社区储能系统（精选7篇）
社区储能系统 篇1
摘要：社区储能系统具有容量小、占地少、移动方便、易于标准化的特点。将社区储能系统安装于配电网侧或者电力用户端, 一是可以作为备用电源, 二是可以改善电网的电能质量和供电可靠性问题, 三是可以解决风能、太阳能等分布式发电的间歇性问题, 维持稳定出力。因此, 社区储能系统在配电网侧的应用是电池储能技术的一个重要应用方向。
关键词：社区储能系统,配电网,电池储能技术
1 引言
智能电网技术在提高能源转换和输送效率、促进可再生能源平稳入网、优化能源结构、电网与用户双向互动、减少温室气体排放等发挥着重要作用。而要实现智能电网的能源替代、兼容利用和双向互动, 需要配电网技术、网络通信技术、传感测量技术、电力电子技术、储能技术等各种新技术的集成, 而其中储能技术则是智能电网能够顺利实施的关键支撑点[1], 将在智能电网的发电、输电、配电、用电等多个环节中发挥非常重要的作用。2011年公布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》首次将储能技术列入到这一纲领性文件中, 说明我们国家已经将储能技术上升为国家战略。目前, 已经成熟和正在兴起的电力储能技术主要有抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容器储能、电池储能等等。抽水蓄能是一种成熟且廉价的电力储能技术, 在国内外电力能源结构中发挥着重要作用, 但是抽水蓄能电站有建设初期投资成本高、尤其受地理条件限制等缺点[2]。压缩空气储能电站的装机容量可达几百兆瓦, 但是其能量密度低, 并受岩层等地形条件的限制, 虽然在美国和德国已经有了两座运行的压缩空气储能电站, 但是我国只是近几年才有以中科院工程热物理所为代表的压缩空气储能技术研究。飞轮储能技术以美国最为先进, 已经有了商业应用, 而我国以中科院电工所、清华大学为首的飞轮储能技术研究还处于实验阶段[3]。超级电容器可以和风力发电装置或太阳能电池组成混合电源, 使无风或夜间也可以提供足够的电源, 但能量密度不高是超级电容器储能应用的一个短板。电池储能是目前除抽水蓄能以外最成熟、最可靠的储能技术, 是其他新型储能技术没有重大突破前的主要手段, 而且不受地理条件限制。随着储能电池技术的不断成熟和成本的不断下降, 许多专家学者认为储能电池是电力系统应用最广的储能设备之一。
电池储能技术按应用的时间尺度划分为四种: (1) 瞬时应用 (0-数秒) , 主要应用快速旋转备用、一次调频、低电压穿越、电能质量, 这些应用需要高功率电池; (2) 短时应用 (数秒-数分钟) , 主要是二次和三次调频、风电输出功率平滑、需求侧应用、有功和无功控制、谐波补偿、黑启动, 这些应用需要中等功率密度和能量密度的电池; (3) 较长时应用 (数分钟-数小时, <5h) , 主要是电网侧应用如负载均衡、2-4h的削峰填谷, 提高系统可靠性如大规模可再生能源系统、孤岛系统、微网系统, 支持车网互联 (vehicle-to-grid, V2G) 模式, 延缓因高峰需求增加所引起的输发电设备的建设, 这些应用需要高能量电池; (4) 长时或MW级应用, 避免新的输发电设备的建设, 这需要能量密度非常高的电池[4]。图1为电池储能技术在智能电网中应用的示意图, 从图中可以看出, 从发电、输电、配电、用电到电网调度等各个环节都离不开电池储能技术。
2 社区储能
高昂的电池价格是目前电池应用于电网储能的一个门槛。在美国锂离子电池应用于电网储能的成本在600~1200美元/kWh, 我国目前的成本在1000美元/kWh左右, 而电池储能要成为发电行业的第六产业, 成本必须限制在300美元/kWh以内, 只有降到这个水平才能真正实现能源行业的调整, 发展分布式能源。但是, 电池储能的不同应用对成本的需求是不一样的, 现阶段最可能商业应用的电池储能技术是应用于电能质量管理。以美国A123公司为例, 其电池生产成本比国内还要高1~2倍, 但由于重点应用于电能质量管理, 投资回报期在1~2年左右, 虽然成本很高, 仍能推广应用。美国电力公司 (American Electric Power Co.Inc., AEP) 首次提出基于配电网侧 (电压等级为几百伏) 的社区储能 (community energy storage, CES) 概念, 单个的社区储能单元 (CES单元, 由25kW/25kWh锂离子电池和逆变装置等组成) 向2~5户家庭提供服务, 数十个CES单元构成CES储能组, 用于用电高峰调节和无功功率支持等, 也作为电力供应中断时的备用电源, AEP公司社区储能计划已在俄亥俄州进行试点。
社区储能系统放置于配电网侧或者电力用户端, 它比发电侧或输电侧的储能系统要小得多。对于住宅应用, 常部署在居民区, 安装于街角或住宅小区。电池系统一般晚上用电低谷时段充电, 需要时放电以提高电能质量和供电可靠性, 或者改善电网负荷特性。
社区储能系统所用的电池主要是功率型的锂离子电池, 类似于电动汽车中的动力电池, 可使用新的电池, 也可用电动汽车弃用的、回收的再利用电池。电池系统被封装在类似于组合式变压器的电池柜中。社区储能系统由于具有可扩展性和灵活性, 较易安装和维护, 电池系统可做成标准化模块出售。由于社区储能系统的电池容量与电动汽车动力电池的容量相当, 因此可将停驶时的电动汽车利用起来, 形成车网互联模式 (V2G) [5,6,7]。一方面当电网因为发电过剩或用户不需要过多的能量需求时, 将其多余的能量储存于电动车中, 以提升电网的利用效率, 另一方面当电网容量不足时, 可将电动车中的电能反馈给电网, 以稳定电网, 降低备用容量。电动车也是可再生能源的临时用电储存场所, 以调节可再生能源入网的稳定性。
社区储能系统具有安全、经济、结构紧凑、环境友好等特点, 给电网和用户都会带来益处。对电力用户而言, 社区储能系统将在停电时提供备用电源, 通过减少闪烁和瞬时断电以及调压来提高供电可靠性, 储存风电或光伏等可再生能源。对电网而言, 社区储能系统将起到均衡负载、稳定电压、修正功率因子、降低线损等作用。
社区储能是储能系统较新的应用领域。电力公司、电池厂商和政府还正在对社区储能系统在平滑电力需求峰值, 稳定电压和频率, 且提供孤岛能力方面进行演示论证。虽然社区储能系统是新兴市场, 然而在未来10年中, 电动汽车、分布式发电以及实时价格管理机制的逐步推广将会促成社区储能系统的极大发展。根据派克研究公司 (Pike Research) 的报告数据, 全球社区居民的储能系统的装机容量将在2022年时达到3000MW, 市场价值将达到八亿七千二百万美元。
3 应用案例
美国AEP公司的俄亥俄州社区储能项目是希望能给电力公司和电力用户带来负载均衡、备用电源、支持插电式电动汽车、电网调度以及改善配电线路效率等诸多益处。因为在智能电网中, 能源管理和能源储存是必不可少的。在该项目中, AEP公司打算将美国S&C电气公司基于锂离子的社区储能系统安装于用户家中。配备了该装置的用户可以在停电时获得好几个小时的后备电源。S&C公司的每个储能系统都能为2-5个家庭进行供电。社区储能系统包含许多传感装置, 它们能够在电力中断时作出识别, 并利用传输程序迅速提供电力, 而不会影响电能质量。AEP公司典型的停电事故一般持续2个小时左右。安装了社区储能装置的用户可以在停电时查看他们的能源使用情况, 而不会经受任何电力损失。AEP公司是首批安装社区储能装置的公用事业公司之一。该装置免费为用户安装, 而且同意拥有该装置的用户还能获得350美元的奖励。社区储能计划是AEP在俄亥俄州开展的智能电表示范项目的一部分, 该项目旨在测试新技术和消费计划。预计到今年年底, 社区储能系统装置的安装数量将达到80只。
