网调峰.抽水储能电站在夜晚或者周末等电网负荷较小的时间段,将下游水库的水抽到上游水库,在电网负荷峰值时段,利用上游水库中的水发电,补充峰值负荷的需求.在美国,抽水蓄能机组容量约占总装机容量的3%,而在日本则超过了10%。
储能技术目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量。
各种形式的储能电站可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电,在电网负荷峰值时刻改为发电机方式运行,向电网输送电能,这种方式有助于减少系统输电网络的损耗,对负荷实施削峰填谷,从而获取经济效益。
另一方面,和常规的发电机和燃气轮机相比,这种方式在成本方面具有很大的优势。
它在电网低谷时使用电能,用电成本较低,不像柴油发电机或者燃气轮机那样需要消耗高成本的燃料。
为了实现效益最大化,合理选择储能电站的位置非常重要.
储能装置用于电力调峰,需要装置具有较大的储能容量.显然,容量越大,制造和控制越困难。
但是,如果将储能装置用于系统稳定控制,就有可能采用小容量的储能,通过快速的电能存取,实现较大的功率调节,快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”,从而提高电力系统的运行稳定性,目前的研究包括频率控制、快速功率响应、黑启动等。
将储能电站用于用户侧,可以提高电能质量,增强系统的供电可靠性。
从技术上来说,现在已经可以利用储能装置为每一个用户(家用、商用或者工业用户)提供不间断的高质量供电电源,而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。
储能电站工程通常都是有各自的投资企业全权负责运行管理。
实际经验表明,这种电站的工程设计与制造、现场安装以及运行维护等费用都超过了预想值。
因此,储能系统制造商转而寻求另外一种系统解决方案,即分布式储能(DES)系统。
对于供电紧张的电力系统来说,分布式储能技术可望提供最佳的解决方案,这是因为:
(1)分布式储能系统是模块化的,可以快速组装,现场安装费用低;
(2)由于模块化的灵活性,当某一地区负荷需求增加时,采用分布式储能系统代替建设地区发电厂效果更好;(3)分布式储能系统不会增加电力系统在环境保护方面的压力,而且有助于减少主力电厂以及分布式发电设备的化石燃料消耗和废气排放;(4)分布式储能系统一般具有更高的能力转换效率以及更快的响应速度;(5)采用分布式储能系统可以提高现有发电和输配电设备的利用率和运行经济性;(6)大多数采用新技术的分布式储能系统都能很容易地实现多功能。
2。
2能量存储系统——分布式储能系统
分布式储能系统可以有以下三种方式可以帮助实现对用户可靠供电:
(1)在关键时刻辅助供电或者传输电能;
(2)将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻;(3)在强制停电或者供电中断的情况下向用户提供电能。
从增强系统运行稳定性和提高电能质量的角度看,分布式储能具有更大优势,按照系统运行的要求来布置储能装置,可以得到更好的控制效果.
表2。
1总结了储能系统中的应用领域[6].
