2020智能电网中蓄电池储能技术及其价值评估.pdf
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1、智能电网中蓄电池储能技术的价值评估目 录前言第1章 储能技术的发展及其特点1 1.1 当前我国电力系统面临的新问题1 1.2 储能的方式及其特点2 1.3 不同储能方式的优缺点对比6第2章 城市电网中发展蓄电池储能技术的意义8 2.1 城市电网中蓄电池储能装置的作用8 2.2 城市电网建设蓄电池储能站的必要性1 4 2.2.1 城市电网负荷特性1 4 2.2.2 城市地区地理条件限制1 6 2.3 蓄电池储能装置的应用模式1 7 2.4 蓄电池储能装置的安装场景2 0 2.5 小结2 2第3章 蓄电池储能技术特点及应用现状2 3 3.1 蓄电池储能技术概述2 3 3.2 锂离子电池技术性能及应
2、用2 5 3.3 镍氢电池的技术性能及应用3 3 3.4 钠硫电池技术性能及应用3 8 3.5 钒电池技术性能及应用4 6 3.6 国外蓄电池储能电池发展现状5 3 3.7 小结5 4第4章 储能系统的隐性价值 改善电网运行5 6 4.1 储能系统接入电网对系统运行电压的影响5 6 4.1.1 加装储能装置前的节点运行电压的计算5 6 4.1.2 加装储能装置后的节点运行电压的计算5 8 4.2 储能系统接入电网对系统网络损耗的影响5 9 4.2.1 加装储能装置前的网络损耗计算5 9 4.2.2 加装储能装置后的网络损耗计算5 9 4.3 实例计算5 9 4.3.1 某配电网介绍6 0 4.
3、3.2 原始配电网运行现状分析6 2 4.3.3 确定储能系统的安装地点6 7 4.3.4 确定储能系统的安装容量7 3 4.4 小结8 3第5章 储能系统应用的主要单项效益分析8 5 5.1 储能系统延缓配电网扩建方面的效益评估8 5 5.1.1 我国配电网存在的问题8 5 5.1.2 储能装置延缓电网升级的原理8 6 5.1.3 储能装置延缓电网升级的分析计算8 7 5.2 储能系统在电能时移方面的成本效益分析8 8 5.2.1 N a S储能系统的经济模型8 9 5.2.2 储能系统固定成本的等年值计算9 0 5.2.3 配置储能系统的时移电量计算9 1 5.2.4 储能系统进行电能时移
4、的成本效益分析9 2 5.3 储能系统减少网损的效益分析9 8 5.3.1 配置储能系统的系统网损计算数学模型9 9 5.3.2 实例计算1 0 0 5.4 用户侧储能系统的成本电费收益分析1 0 2 5.4.1 两部制电价简介1 0 3 5.4.2 上海市的电价体系简介1 0 5 5.4.3 成本电费收益分析1 0 7 5.5 风电场中储能系统的电量时移效益分析1 1 2 5.5.1 储能系统在风力发电系统中的作用1 1 2 5.5.2 各种储能技术在风电场中应用前景的比较分析1 1 3 5.5.3 风电场配置储能系统的合理容量1 1 4 5.5.4 风电场中储能系统的效益分析1 1 6 5
5、.5.5 风力发电的峰谷上网电价设计方案1 1 7 5.5.6 储能系统在风电并网中应用的成本效益分析1 1 8 5.6 小结1 2 0智能电网中蓄电池储能技术及其价值评估第6章 配电网中蓄电池储能装置的总价值评估1 2 3 6.1 减少电网扩建容量的收益1 2 3 6.2 减少电网总网损的收益1 2 8 6.3 储能装置低储高发的套利1 3 0 6.4 减少新能源发电所需的常规备用容量1 3 0 6.5 减少电网可靠性成本1 3 1 6.6 储能装置的投资成本分析1 3 5 6.7 配电网中蓄电池储能装置的价值评估模型1 3 6 6.8 小结1 4 1第7章 用户侧蓄电池储能装置的总价值评估
6、1 4 2 7.1 减少用户配电站建设容量1 4 2 7.2 减少容量电价制度下用户的基本电费1 4 3 7.3 减少用户的购电费用中的电量电费1 4 4 7.4 降低配变损耗费用1 4 5 7.5 降低停电损失费用1 4 5 7.6 投资成本1 4 7 7.7 总价值评估模型1 4 8 7.8 求解方法及实例1 4 9 7.9 小结1 5 5第8章 风电场中蓄电池储能装置的总价值评估1 5 7 8.1 减少风电场所需备用容量1 5 8 8.2 峰谷上网电价下的低储高发套利1 6 0 8.3 减少风电场并网通道的建设容量1 6 4 8.4 投资成本分析1 6 5 8.5 总价值评估模型1 6
7、5 8.6 求解方法及实例1 6 6 8.7 小结1 7 3第9章 蓄电池储能在微电网中的经济性分析1 7 4 9.1 微电网概述1 7 4 9.2 微电网关键技术、标准和政策现状1 8 8 9.2.1 微电网关键技术1 8 8 9.2.2 微电网标准体系研究1 9 0目 录 9.2.3 微电网的政策现状1 9 4 9.3 微电网技术经济性分析1 9 5 9.3.1 微电网经济性影响因素1 9 6 9.3.2 实例分析1 9 7 9.4 小结2 0 1第1 0章 基于S WO T分析的各类蓄电池储能技术比较2 0 2 1 0.1 S WO T战略分析法2 0 2 1 0.2 蓄电池储能技术的S
8、 WO T分析2 0 3 1 0.3 小结2 0 8第1 1章 P J M电网中蓄电池储能装置应用实例4 32 0 9 1 1.1 储能时间和效率对套利价值的影响2 0 9 1 1.2 地区和时间差异导致燃料和电能价格差异对套利价值的影响2 1 3 1 1.3 大规模储能对储能套利价值的影响2 1 7 1 1.4 小结2 1 9第1 2章 风电场的储能配置2 2 1 1 2.1 风电场配制储能装置的形式2 2 1 1 2.1.1 风电场储能装置的容量配置2 2 2 1 2.1.2 风电场储能装置实际利用率分析2 2 5 1 2.2 风电场上网电价2 2 7 1 2.2.1 风电场上网电价计算方