日本三菱汽车、三菱电机、三菱商事三家公司利用电动汽车上配备的蓄电池以及从电动汽车上回收的再利用蓄电池将可再生能源所发电力及夜间电力储存于蓄电池中, 在工厂及办公室的电力需求达到峰值时进行供电, 使工厂负荷均衡。该项目由20kW的光伏发电系统、可放电的5辆电动汽车、从电动汽车上回收的80kWh再利用蓄电池构成。5辆电动汽车每辆可各放电3kW, 5台再利用蓄电池每台可各放电3k W, 太阳能电池板可发电20kW, 太阳能电池和蓄电池复合系统最大可供电50kW。充分利用电动汽车和再利用蓄电池, 而未采用高价专用蓄电池, 可降低储能成本。该项目在三菱汽车名古屋制作所的工厂进行, 通过储能和太阳能发电, 抑制电力变动幅度, 力争使180kW的电力变动幅度削减33%, 所供应的电力将通过能源管理系统进行控制。
我国贵州安顺市的潘孟村处于安顺地区农网供电线路的末端, 因主供10kV线路供电半径过长、配变过载及低压配网线路导线截面偏小等原因, 造成用电高峰时段低压配网电压过低, 供电质量长期达不到供电要求。为有效解决这些问题, 贵州电网公司、中航锂电、北京四方继保自动化股份有限公司等技术人员建造了包括磷酸铁锂电池储能系统 (70kW×2h) 和SVG无功补偿装置的400V集装箱储能电站。
随着储能电站的投入使用, 村民用电高峰时段的电压质量得到明显改善。全村10k V配变高峰负荷时的负载率由原来的130%下降到了现在的60%, 用电高峰时段配变四平线首端电压由原来的350V提高到380V、末端电压从原来的314V提高到380V, 二平线末端电压则由原来的175V直线式地提高到了216V, 电压质量大幅提高, 潘孟村配变重载或过载问题得到了有效的解决, 同时亦有效降低了配网网损。而且即使安顺配网10kV主供线路完全停电, 其它村寨无电可用的情况下, 潘孟村的储能站也能供全村231户村民持续用电4小时。
4 采用社区储能系统解决上海部分地区出现的低电压问题
在上海某些地区, 由于家电集中使用、线路设备陈旧、临时租借房屋超负荷用电、居民或工业小区供电半径过长等原因, 致使短时段负荷增大, 导致电压跌落。当电压低于200V以下时, 造成线路低电压问题。线路低电压问题将引起空调、冰箱等电器不能正常运转, 造成电压崩溃和大面积停电, 增大线损、降低送变电设备能力等危害。上海低电压热点地区有1000多个, 具有季节性和时段性特点, 而且随着人口的流动频繁, 每年低电压热点地区都有变化。2012年上海市电力公司要重点解决“低电压”问题[8]。常规解决低电压问题的办法是通过增加杆上变压器数量来扩大电网容量, 电网通过足够的备用容量来应对每年仅数天的短时峰值负荷, 这种办法大大增加了设备的投资、安装和运行费用。
在国家电网公司科学技术项目的支持下, 上海市电力公司市区供电公司、上海中区节电科技有限公司和上海电力学院等单位正在合作研发一种适合于社区使用的储能系统, 将这种社区储能系统安装于电网线路末端, 可以解决居民或工业小区由于短时负荷增大而导致的线路低电压问题。与增加杆上变压器数量的办法相比, 社区储能系统具有安装简便、占地少、投资省、移动灵活、可重复利用的特点。
5 结束语
社区储能系统一般容量较小, 占地也较少, 移动方便, 机动灵活。将社区储能系统放置于配电网侧或者电力用户端, 一是可以作为备用电源, 解决由于自然灾害或人为原因造成的短时停电事故的用电问题;二是适合于解决由于短时负荷迅速上升而引起的电能质量和供电可靠性问题, 如边远农村地区和城市待改造老城区经常出现的低电压现象;三是解决风能、太阳能等分布式发电的间歇性问题, 维持电网平衡。由于社区储能系统采用集装箱式的模块化设计, 制定相应的技术标准将有利于社区储能系统的大力推广应用。
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社区储能系统 篇2
随着磁悬浮技术的日益成熟、高强度碳纤维新型复合材料的逐渐开发成功, 飞轮储能系统在卫星储能、姿态控制等方面显示出强大地优势地位[1]。上世纪中后期, 对飞轮储能等新能源大规模开发利用就始于航空航天领域的军备竞赛[2,3], 资源的匮乏直接导致发达国家对这种清洁、无污染的储能方式的投入, 以美日英法等国的研究具有代表性[4]。我国向来重视新能源的开发利用, 飞轮储能作为可循环使用的绿色能源的重要形式, 已越来越受到我国政府和广大科研人员的关注[5], 逐渐利用到风能发电储能及电动汽车的能量转换领域。
卫星在日照区域内, 可充分吸收太阳能维持系统运转, 并完成能量存储。进入阴影区后, 由供能系统释放能量驱动控制系统, 完成对卫星的控制。储能飞轮系统不仅能完成能量储存, 还能通过平衡转矩来控制卫星姿态[6], 是卫星控制系统中重要的组成部分。高强度碳纤维复合材料以其优越的性能、独特的工艺方式和达到较高储能密度的特点, 成为制备飞轮的理想材料[7]。依据大量的文献及相关实验记载, 文献2中列出了复合材料飞轮技术指标, 代表了行业内不同国家达到的水平。国内对于飞轮系统的研究, 多集中的理论计算和实验分析, 量产及工业化应用尚不能普及。
储能密度是评价飞轮储能系统的主要指标, 选取高强度碳纤维复合材料, 为提高储能密度奠定了基础[8,9]。卫星储能/姿控飞轮需要具备两个功能, 储存能量和姿态控制, 提高储能密度是首要设计目标。目前卫星姿态控制多用滚珠轴承动量飞轮, 振动辐射及高能耗影响卫星稳定性[10], 选用磁悬浮飞轮系统, 可有效解决此类不足。本文主要针对碳纤维复合材料飞轮转子, 选用适当的优化设计方法, 在限定飞轮大小范围的基础上, 确定最佳尺寸, 使储能密度最大化。
2、飞轮储能密度影响因素
对飞轮储能系统而言, 单位质量的飞轮转子所储存的能量即为飞轮储能密度, 优化储能飞轮的宗旨是提高系统的储能量。在设计开发过程中由于客观因素诸多, 储能飞轮系统针对不同的应用环境, 整体所占空间也各不相同。因此, 选用高强度碳纤维复合材料制备飞轮, 辅以合理的结构设计, 对提高飞轮储能密度有直接的影响。
旋转体的动能表达式为:
针对飞轮转子, E为飞轮储能量, 也即最大动能, I为转动惯量, ω代表旋转角速度。则飞轮的储能密度为:
飞轮转动惯量为:
ir和or分别代表飞轮内外径, 设置飞轮轴向厚度h, 回代入式 (1) , 可得储能量为:
若定义转子内外半径比为转子的边缘线速度vo=rωo, 可求得系统的储能量和储能密度r为o:
从以上两式易知, 飞轮储能系统的储能密度和内外半径比及旋转角速度有直接关系, 其中角速度的影响更大。对飞轮转子的设计工作都是围绕提高转速进行的, 同时还要保证在极高转速下飞轮系统的安全性。不同复合材料其储能密度也有较大差别, 文献11及12的研究结果均证实高强度碳纤维/环氧树脂复合材料具有极高的储能密度, 本文的研究同样基于此类复合材料。
3、建立优化分析理论模型
3.1 确定优化设计模型
对飞轮系统储能密度优化, 首先简化设计变量, 置换成易于描述飞轮转子特点的要素, 采用周向缠绕工艺制备的飞轮体为环形或盘式飞轮, 对 (6) 式加以改进, 将内外半径比及外缘线速度变量替换后得:
此式即为优化问题的目标函数, 可描述为:
结合卫星飞轮系统实际, 磁悬浮技术有效保证了无阻力运转, 在飞轮正常工况下, 轴向应力相比环向应力和径向应力极其微小, 系统约束条件简化为二维应力状态下的Tsai-Hill强度准则[13]:
不等约束:gj (x) ≤0 (10)
其中:x= (x1, x2, L, xN) T
不等式 (10) 为约束条件, 因轴向应力及应变微小, 去除轴向应变等因素, 实为强度条件。约束条件简化为二维应力状态下的TsaiHill强度准则, 为寻求优化变量X的最优解, 只需在满足不等式 (11) 的条件下对目标函数做出非线性规划, 如果目标函数的最优解存在, 其最优解就在可行域边界的某一点上。
3.2 优化分析基本过程