表2.1储能系统在电力系统中的应用
应用领域
发电功能
辅助供电功能
输配电系统应用
主要方式
能量管理
频率调节响应、旋转备用电源
提高系统可靠性
负荷调节
冷备用电源、长期备用电源
与再生能源结合
峰值发电
无功功率控制
主要作用
提高发电设备利用率,减少对系统总装机容量的要求
降低辅助设备成本
提高系统设备利用率,延缓新增投资
3储能技术的发展现状
储能技术在包括电力系统在内的多个领域中具有广泛的用途,近年来世界范围内的电力工业重组给各种各样的储能技术带来了新的发展机遇,采用这些技术可以更好地实现电力系统的能力管理,尤其是在可再生能源和分布式发电领域,这种作用尤为明显,在传统的发电和输配电网络中,这些技术同样可以得到应用.以下简要介绍各种储能技术的基本原理及其发展现状。
3。
1抽水储能(PumpedHydroStorage)
抽水储能最早于19世纪90年代在意大利和瑞士得到应用,1933年出现了可逆机组(包括泵水轮机和电动机与发电机),现在出现了转速可调机组以提高能量的效率[7]。
抽水蓄能电站可以按照任意容量建造,储存能量的释放时间可以从几个小时到几天,其效率在70%至85%之间.抽水储能是在电力系统中得到最为广泛应用的一种储能技术,其主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量[8]。
目前,全世界共有超过90GW的抽水储能机组投入运行,约占全球总装机容量的3%。
限制抽水蓄能电站更为广泛应用的一个重要制约因素是建设工期长,工程投资较大.在负荷低谷时,发电厂的发电量可能超过了用户的需要,电力系统有剩余电能;而在负荷高峰时,又可能出现发电满足不了用户需要的情况[10]。
建设抽水蓄能电站能够较好地解决这个问题。
抽水蓄能电站有一个建在高处的上水库(上池)和一个建在电站下游的下池。
抽水蓄能电站在应用时必须配备上、下游两个水库。
在负荷低谷时段,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。
在负荷高峰时,抽水储能设备工作与发电机的状态,利用储存在上游水库中的水发电。
一些高坝水电站具有储水容量,可以将其用作抽水蓄能电站进行电力调度。
利用矿井或者其他洞穴实现地下抽水储能在技术上也是可行的,海洋有时也可以当作下游水库用,1999年日本建成第一座利用海水的抽水蓄能电站(Yanbaru,30MW)。
抽水蓄能电站的机组能起到作为一般水轮机的发电的作用和作为水泵将下池的水抽到上池的作用。
在电力系统的低谷负荷时,抽水蓄能电站的机组作为水泵运行,在上池蓄水;在高峰负荷时,作为发电机组运行,利用上池的蓄水发电,送到电网。
建设抽水蓄能电站的关键是选好站址[11]。
一般要求上、下池之间的落差愈高愈好。
大多在已有水库的地方寻找山头建设上池,以原有水库作为下池。
也可选择已有水库附近的谷地建设下池,以原有水库作为上池。
站址选对了可大量节约建设资金。
抽水蓄能电站的关键设备是水泵、水轮、电动发电机组。
初期的机组是水泵与水轮机分开的组合式水泵水轮机组。
以后才发展为可逆水泵水轮机,把水泵与水轮机合为一台机器。
正转是水轮机,反转即是水泵。
电动发电机也是一台特殊的电机,受电时是电动机驱动水泵抽水,为上池放水;水泵变为水轮机时,电动发电机也就成为发电机[12]。
抽水储能的基本原理框图如3。
1所示。
图3。
1抽水储能的基本框图
抽水蓄能电站除调峰、填谷之外,也可用作调频、调相和事故备用。
抽水蓄能电站能提高电力系统高峰负荷时段的电力(功率),但它抽水和发电都有损耗,俗称用4kwh换3kwh,即低谷时段如以4kWh的电量去抽水,换来高峰时段放水发电只有3kWh。
抽水蓄能电站的效益除峰谷电价差之外,更重要的是改善了电网的供电质量,提高了火电机组,特别是核电机组的负荷率,降低了这些机组的发电成本。
抽水储能在我国发展现状:
截止2005年年底,我国抽水储能电站投产规模已达62。
5万千瓦,约占全国总发电装机容量的1。
2%。
目前在建的抽水储能电站达1、座,在建规模1250万千瓦。
其中国家电网公司经营区域内在建抽水储能项目达到1010万千瓦.国家电网公司规划2020年公司经营区域内抽水储能规模达到2692万千瓦。
抽水储能电站有日本的新高濑川抽水蓄能电站、浙江省安吉县境内的天荒坪抽水蓄能电站等。
抽水蓄能在世界范围应用较早,日、美、欧等国家和地区早在上世纪60—70年代就进人抽水蓄能建设的高峰期[13].欧美等发达国家的抽水蓄能占系统总装机的比重一般在3%—10%之间,而我国抽水蓄能系统截止2009年底只占全国总装机容量的1。
6%,低于世界发达国家的水平。