9、法2 2 7 1 2.2.2 风电场配制储能装置对上网电价的影响2 3 0第1 3章 光伏发电系统的储能配置2 3 2 1 3.1 储能电池与光伏发电系统的配合2 3 2 1 3.2 太阳能光伏发电配置储能电池的容量确定2 3 2 1 3.2.1 储能电池容量的计算2 3 2 1 3.2.2 光伏发电系统中储能电池设计和安装注意事项2 3 3第1 4章 城市电网储能技术推广应用的远景及技术路线2 3 4 1 4.1 推广应用的远景2 3 5 1 4.2 蓄电池储能技术发展展望2 3 9 1 4.3 小结2 4 1附表2 4 2参考文献2 5 5智能电网中蓄电池储能技术及其价值评估第1章 储能技
10、术的发展及其特点1.1 当前我国电力系统面临的新问题安全、优质、经济是对电力系统的基本要求。近年来,随着全球经济发展对电力需求的增长和电力企业市场化改革的推行,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,主要的问题有:系统装机容量难以满足峰值负荷的需求;现有电网在输电能力方面落后于用户的需求;复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出;用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高;电力企业市场化促使用户侧需要能量管理技术的支持;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。2 0 0 0年到2 0 0 1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
11、力价格大范围的波动以及多次停电事故;我国自2 0 0 2年以来,以连续四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,也不同程度上出现了电力供应短缺的现象。系统供电能力,尤其是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。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运行的前提下向用户可靠地输送电能。但是由于经济、环境、技术以及政策方面因素的制约,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
12、结构上的不合理问题;另一方面,随着电力企业的重组,为了获得最大利益,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配电设备和发电厂。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。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,输配电系统相当于一个电能集中容器,系统中所有发电厂向该容器中注入电能,用户通过配电网络从该容器中取用电能。对于这种集中式输配电模式,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了电力系统运行的复杂程度,降低了系统运行的安
13、全性。目前,电力系统还缺乏高效的有功功率调节方法和设备,主要采用的方法是发1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,在传统的电力系统中,当电力系统中出现故障或者大的扰动时,同步发电机并不总是能够快速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
14、联锁性故障甚至系统崩溃。美国和加拿大2 0 0 3年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,就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。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、电压闪变和波动以及谐波电压畸变都不同程度地威胁着用户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。当一个大系统由于事故的联锁反应而导致系统瓦解,出现大面积停电时,会造成难以估计的经济损失和社会影响。规划和运行中的不
15、确定因素和不安全因素的增加对系统的安全稳定控制提出了越来越严峻的挑战。而无论是调峰问题,还是稳定问题,其根源都在于能量的不平衡,或者说是电能的生产、输送、消费的瞬时不平衡。电能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。各种形式的储能装置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。如果将储能装置用于系统稳定控制,则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
16、。储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。系统中引入储能环节后,可以有效地实现需求侧管理,消除昼夜间峰谷差,平衡负荷,不仅可以更有效地利用电力设备,降低供电成本,还可以促进可再生能源的应用,也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。储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。1.2 储能的方式及其特点电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储,到目前为止,人们2智能电网中蓄电池储能技术及其价值评估已经开发了多种形式的储能系统,按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型。其中物理储