复合形法基本思路是在可行域内构造一个具有k个顶点的初始复合形[14], 对该复合形各顶点的目标函数值进行比较, 去掉目标函数值最大的顶点 (最坏点) , 然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行新点, 并用此点代替最坏点, 构成新的复合形。复合形每改变一次, 就向最优点移动一步, 直至逼近最优点。
可按以下步骤生成复合形:
选定一个可行点, 其余k-1个可行点随机产生, 使用下式确定顶点:
式中:xj——复合形中的第j个顶点;
a, b——设计变量的下限和上限;
rj——随机数, 在 (0, 1) 内。
计算所得到的k-1个随机点不一定全部都在可行域内, 要将这部分不可行点移到可行域内, 利用下式求出在可行域内的L个顶点的中心cx,
用中心点cx进行如下迭代可将不可行点向中心点移动:
直到将点移动到可行域内, 迭代结束。如此, 随机产1k-1个点将全部成为可行点, 并构成初始复合形。
在可行域内生成初始复合形后, 采用反射搜索方法来改变复合形的形状, 使复合形逐步向约束最优点趋近, 使收敛条件满足下式后, 计算终止, 可得约束条件最优解。
基于以上的目标函数模型, 设计最高旋转角速度, 依据整个卫星储能/姿控飞轮系统的体积大小, 可将外径固定, 对初始点的选取放在内径的搜索上, 设置搜索区间, 遵循复合形法的原理, 可有效而快速的计算出结果。
4、飞轮转子的储能密度优化
通过以上分析, 对飞轮系统储能密度优化的物理意义可描述为:在已知飞轮转速和满足约束条件的情况下, 寻求使优化目标函数有最大值的一组飞轮转子内外半径值。当限定搜索范围后, 优化变量只有内外半径尺寸, 即是确定飞轮的形状尺寸。选用碳纤维/环氧树脂复合材料作为飞轮转子制备材料, 建立飞轮模型, 采用复合形法编制优化程序, 以此确定储能密度的最佳值。
复合材料碳纤维/环氧树脂飞轮转子厚度设置h=20mm, 为建模及分析方便, 旋转角速度为ω=3×104 r/min, 材料密度值为ρ=1.75×103kg/m3, 其他性能参数如表1。
设置转子内外径及初始值如表2:
利用复合形法优化后所得到的飞轮内外径分别ri=80m, ro=228m, 内外半径比α=0.35, 储能密度优化值达U=2.89×105J/Kg, 飞轮储能密度优化后达到优化前的A=204.87%储能密度提高一倍。
利用有限元分析软件ANSYS建立飞轮转子模型, 在优化尺寸基础上分析飞轮转子应力应变的变化, 符合平面应力盘形飞轮的形要求, 有限元模型采用Shell (板壳单元) 弹性四节点63单元自底向上模, 得到飞轮单元及节点的变形及受力应力分布状况如图1所
飞轮总体位移变化由内到外逐步增大, 在旋转角速ω=30000r/min的载荷下, 最小值在内径处为umin=.2169mm, 最值出现在外径处为umax=7.28mm。 (如图2)
径向应力在半径r=146.6mm处达到最大值σrmax=73.069MPa, 向内外半径处逐渐减小, 最小值。 (如图3)
飞轮总体位移沿半径由内向外逐渐增大, 外经处位移越大, 说明发生应变的几率就越大, 飞轮轮体在这一部位极易发生失效, 是需要注意的重点部位。
5、结语
本文通过分析影响飞轮储能密度的各种因素, 建立了碳纤维/复合材料储能飞轮转子的储能密度优化模型, 选用优化设计方法中的复合形法设置搜索路径, 建立系统的优化设计模型。
以储能密度为目标函数, 设置蔡-希尔强度准则为主要约束条件, 限定一定的转子结构尺寸, 在一定旋转速度条件下进行优化, 得出一组最优的内外半径值, 使得储能密度相比优化前增加一倍, 并编写出解答类似储能密度优化问题的通用程序, 大大缩短了计算时间, 对储能系统优化问题有重要的现实意义。
摘要：卫星在工作过程中需要不断调整飞行姿势, 并在阴影区利用自身能量提供工作能源, 储能/姿控卫星飞轮储能系统可以较好的完成这一使命。本文依据旋转体运动的基本规律, 通过动能转换得到飞轮转子储能密度的一般表达形式, 以此作为储能密度优化的基础, 建立优化分析的理论模型, 选用复合形法编制优化程序, 得到储能/姿控卫星飞轮储能密度优化问题的一般分析方法, 具有普遍的理论意义。
关键词：储能密度,储能/姿控卫星飞轮,复合形法,应力应变分布
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电力电池储能系统应用与展望 篇3
1 电力电池储能系统与电力系统的关系
当前,电力电池储能系统已被视为电力系统安全经济运行的重要环节(见图1)。电力电池储能系统主要应用在电力系统运行中的削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源4个方面。
受发电设备固有惯性和运行经济性限制,传统的发电方式(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性的特点,而用电负荷固有的随机性和间断性造成了二者之间存在必然的矛盾。虽然可以通过加强电源和电网的建设与投资来解决,但这将导致发电、输电和变电设备的利用效率大大降低并严重影响一次能源的利用效率和电厂的运行经济性。
新型能源(风能、太阳能)的大规模开发和利用,将使这一矛盾进一步加剧和恶化。因此,亟需突破储能相关的关键技术,开发大容量、规模化电池储能系统,以提高一次能源和输变电设备的利用效率,减低温室气体排放[1,2,3]。
电力电池储能系统主要实现能量的储存、释放或快速功率交换,一般由2个系统组成:由电池模块组成的储能电池系统(BESS);由电力电子器件组成的能量转换系统(或称电网接入系统)。电网接入系统主要实现以下功能:①充放电控制;②交流-直流双向变换、直流-直流变换;③功率调节和控制;④运行参数检测和监控;⑤安全防护等。
应用于电力系统中大容量、规模化电池储能系统的相关技术,主要包括规模化系统集成技术和规模化系统接入技术。
2 电力电池储能规模化系统集成技术
电力电池储能系统的规模化系统集成技术,根据其应用情况可以分为大规模集中式储能系统和大规模分布式储能系统。
2.1 大规模集中式储能系统
大规模集中式储能系统以能量转换和电力系统削峰填谷功能为主,以实现电力系统的经济运行,其储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能等。
这类储能电站一般规模较大(数兆瓦至数百兆瓦级),经常在有核电站、大型风电场和以火电为主的电力系统中应用,以满足调峰、快速备用、辅助服务和经济运行的要求。其优点是容量大,运行成本较低;缺点是受自然条件(选址)的约束较大。以前对这类储能系统的研究主要考虑与核电和大规模火电基地的配合调度较多,与大规模太阳能发电、风力发电等的配合较少。
2.2 大规模分布式储能系统
大规模分布式储能系统以平抑电源功率随机波动、维持局部电网或微型电网安全稳定运行为主,经常与可再生能源(如太阳能、风能等)配合使用,其储能方式有蓄电池、超级电容器、超导磁储能、旋转飞轮储能等。
这类储能电站一般规模较小(千瓦至兆瓦级),但如广泛应用,仍可占电力系统容量的相当比例并形成规模。其优点是布局灵活,可建在负荷中心;缺点是容量偏小、单位容量的投资较大。学术界对大规模分布式储能的研究刚刚开始。
3 电力电池储能规模化系统接入技术
电力电池储能系统规模化系统接入技术,目前根据其电网接入点应用情况可以分为以下4类:①新能源发电侧储能入网接入技术;②配电网储能入网接入技术;③用户侧储能入网接入技术;④电动汽车入网接入技术。
3.1 新能源发电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于新能源发电侧,可使新能源功率稳定,提高电网安全性和经济性。近几年,新能源发电发展迅猛,根据国家能源战略,到2020年,风力发电和光伏发电的总装机容量将分别达到1.5亿kW和3 000万kW。由于风力发电、光伏发电、地热发电等功率变动大,发电与用电需求不同步,因此储能系统将成为可再生能源发电设备中必不可少的辅助装备。有了储能装置的配合,这些不稳定的、与用电需求不同步的分布式发电设备才有可能向电网和用户稳定地供电。因此,新能源发电的快速发展对电池储能系统提出了更高的技术要求,也提供了更多的需求。