世界发达国家和中国的抽水蓄能装机容量及发展情况,见表3。
1。
中国的抽水蓄能发展起步较晚,发展历程曲折,但发展成绩巨大截止2010年底,我国抽水蓄能电站装机容量达17GW的抽水蓄能电站在我国电力系统中不仅发挥了调频、调相、削峰填谷、事故备用等作用,还为优化电源结构、减少线路投资等产生了巨大的经济效益。
表3.12010年全球抽水储能装机容量统计及2015年装机预测
国家
2010年装机容量
2015年预计装机容量
欧盟
41GW
50GW
日本
25GW
26GW
美国
22GW
22GW
中国
17GW
30GW
世界其他地区
30GW
60GW
3。
2采用不同化学物质的先进蓄电池储能(BatteryStorage)
蓄电池是电力电源系统中直流供电系统的重要组成部分,它作为直流供电电源,主要担负着为电力系统中二次系统负载提供安全、稳定、可靠的电力保障,确保继电保护、通信设备的正常运行[14]。
据估计,全球每年对蓄电池[15]的市场需求大约为150亿美元,在工业用蓄电池方面,如:
用于UPS、电能质量调节、备用电池等,其市场总量可达50亿美元。
在美国、欧洲以及亚洲,正在组建生产电力系统储能用的高性能蓄电池企业。
在过去的12至18个月里,已有生产能力达每年300MW的蓄电池生产线投入运行。
铅酸电池是最古老、也是最成熟的蓄电池技术。
它是一种低成本的通用储能技术,可用于电能质量调节和UPS等.然而,由于这种蓄电池寿命较短,因此限制了其在能量管理领域的应用。
近年来,各种新型的蓄电池被相继开发成功,并在电力系统中得到应用。
英国的RegenesysTechnologies正在采用PSB(PolysulfideBromideFlowBattery)电池建设一座15MW/120MW·h的储能电站,其净效率约为75%。
NaS电池具有较高的储能效率(约89%),同时还具有输出脉冲功率的能力,输出的脉冲可在30s内达到连续额定功率值的六倍,这一特性使NaS电池可以同时用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节两种目的,从而提高整体设备的经济性[16]。
在日本,目前采用NaS电池技术的储能示范工程有30多处,总储能容量超过20MW,可用于8h的日负荷峰谷调节。
全钒液流电池(VRB)是一种新型清洁能源存储装置,其研究始与20世纪80年代的澳大利亚新南威尔士大学.在美国、日本、澳大利亚等国家有应用验证,鉴于钒电池具有功率大、寿命长、可靠性高、操作和维修费用少、支持频繁大电流充放电等明显技术优势[17]。
被认为是太阳能、风能发电装置配套储能设备、电动汽车供电、应急电源系统、电站储能调峰、再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统等领域的优先选择.由于全钒液流电池可以保持连续稳定、安全可靠的电力输出,用于风能、太阳能等可再生资源发电系统,解决其发电不连续、不稳定特性;用于电力系统,可调节用户端负载平衡,保证智能电网稳定运行;用于电动汽车充电站,可避免电动车大电流充电对电网造成冲击;用于高耗能企业,谷电峰用,可减低生产成本[18]。
此外,它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站等。
电池原理:
VRB以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负电极反应活性物质。
电池正负电极之间以离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室,通常情况下VRB正极活性电对为VO2+/VO2+,负极为V2+/V3+,电极上所发生的电池总反应如下:
VO2++H2O+V3+
VO2++V2++2H+(3。
1)
目前VRB相关研究已取得较大进展,但其真正实现商业化还需在高性能低成本专用离子交换膜、高稳定性高活性专用电极材料及电极制备等关键技术方面取得进一步的突破,并形成批量生成能力。
另外,电池组及系统的集成度及优化设计也有待进一步提高。
3.3飞轮储能(FlywheelsStorage)
飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时,飞轮减速运行,将存储的能量释放出来[19]。
飞轮储能的特点:
飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点
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- 技术 电力系统 中的 应用 研究 毕业论文