3.2 配电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于城市负荷中心区域的配电侧,可以减少用于发电、输电、变电、配电设备的投资,提高现有电力设备的利用率,降低发电煤耗、供电损耗以及提高供电可靠性。
随着城市电力需求的与日俱增,城市电网面临电力需求存在巨大峰谷差的挑战。目前城市电网系统,已从普遍缺电逐渐发展到局部地区负荷不稳定和不平衡造成的部分地区和部分时段的电力供应紧张,特别在城市中心负荷密度高的区域,经常有配电变压器过载的现象。然而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。在目前城市负荷中心区域,如采用大容量储能系统接入电网进行削峰填谷,替代常规的解决办法则可有效避免上述问题,不仅使得配电网安全、经济运行,也减少了巨大的增容费和社会环境影响,还提高了设备利用率、降低了线损。
3.3 用户侧储能入网接入技术
将储能电站用于用户侧,可以提高电网的电能质量,增强电网的供电可靠性。目前越来越多具有高度自动化生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量提出更高的要求。例如,对于电子企业,1次0.1 s的停电,就将导致整条生产线上芯片的全部报废,损失可达数千万美元。如果使用基于大容量储能技术的电能质量装置作为备用电源,可提高这些企业用电的安全性和可靠性。
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、高质量的供电电源,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。
3.4 电动汽车入网接入技术
电动汽车是解决能源供需和环境问题的重要手段。按照我国新能源汽车产业发展规划,未来5 a电动汽车将产业化和大规模推广应用,并在2016年进入高速成长期。但大量的车辆充电将带来新一轮的电网负荷快速增长,使得用电负荷峰谷差日益加大的城市电力系统发、输、配电压力巨增。因此,采用电动汽车入网接入技术,将电动汽车能量在受控状态下实现与电网之间双向互动和交换,不仅可解决大规模电动汽车集中充电对电网冲击的影响,而且电动汽车作为移动备用储能装置的分散储能功能,在负荷用电高峰期对电网放电,可减缓电网高峰负荷用电的压力[4]。
将电动汽车和智能电网相结合的V2G技术,可实现电网与车辆的信息和能量双向互动,电动汽车作为电网能量系统的有机组成,可提高电网安全性、稳定性、可靠性和经济性。V2G是一项较前瞻性的技术,目前仅少数机构涉足,具有代表性的研究与示范都在美国。丹麦、英国和澳大利亚正开展这方面研究,大多数为新能源接入方面的示范应用。上海市电力公司是国内最早开展V2G技术研究的企业,目前已在上海漕溪能源转换综合展示基地和上海世博会国家电网馆建成2座具有V2G功能的充放电装置与电网实现双向互动,并在国内首次系统提出了电动汽车入网的研究框架体系以及系统化的充放电策略方案。
4 我国电力电池储能系统技术存在的问题
我国在规模化电池储能关键技术研究领域与国外相比存在以下主要问题。
4.1 电池本体工艺落后
电池本体即化学储能电池的研究、设计、工艺、制造、筛选以及组合等基础工作的任何不足或缺陷,都有可能成为整个储能系统的瓶颈。尽管我国电池的生产技术在总体上已经取得长足进展,但仍有不少技术,尤其是涉及大容量、高功率电池的研究、设计与生产技术,以及电池模块组合与电池组工程应用、运行与管理等诸多关键技术问题还有待于克服和解决。
4.2 大规模应用一直没有进展
尽管电池储能技术有很多的优点,但是由于技术、成本等原因,其在电力系统中的大规模应用一直没有进展。国内实际应用中的电池储能系统储能电站容量都很小,无法形成规模化。随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电电源的大规模并网利用,这些电源所固有的随机性和间歇性使得电力系统的安全性和经济性面临巨大的挑战,急需大规模储能系统的支持。
4.3 电网接入技术研究落后
大规模电池储能系统接入到电网,在一定程度上会影响电网。如含有的大功率电力电子变流设备,会导致电网出现谐波、功率因数低等问题;存储设备投入和切除瞬间的过电压和电压暂降问题;存储设备的运行故障对电网的不利影响等。电网的电能质量问题和运行故障也会对存储设备产生影响,轻者缩短储能设备寿命,重者导致储能设备损坏。对此,一些国际组织制定了能量存储设备并网的标准(如IEEE Std. 1547—2003)。我国因尚未建设大规模电池储能系统示范应用工程,导致电网接入技术的相关研究落后。
5 结语和展望
建设坚强智能电网是国家电网公司必须实现的目标,电池储能的规模化系统集成及接入关键技术是实现这一目标的有力技术支撑,符合国家能源战略,也符合公司促进发展低碳经济的基本方针。以上海为例[5],电池储能系统一旦形成规模效应,将从以下几个方面产生经济效益和社会效应:①有效提高现有发电、输电、配电、用电设备的利用率,改变电力建设的增长模式;②降低发电企业和电网企业的运行成本,减少用户的用电费用;③减少停电损失;④节能减排。
随着智能电网的建设,将促进储能技术升级、 推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长,从而带来相应的投资机会。随着储能技术的大量应用,必将在传统的电力系统规划、设计、调度、控制等多方面带来变革。但是,目前由于国外少数企业的技术垄断,造成价格过高,电网对电力储能系统的需求被压制。因此,国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准,加强储能技术基础研究的投入,鼓励技术创新,掌握自主知识产权,从而降低产品价格,推动电力储能系统在电网中的规模化应用。如能抓住这一发展机遇,储能技术将可能取得重要进展,形成新的储能产业。
摘要：阐述了电力电池储能系统规模化的集成技术和接入技术的研究和应用现状。分析了我国电力电池储能系统存在的主要问题,从需求、技术和经济的角度出发,指出了我国储能产业的发展前景,提出了促进大容量储能产业发展的政策建议。
关键词：电池储能系统,分布式发电,电能质量,智能电网
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地下储能系统的研究与应用 篇4
关键词：含水层,水源热泵系统,地下水储能
1. 地下储能系统现状及研究意义
为了节约能源、保护环境, 降低运行费用, 采用地下水储能技术实现建筑物的中央空调。该项技术涉及到地下水开采与回灌。
为促进水资源的优化配置和可持续利用, 保障建设项目的合理用水要求, 根据《取水许可制度实施办法》和《水利产业政策》, 对于直接从江河、湖泊或地下取水并需申请取水许可证的新建、改建、扩建的建设项目利用水资源, 必须遵循合理开发、节约使用、有效保护的原则;符合江河流域或区域的综合规划及水资源保护规划等专项规划, 按照《建设项目水资源论证管理办法》规定进行建设项目水资源论证。地下储能技术国内外发展状况
利用地下水进行地下储能的技术最早出现在中国, 上世纪六十年代初, 为了缓解地面沉降和解决工厂的储能问题, 北京、上海和天津采用了地下水人工回灌措施。储能方法大都采用单井回灌方式, 每年冬季或夏季, 需用冷能或热能的工厂, 用管井回灌的方法, 将冷水或热水灌入含水层储存起来, 在生产需用冷能或热能时再抽取使用。目前上海市有储冷井400余眼, 冬灌冷水约2000×104m3;储热井130余眼, 夏灌热水600×104m3。天津市九十年代中期有回灌井78眼, 年回灌量170万m3, 目前回灌量已降低。江苏省无锡、苏州、常州一带地下水回灌规模也较大。由于成井技术及回灌技术存在一定问题, 回灌井出现物理堵塞、化学沉淀堵塞、生物化学堵塞, 导致回灌规模难于扩大。
在国外, 地埋管式地源热泵系统发展较早, 在二十世纪上半叶则已成熟, 但规模不大。利用地下水储能技术则是在上世纪八十年代末期开始。此项技术处于领先地位的是荷兰IF技术股份有限公司, 该公司从事地下水储能技术研究和开发多年, 在吸取中国地下水回灌技术经验的基础上, 针对我们难于解决的前述几方面的问题进行研究, 逐步得以解决, 创造出荷兰式地下储能技术。上世纪九十年代在荷兰、比利时、挪威等国推广地下储能工程近二百项, 均为较大型的储能工程。该项技术是最早采用对井, 互为灌采井, 对成井技术、回灌技术进行研究和改进, 实现地下水灌采平衡。利用地下含水层储能, 并与热泵、热交换器联合使用实现建筑物冷暖空调。
近几年来, 在受荷兰地下储能技术的影响, 天津市进行多项地下储能工程试验和建设, 取得了一定进展。但就目前我们的技术水平来讲, 与荷兰地下储能技术尚存在一定的差距。在灌采井施工机械、施工工艺、设备选材和回灌技术等方面均需改进和提高, 目前仍处于探索阶段。
2. 地下储能技术原理
地下储能技术是把大气的冷热能源以地下水为介质, 储存在含水层中, 供使用期间提取。它与风能、太阳能一样, 是一种低维修, 高能效的利用自然能的方法, 是不产生环境污染的“绿色能源”。其工作原理非常简单, 在冬季, 水从所谓的“热井”中抽出, 利用热泵技术释放的热能, 为建筑物供热, 经过冷却后的水回灌至所谓“冷井”。在夏季, 过程正好相反, 从“冷井”中抽出的冷水, 经热交换器 (或热泵) 交换, 为建筑物或工艺过程供冷, 工作完温度升高的水回灌至“热井”。这种储能方式, 可通过一对井或几对井实现, 这要视工程所需能量而定。还有一种形式, 即分别于相对较远的对应井群, 注水井群只用来注水, 抽水井群只用来抽。不同季节注入水量温度平均值等于地下水温度, 经过一定距离流动, 水温接近常温, 可供空调系统用水。受水文地质条件的限制, 目前多数采用前者。
这种装置可取代制冷机组, 比常规的水循环制冷效果好, 其节能、节水、环保效果好。
目前国内俗称的“水源热泵系统”, 与地下水储能系统尚存在一定区别。
2.1 地下储能系统的优点
(1) 能效高:由于本系统可以利用地下水进行储热和储冷, 系统制冷系数略高于压缩式水冷机组, 一般可达4.5以上, 制热系数达5.0以上。
(2) 环保性能好:由于以电为动力源, 无任何排放物, 环保性能优越。
(3) 一机多用:即可冬季供热又可夏季供冷, 也可供应生活热水, 夏季供冷还可省去冷却塔。
(4) 投资与其他方法持平, 运行费用较低:与电冷空调配燃油锅炉、溴化锂空调配燃油锅炉及溴化锂直燃式空调等方式比较, 其投资持平, 但运行费用仅为其他方式的一半或三分之一。
(5) 技术成熟, 自动化控制水平高, 运行和维护简单。
2.2 地下水储能系统与普通水源热泵系统的差异
地下水储能系统通过地下水作为介质采集和储存能源, 重视能源的储存和地下水资源保护, 系统运行过程中, 保持地下水采补平衡, 对环境不产生影响。因所使用的井均为灌采两用井, 为此, 非常重视成井技术和成井质量。地下水不受气温变化的影响, 温度比较稳定, 储能效果显著。夏季储存的水温高于原含水层水温, 冬季储存的水温低于原含水层水温, 反季节利用, 大幅度提高系统供暖和制冷效果, 从而达到节能的目的。而利用地表水的水源热泵, 因地表水受气温影响明显, 能源储存效果较差。同时, 受地表水体的限制, 使用有一定局限性。目前, 国内不少地区利用地下水作为水源的热泵系统, 只采不灌, 不重视成井技术和成井质量, 不重视能源的储存, 更不重视水资源和环境的保护。这在水资源严重缺乏的我国, 是不允许的。为此, 不少地区水资源管理部门严格限制这种形式水源热泵系统的发展。天津市因水文地质条件较差, 地下水超采易引起环境地质问题, 采用地下水作为介质的水源热泵系统, 必需采取采灌并举的方法, 使地下水采灌平衡, 同时也起到储能的作用。
2.3 地下储能系统经济效益比较
“管井灌采地下水应用于冷暖空调的试验研究”曾对目前采用的几种冷暖空调系统的经济效益进行了分析对比, 其结果如下:
固定设备投资:
地下储能系统每万m2投资为195万元。与其他空调设备比较如表2-1:
(比较条件:建筑面积1万m2, 室内温度冬季保证18-22℃, 夏季24-28℃。)
其他三种设备每万m2平均初投资227.3万元, 而使用地下储能可节省初投资32.3万元, 节约14%。
运行费用比较:
冬夏两季与其他空调设备相比较, 条件是电价按0.6元/度, 燃油3.8元/L, 人工费26.7元/d·人, 管井灌采平衡。
冬季运行11小时, 夏季运行11小时。
从上表分析, 三种空调年运行费平均为45.6万元, 而使地下储能仅19.22万元。是其他平均运行费的42%。即每年平均节约运行费26.4万元, 8年以内即可收回投资。
从以上对比可以看出, 地下储能空调系统投资小, 运行费用低。他的前期投资比其他类型空调系统节省20%左右的费用, 运行费用连其他空调的一半都达不到。另外, 使用地下储能占地面积也只有一般中央空调的1/3, 对于寸土寸金的城市就显然是更为合理的选择。
3. 地下水水质预测与分析
采用地下水源热泵系统的储能形式, 对地下水质的重视原因在于: (1) 地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量, 可能对灌采两用井产生的腐蚀、堵塞等影响。 (2) 地下水质对热泵、循环系统可能产生的影响等。
储能系统的正常运行, 回灌是关键的环节, 而地下水水质至关重要, 地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量, 明显影响回灌效果。管井回灌由于地下水化学成分和物理成分往往引起物理堵塞 (气相堵塞、悬浮物堵塞、砂堵) 、化学堵塞、生物 (细菌) 堵塞等。储能系统中水封闭运行, 与外界空气不接触, 只要系统封闭性好, 气体、细菌可避免混入。成井质量好可避免涌砂堵塞。但地下水中固有的化学成分将决定是否形成堵塞, 因为地下水中往往含有多种可溶性盐类, 但是它们并不都很稳定, 当水中PH值变化, 或者溶解氧、二氧化碳、氧离子、硫酸根离子、硫化氢等的含量变化时, 以及水的温度和压力变化是都产生不同盐类的沉淀。
在管井回灌过程中比较常见的是铁质、钙质的沉淀。当回灌水中含有较多的溶解氧时, 或回灌水混入空气, 空气中的氧溶解于地下水中, 这时氧与水中二价铁作用最终生成不溶于水的氢氧化铁, 沉淀在过滤器的网眼或砂层孔隙里, 产生化学沉淀堵塞。当地下水中含有大量钙离子和重碳酸离子时, 则以碳酸钙沉淀为主。重碳酸钙是一种溶解于水, 但又非常不稳定的物质, 当压力、温度变化时就不溶解于水而沉淀下来, 同样造成过滤器和含水砂层的堵塞。
我国尚未颁布地下水回灌水质标准, 依据上海市水文地质大队多年回灌实践总结出的“回灌水化学性质指标” (以下简称“指标”) 进行分析, 该“指标”认为, PH值以6.5-7.5为宜、氯离子含量不能超过250 mg/L、溶解氧不超过7 mg/L、铁含量不宜超过0.5 mg/L, 最好在0.3 mg/L以下。锰含量不宜超过0.1 mg/L。所取层位地下水水质基本符合回灌水质要求。
4. 回灌技术方法
4.1 回灌方法
回灌方法分为负压回灌与压力回灌, 因该项目井组选择第Ⅳ含水组, 该含水组水位埋深较深, 适于选择负压回灌。负压回灌方式较之加压回灌具有节能的优点。密封是回灌的关键环节, 无论是负压回灌还是加压回灌, 均需做好密封。泵管接头、井口法兰、闸阀、井管道上安装的压力表、温度计、电缆等联接部位均需密封。
负压回灌是指在泵管内形成-0.1Mpa压力的条件下, 由泵管将回灌水灌入井下含水层的一种方法, 其操作程序为:
初始回灌量和压力应由小到大逐步调节, 以使含水层逐渐适应, 一定时间内逐渐加大回灌量, 增加到一定程度后, 灌量不再增加,
此时的回灌量为最大回灌量。如一开始即用大灌量, 会造成井下滤层的破坏。
4.2 回扬
由于回灌水中悬浮物及化学沉淀物等可导致井堵塞, 需定期清除, 多年来我国技术界认为较为有效的方法为回扬。荷兰IF公司的储能技术在改进钻进技术、成井工艺、选材及回灌方法等方面取得了进步, 因而从根本上解决了地下水回灌的堵塞问题, 其系统无需经常回扬, 一般说来, 每年仅需回扬几次。
国内地下水回灌由于存在诸多需要改进的方面, 目前仍需频繁回扬, 根据上海市浦东新区人工回灌经验, 回扬频率为回灌24小时, 回扬一小时, 以水清砂净为止。实际回扬水量为回灌量的4.2%。
为节约用水, 保护水资源, 系统中应安装精滤装置, 回扬水可经精滤装置过滤后重新回灌使用, 但需注意封闭运行, 以防气体混入。
随着钻井技术、成井技术的提高和采灌方法的改进, 频繁回扬的现象可以克服。近年来我市发展的储能项目中, 有的实际运行已经做到了采补平衡, 如:天津市农垦集团公司办公大楼、天津市技术监督局质检所、天津市三达铸造有限公司综合办公楼等
5. 结论
2006年8月6日国务院颁布的《关于加强节能工作的决定》明确指出“优化用能结构。大力发展高效清洁能源。大力发展风能、太阳能、生物质能、地热能、水能等可再生能源和替代能源。”并提出采取多种措施, 建立健全节能保障机制, 大力推进节能技术进步。目前天津市在各种大型建筑项目中, 凡是有条件的都倡导优先利用地下储能技术, 该项技术必将会得到健康、快速的发展。
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一种复合储能系统的改进控制方法 篇5
关键词：锂电池,超级电容,复合储能系统,低通滤波,功率分配控制
近年来, 我国大力发展清洁的可再生能源电源, 如光伏电站、风力发电厂等, 其装机容量在电力系统中的比例不断上升, 由于新能源电源输出功率随天气变化而变化, 不能制定出精确的发电计划, 因此大规模可再生能源并网会影响电力系统运行的稳定性和可靠性。在电源出口侧安装复合储能电站以平抑其输出功率波动, 一定程度上将不可控制的电源转化为可调度的电源, 这有助于减少对电力系统的冲击[1]。
复合储能系统是将不同种类的储能方式组合, 通过优化设计, 扬长避短, 以发挥单一储能方式所难以达到的性能的系统。目前, 成本过高是限制储能技术在新能源发电中大量推广应用的主要问题, 提高能量转换效率和降低成本是储能技术研究的重要方向[2]。
本文将分析复合储能系统的结构和组成功能, 根据系统控制目标设计控制方案, 并对系统进行仿真分析。同时, 本文将分析储能元件在特定条件下对系统的影响, 并提出相应的优化方案。
1 复合储能系统
本文研究的复合储能系统结构如图1所示, 由新能源发电装置、混合储能系统及各自的控制器组成。
复合储能系统中使用蓄电池和超级电容器两种储能元件。管理蓄电池和超级电容器的能量, 对于充分发挥二者的优势、提升混合储能系统性能起着重要作用。
综上可知, 复合储能系统的功能如下: (1) 稳定直流母线电压。 (2) 按照混合储能的能量管理方案, 在蓄电池与超级电容器之间实现功率的合理分配。
1.1 储能元件特性
考虑到新能源发电系统具有绿色环保的特点, 其储能装置也应当具备一定的环保性。为此, 本文选择能量密度大、污染少的磷酸锂铁电池和功率密度大、同样污染较少的超级电容组合, 实现新能源发电系统运行状态和可靠性优化的目标[3,4]。
超级电容和锂电池在技术性能上互补, 将两者通过电力电子器件连接使用, 可使系统兼具锂电池的高能量密度和超级电容高功率密度的优点, 同时还可优化锂电池的工作环境。这适用于瞬时功率较大、平均功率相对较低的波动性负载工作场合。
1.2 储能系统的拓扑
图1中的DC/DC变换器采用双向半桥直流变换器, 其拓扑结构如图2所示。其中, u1为储能元件两端电压, u2为直流母线电压[5,6]。当储能元件充电时, 即当能量由直流母线流向储能元件时, S1导通, S2关断;当储能元件放电时, 即当能量由储能元件流向直流母线时时, S1关断, S2导通[7]。
2 复合储能系统控制策略
2.1 复合储能系统能量分配
新能源发电产生的功率为psource, 负载所需的功率为pload, 储能元件吸收或释放的功率为pe, 设储能系统向负载提供功率时, pe为正值。其中有
将新能源系统发出的功率减去负载的参考功率得到储能系统的功率值, 当该值为正时, 储能系统吸收功率, 当该值为负时, 储能系统提供功率给负载。
负载的功率与新能源电源产生的功率的差值为储能系统对负载的给定功率补偿值pess, ref。即
对pess, ref波动功率进行滤波处理, 超级电容吸收了波动较快的功率, 锂电池吸收波动较慢的功率。超级电容的迅速响应, 也减小了系统对锂电池最大输出/输入功率的要求;而超级电容本身由于功率密度大, 能响应短时间内的较大功率输出或输入。
波动较快的功率在零附近频繁变化, 超级电容充/放电的持续时间不长, 其储能容量可设计得比锂电池小很多。超级电容本身反复充放电的循环次数较多, 能适应频繁的充放电变化, 从而避免了锂电池的频繁充放电。
2.2 复合储能系统控制方案
复合储能系统有许多控制方法, 常用的有模糊控制法、PI控制法等。本文采用PI控制法。锂电池和超级电容采用如图4所示控制方法。
图4中外环为电压环, 内环为电流环。将直流母线电压与给定值比较后输入电压环PI, 电压环PI输出电流的给定值经过低通滤波器滤波得到锂电池的参考电流, 剩余部分即超级电容的参考电流。
2.3 控制方案存在的不足
复合储能系统能否发挥各储能元件的性能与其荷电状态 (SOC) 有很密切的关系。储能元件的荷电状态可由如下公式表示
锂电池
式中, C为电池存储容量;Cr为电池额定容量;
电池容量表达式
式中, i为电池电流;t为时间。
锂电池正常工作状态下的SOC会不断变化, 通常锂电池的SOC在[0.25, 1]内变化。
超级电容的荷电状态SOCSC为
式中, USCMAX和USCMIN分别为超级电容电压最大和最小限制, 对应的超级电容SOC值分别为1和0。由此可见, 超级电容的SOC与其端电压成正比。通常超级电容的SOC在[0.4, 0.95]内变化
当出现极端情况, 如储能元件长期处于充电或放电状态下时, 储能元件的SOC会脱离其工作状态。锂电池的SOC脱离工作状态, 会影响寿命, 严重时会造成爆炸。超级电容的SOC不在其工作范围时, 为保证输出功率的稳定, 超级电容的电流将有较大波动, 使系统的直流母线端电压不稳, 同时, 产生的大电流也会对电力电子器件造成损坏。
采用常规的能量分配方式没有考虑储能元件的荷电状态的变化, 当新能源电源出现极端条件时, 容易发生以下两种情况: (1) 超级电容的电流过大, 系统直流母线电压出现跳变, 通过电力电子器件的电流过大。 (2) 锂电池出现损坏甚至爆炸。
3 改进的控制策略
针对于传统的能量分配策略中没有考虑储能元件的荷电状态对复合储能系统直流母线电压的影响, 对能量分配方式进行改进。当某一储能元件SOC过低且储能系统处于放电状态时, 将该储能元件的给定电流设置为0, 起到使其停止放电的目的。此时复合储能系统变为单一储能元件的储能系统, 直到过度放电的储能元件的SOC恢复到正常状态, 系统才恢复成复合储能系统。即采用如图5控制方式。
表1可显示出当储能元件的SOC不在工作状态时, 对应的给定电流值, 表中SOCMIN为储能元件工作状态下的SOC值下限, SOCMAX为储能元件工作状态下的SOC值上限, 不同储能元件的上下限也不同。图6为改进后的控制方案, 其中锂电池的SOCMAX和SOCMIN分配别为100%和25%;超级电容的SOCMAX和SOCMIN分配别为95%和40%。通过逻辑器件连接, 当SOC超出范围后, 将对应的电流给定值设为0。
采用这种方法可防止当储能元件SOC过低时复合储能系统直流母线端的波动, 并防止由于储能元件过度放电而引起的器件损耗。
4 仿真分析
在Matlab/Simulink环境下, 搭建了锂电池-超级电容器并联控制系统电路模型如图7所示。电路参数设置:电感L=2.5 m H, 锂电池额定电压Ub=48 V, Ib=12 A, 超级电容器电容值C=19 F, 负载电阻R=33.3Ω。
仿真一种新能源电源, 使其输出的功率如图8所示。
采用这个电源作为新能源电源与储能元件和负载相接, 并测试系统的各项参数。当超级电容电压过低时, 将超级电容的初始SOC设置为0.4 (uSC=20 V) , 得到原方案结果与改进后的结果对比。
从图中可以看出, 采用原方案, 当超级电容电压过低时, 系统出现不稳定的情况, 直流母线电压跳变到400 V, 超调300%;而改进后的方案, 可使系统继续稳定运行。
采用改进后的方案防止电池发生过放。将电池的初始SOC设置为25%, 并将得到的结果行对比。
可在初始条件下时, 电池达到过放临界点, 此时电池放电电流为0。当t=1.1 s时, 电池的SOC恢复到25%以上才继续进行充电。同时对比直流母线的电压, 可以看出波动在2%以内。
当超级电容电压过高时, 将超级电容的初始SOC设置为0.95 (uSC=47.5 V) , 得到原方案结果与改进后的结果对比。
由上中可以看出, 采用原方案, 当超级电容电压过高时, 超级电容仍继续充电, 在t=2时, uSC=48 V;采用改进后的方案后, 超级电容的电压稳定在47.5 V不再增加。
当电池过充时, 将电池的初始SOC设置为100%得到的结果进行对比。
从图中可看出, 采用原方案, 当锂电池发生过充时, 电池的SOC持续上升, 在t=2 s时, 提升到100.05;而改进后的方案, 电池的SOC只是略微上升, 在t=1.8 s时, 到达最高值100.001。
5 结束语
针对新能源电源发电中产生的间歇性和波动性问题, 采用超级电容器与锂电池组成混合储能系统, 降低新能源电源发电的功率波动。改进了控制策略, 可以使系统的直流母线电压在储能元件SOC不在工作状态时时保持稳定, 并及时保护储能元件使其不会因过度充放电而造成损坏。
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社区储能系统 篇6
电力系统中装设储能系统(ESS)是可再生能源大规模利用的必备条件。ESS的相关应用研究在国际上正在逐渐展开[1,2,3]。 ESS可以对有功和无功同时进行调节,从而增强电力系统小干扰稳定性,国内外对此也开展了研究工作[4,5,6,7]。文献[4,5,6,7]对各种ESS对系统稳定性的影响开展了研究,仿真和现场试验结果表明ESS能够向系统提供正阻尼,可以有效改善电力系统稳定性。文献[5]对于ESS抑制电力系统低频振荡的机理进行了初步探讨,但都没有对ESS参数整定提出可行方法。本文围绕机理和整定方法展开研究。
基于经典控制理论的阻尼转矩分析(DTA)方法是建立在发电机转子运动所获得的阻尼转矩这一实际概念上,物理意义清晰,已实际应用于电力系统稳定器(PSS)抑制振荡机理的探索。本文应用DTA方法研究储能装置抑制低频振荡的机理,在此基础上提出了基于DTA的ESS定位以及稳定器通道选择和参数配置的装置整定方法。
1 含有储能的统一线性化模型
基于电压源逆变器的静止无功补偿器(STATCOM),在直流侧采用电池作为储能元件构成电池储能系统(BESS),组成STATCOM/BESS[7,8],能与系统自由交换有功功率,其三相结构如图1所示。
在系统稳态过程中,储能系统电容电压保持不变,为Vdcref。在系统暂态过程中,如果电容电压降低(Vdc<Vdcref),电池对电容充电,向系统注入有功功率;如果电容电压过高,则电池从系统吸收有功功率;两者相等,则电池与系统不发生有功功率的交换,此也为抑制低频振荡的物理解释。
STATCOM/BESS含有有功功率控制器和无功功率控制器。无功功率控制器控制电压幅值,有功功率控制器控制电压相角,在用于低频振荡抑制时,可分别在这2个控制器上设计附加阻尼控制器。传递函数框图如图2、图3所示。
附加阻尼控制器输出信号Vvs和Vds,如图2和图3所示,统称为控制信号Vs。阻尼控制器输入信号称为反馈信号y,即本地信号,一般取为所装线路的功率偏差值。
将储能系统方程线性化,并与全系统状态方程整合,通过网络代数方程的接口,可以得到全系统线性化方程:
式中:δ为发电机功角;ω为转速;Z为除了功角和转速之外的发电机状态变量,还包括储能装置自身的状态变量(不包括附加阻尼控制器的状态变量);B为稳定器控制信号Vs到状态变量的传递函数。
输出变量y可以表示为状态变量的组合:
式中:C为状态变量到反馈量y的传递函数。
假设阻尼控制器传递函数为G(s),即
式(1)～式(3)组成全系统统一方程。
2 储能系统DTA
2.1 储能系统DTA理论
DTA的基本概念是稳定控制器向系统提供阻尼转矩,通过DTA能清晰揭示控制器阻尼转矩的产生、分配和传递的信息。
假设系统共N台发电机,根据全系统线性化方程(1),得传递函数框图如图4所示。阻尼控制器控制信号到发电机机电振荡环节的前向通道函数为:
根据线性控制理论,式(2)中反馈信号y是状态变量的组合,可以通过各台发电机转速ω分别进行重构,γj(s)为重构函数,可得:
则阻尼控制器针对第i个振荡模态,向系统中第j号发电机提供的转矩为:
式(6)表明:稳定器并不是只向某一台发电机提供阻尼转矩,而是向每一台发电机都提供。但是稳定器提供的转矩必须通过各台发电机以影响振荡模态,因此还需考虑各台发电机对模态的影响程度。定义第i个模态λi对第j台发电机转矩TDij的灵敏度Sij来评估发电机对模态的影响能力:
则由于阻尼控制器提供转矩变化而导致相应模态变化的方程为:
由式(6)知,TDij的变化只可能由于阻尼器传递函数变化引起,因为其他部分都仅与系统相关。得
定义:
由式(9)、式(10)可得阻尼传递框图(见图5),发现阻尼控制器通过2组渠道向振荡模态i提供阻尼:首先通过第1组渠道Hij∠φij,向各台机组提供阻尼转矩,再通过第2组渠道Sij,经由各台机组对振荡模态的参与,产生对模态的阻尼,将阻尼转矩转化为对模态提供的阻尼。因此,式(10)中的DTA指标IDTAi表征了控制器对模态的影响能力,清晰地表达了储能系统稳定器对模态提供阻尼的机理。
2.2 基于DTA的储能系统整定方法
储能系统抑制低频振荡,有3项整定内容需要考虑,如图6所示。
由于DTA指标表征储能对模态的影响能力,IDTA大即表示该储能对模态阻尼的灵敏度大,因此针对安装地点的选择,以IDTA大作为选择的标准;同理也可作为安装通道选择标准。
对于参数配置,可将相位补偿法扩展到稳定器的相位整定。相位补偿法是针对单机无穷大电力系统提出的,而针对储能系统,通过N个通道向模态提供阻尼,基于IDTA指标,将N条通道整合,可以得到如图7所示的单向通道。
通过相位配置,使稳定器传递函数为:
式中:KG为控制器放大倍数。
结合式(11)和式(9),得
Δλi=(Kg∠ϕ)Δ(KG∠-ϕ)=KgΔKG (12)
即基于DTA指标进行合理的角度配置后,使得KG的变化直接影响模态实部,而对虚部没有影响。
3 算例
3.1 两区四机系统验证
两区四机系统网络图见附录A图A1,存在一弱阻尼区域振荡模态(频率0.563,阻尼0.01),通过安装储能系统以提高该模态的阻尼。
对于控制器调制通道的选择,附录A表A1是储能系统安装在B7时的分析结果。结果表明:①稳定器向4台发电机都提供阻尼转矩,并且通过4台发电机影响模态阻尼,稳定器对模态影响为4条通道之和;②采用相角调制要比幅值调制效果好,这与储能系统物理理解相符,因为相角调制直接影响有功功率。对于装置安装地点的选择,附录A表A2是针对相角调制时不同安装地点的分析结果,表明储能系统安装在B7比B8的效果好,即安装在功率流出点效果好。对于阻尼控制器角度整定,采用2.2节的整定方法得到的结果见附录A表A3。基于整定参数,时域仿真图见附录A图A2和图A3,验证了整定方法的正确性。
3.2 实际电网的推广
以华东电网2010年夏高运行方式为例,研究储能装置的应用。该区域电网2010年存在4个区域振荡模态,其中以福建模态(频率0.567,阻尼0.03)阻尼最弱,因此选择福建模态研究储能系统对模态低频振荡的抑制。
对于该模态,首先是安装地点的选择,选择典型的区域联络线作为备选地点,通过IDTA的计算选择对福建模态影响最大的地点作为储能装置安装地点。对于阻尼控制通道的选择,同样基于IDTA选择。储能装置安装在各联络线的IDTA计算结果见表1。
通过安装地点IDTA的比较,选择在宁德—双龙线安装储能装置,具体容量与线路有功变化限值相关,算例中线路有功最大变化范围不超过35 MVA,因此选取容量40 MVA。对于通道选择,发现相角调制比幅值调制效果好,这与物理理解也一致。
通过参数整定,仿真结果见图8。针对华东2010年电网的福建模态,通过在宁德—双龙线安装储能装置及相角调制,可以有效地抑制福建模态。
4 结语
本文应用DTA研究储能装置抑制低频振荡的机理,清晰表达了储能装置对模态提供阻尼的全过程,并在此基础上,提出了基于DTA的储能元件定位以及参数配置的方法,发现线路功率流出端的安装效果明显,并且采用相角调制要比幅值调制的效果更好,通过实际电网表明了储能对大规模电网提高低频振荡稳定性的良好应用前景。
储能装置的应用与容量密切相关,如何在DTA整定方法中将容量因素考虑在内,如何选取合适的容量以面对各种振荡场景、提高储能装置的鲁棒性,这是储能装置能否大规模应用的关键问题,也是极具意义的研究方向。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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风力发电系统中储能技术的研究 篇7
1 风力发电储能技术概述
随着科学技术的日新月异, 人们利用风能资源的水平也在不断地提高, 很多储能的技术方法在实践中得到了推广。对于电力系统来说, 风力发电的储能的技术手段可以达到以下几个方面的作用:一是使整个发电系统稳定性增强, 为人们提供更稳定的电力来源;二是风力发电储能系统可以有效维持整个电网的稳定, 使电力系统的电量运输和能量支持更加的平稳, 达到人们对电量功率的需求, 为人们提供更长时间的电力支持, 提高电力供应的质量与水平;三是如果电力系统中的电量足够大, 可以在更长时间内为用户提供服务, 也能够根据电力供应的实际情况对风力发电系统进行有针对性的调整, 使风力发电系统符合人们的用电需求, 在风力资源丰富的时候储备, 在风力资源短缺的时候输出, 为用户做好储备工作。通过上述措施, 可以为电力供应企业带来更大的经济效益, 也能够有效减少电力资源的成本, 使电力供应更加的平衡和稳定。
根据风力发电系统中储能方法和技术手段的不同, 我们可以将储能技术进行合理的分类, 这样我们才能够对这些技术手段进行详细的研究与分析。目前, 人们通常把储能技术分为多种, 包括物理方法、化学方法、电磁方法等。接下来, 我们再对这些技术进行详细的分析:物理方式可以利用水、飞轮和空气压缩等手段对风能资源进行储备;利用电磁的方式主要是利用超导的方法实现风力资源的储备。而化学的方法则主要是利用一些蓄电池等手段对电力资源进行储备。在本文中, 我们主要对常见的储能技术进行分析, 并分别对其特点和效果进行详细的论述, 希望能够让人们更详尽地了解这些储能的技术和方法。
2 风力发电储能技术的应用
2.1 储能设备的接入
为了增强风力发电系统的稳定性, 也为了使发电企业获得更好的经济效益, 必须积极学习和利用储能的方法与技术手段, 在风力发电系统中接入储能的装置与设备。在接入储能设备的时候, 要根据当地风能的特点和企业自身的实际情况选择储能装置, 使储能装置负荷这个电力企业的需求, 将多余的电量储存起来, 在风力能源较小的时候使用, 实现电量的平稳输出, 这是接入储能设备的初衷。
对于风力发电系统中的储能手段来说, 它们在结构形式上有很大的不同。所以, 我们可以通过研究这些储能技术手段的不同结构, 将这些储能技术进行合理的分类。根据现阶段人们对储能技术的利用结构, 我们可以将储能技术分为两种, 即分布式和集中式。对于分布式的储能方式来说, 主要是将储能装置安装在风力发电机的位置, 需要为每一台风力发电机都安装好储能装置, 由于单台储能装置的容量有限, 就增强了风力发电系统的稳定性和平衡性, 提高了风力发电系统的效率与水平。但是这种储能技术也有其弊端, 因为这种储能技术需要在每一个风机中安装储能设备, 增加了工作人员的工作量, 这种技术的安装方法和安装方式也较难掌握。对于集中式储能技术来说, 可以根据风力发电的实际情况调整风力发电储能装置的输出和输入功率, 能够根据电网系统的需要适时调整, 更具灵活性和适应性。利用这种储能技术可以有效减少储能设备的数量, 降低了工作的难度和工作量, 工作人员也更容易操作, 但是这种储能技术也提高了储能装置中能源的容量, 对变流器和储能设备都有很高的要求, 很多电力企业难以满足这方面的需要, 在很多企业中难以得到应用和推广。
2.2 分布式储能技术的应用
在分布式储能技术的应用环境下, 因为风力发电机都包含着直流的环节, 我们可以将电容器与直流母线相连接, 当风速下降, 风力不能满足发电的需要时, 我们可以利用储能设备向直流侧传输功率, 然后再通过变流器向电网系统输送, 使整个电网的运行更加的稳定、可靠, 保持功率的恒定, 实现平滑的电力供应。当风速上升时, 我们可以将多余的电能传送到直流侧, 由储能装备系统吸收, 实现了功率的平稳输出, 也使电力能源得到了充分的利用。以上就是分布式储能技术的原理。
2.3 集中式储能技术的应用
在应用集中式的储能方法过程中, 我们要将这种储能的设备接入到风电场的母线处, 这样才能够让这个风力发电的系统更加的平稳。在这种储能技术中, 我们主要是利用了储能电池和PCS设备对风能资源进行储备和调节。当风场的风力变化较大时, 储能设备就能够充分发挥作用, 使变换器处于boost状态, 使变流器处于逆变或整流状态, 双向直流变换器也会发挥作用, 对储备电池进行充电, 以达到储备电力资源的作用。
3 结语
储能技术是风力发电系统中的重要技术, 也是风力发电企业研究的重点课题, 只有研究好储能技术才能够更好地应用风力发电系统, 为人们提供更稳定的电力供应, 更好地为人们服务。现阶段, 风力发电系统中储能技术的种类有很多, 功能和作用也各有差异, 我们需要根据当地和风力发电企业的实际情况选择合理的储能技术和储能设备, 增强风力发电系统的可行性和可操作性, 更好地利用储能技术为人们提供稳定的电力供应。
摘要：本文主要从以下几个方面探讨风力发电系统中储能技术:一是风力发电储能技术概述, 对风力发电储能技术的特点、作用和效果进行了分析;二是风力发电储能技术的应用, 说明了储能设备的接入方法, 并对主要的储能技术进行了分析, 分别对集中式储能技术和分布式储能技术进行了详细的阐述, 并说明了其应用方法。
关键词：风力发电系统,储能技术,分析研究
参考文献
[1]李长武.储能技术在风力发电系统中的应用[J].科技创新与应用, 2012 (9) .