17、能包括抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能;电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括冰蓄冷储能等。其中适合于大规模储能的有液流储能系统技术、钠硫储能系统技术、扬水储能技术和压缩空气储能技术等。1.物理储能(1)抽水蓄能电站在负荷低谷的时候,抽水蓄能电站的抽水储能设备工作在电动机状态,将下游的水抽到上游,将电能转换为水的势能;在负荷峰值的时候,抽水储能设备工作在发电机状态,上游的水流下,通过发电机将水的势能转换成电能。它是目前电力系统中技术最成熟、应用最广泛的储能方式。抽水蓄能主要应用领域包括削峰填谷、调频、调相、紧急事
18、故备用、黑启动以及提供系统的备用容量,还可以提高发电端火电厂和核电站等的运行效率。抽水蓄能电站可以在电网负荷出现突然变化时,几分钟内快速响应,这是其他类型发电厂所无法比拟的,如果同风能发电、太阳能发电等联合组成小的供电网络,还可以应用在偏远地区或者孤岛上。同时,抽水蓄能电站可以根据存储电能的多少合理地设计水库的容量,在当前风能、太阳能发电及核电等大规模发展建设的情况下,抽水蓄能电站作为电网安全可靠运行的保障,成为电网不可或缺的部分。但抽水蓄能受地理位置、生态环境及建设周期(一般要45年)等各方面的影响较大。(2)飞轮储能在负荷低谷时,电网中富余的电能带动飞轮旋转,以动能的形式存储能量,完成电能
19、机械能的转换过程;在负荷峰值的时候,高速旋转的飞轮作为原动机带动发电机旋转发电,经功率变换器输出电流和电压,完成机械能电能转换的释放能量过程。飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。飞轮储能功率密度大于5 kW/k g,能量密度超过2 0Wh/k g,效率在9 0%以上,循环使用寿命长,工作温区为-4 05 0,无噪声,无污染,维护简单,可连续工作,积木式组合后可以实现兆瓦级,输出持续时间为几分钟至几个小时。飞轮储能具有储能密度大、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、瞬时功率大、响应速度快、
20、维护费用低、环境污染小、深放电、不受地理环境限制等特点,可以在很大程度上解决新能源发电的随机性、波动性问题,实现新能源发电的平滑输出,有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化。飞轮储能的缺点是放电时间短,只能放电几十秒至数分钟,而且设备成本高,部件更换昂贵。飞轮储3第1章 储能技术的发展及其特点能正向高转速、高温超导方向发展。飞轮储能主要用于不间断电源(U n i n t e r r u p t-e dP o w e rS u p p l y,U P S)/应急电源(E m e r g e n c yP o w e rS y s t e m,E P S)、电网调峰和频率控制。(3)压
21、缩空气储能在负荷低谷的时候,电网中富余的电能用来压缩空气,并将其存在高压罐中;在负荷峰值的时候将压缩空气释放出来,驱动燃气轮机发电。压缩空气储能系统可以用于冷启动、黑启动;因其响应速度快,主要用于峰谷电能回收调节、负荷平衡、频率调制、分布式储能和发电系统备用。第一座压缩空气储能电站建于德国H u n t o r f,于1 9 7 8年投入使用,其主要功能是作为紧急备用电力或平衡负荷,此系统能够在2 h内供应2 9 0 MW的电力。第2座压缩空气储能电站建于1 9 9 1年,位于美国亚拉巴马州,它把压缩空气存储在地下深度为4 5 0 m的废盐矿中,该系统可以为1 1 0 MW的燃气轮机连续提供2
22、 6 h的压缩空气。日本于1 9 9 8年开工建设北海道三井砂川储气库,并于2 0 0 1年投入使用,输出功率为2 MW。此外,加拿大、英国、法国等国也长期致力于压缩空气储能的开发研究,而我国目前处于研究阶段,尚无此应用。压缩空气储能的优点是发电时的燃料消耗比调峰用燃气轮机组减少了1/3,所消耗的燃气要比常规燃气轮机少4 0%,建设投资和发电成本低于抽水蓄能电站,安全系数高,寿命长;缺点是其能量密度低,并受地理环境(如岩层等地形条件)的限制。随着分布式能源在电网中比例的增大,小型化压缩空气库和提高储能压力是未来的发展方向。2.电磁储能(1)超导储能系统超导储能系统(S u p e r c o
23、n d u c t o rM a g n e t i c sE n e r g yS t o r a g e,S ME S)利用由超导线制成的线圈,将电网供电励磁产生的磁场能量存储起来,在需要时再将存储的能量送回电网或作它用。超导储能系统通常包括置于真空绝热冷却容器中的超导线圈、深冷和真空泵系统以及作为控制用的电力电子装置。电流在由超导线圈构成的闭合电感中不断循环,不会消失。超导储能与其他储能技术相比具有显著的优点:由于可以长期无损耗存储能量,能量返回效率很高;能量的释放速度快,通常只需几秒钟;采用S ME S可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。高温超导技术和电力电子技术的发展促进了超
24、导储能装置在电力系统中的应用,在2 0世纪9 0年代已被应用于风力发电系统。S ME S快速的功率吞吐能力和较为灵活的四象限调节能力,使得它可以有效地跟踪电气量的波动,提高系统的阻尼。各种研究表明,S ME S装置在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。目前在分布式发电系统中,S ME S储能单元常用于孤岛型的风力发电系统和4智能电网中蓄电池储能技术及其价值评估光伏发电系统,随着风力发电向规模化、产业化发展,以及装置成本的降低,S ME S也会在并网型风电系统中大量应用。超导储能今后主要的研究方向是:变流器和控制策略,降低损耗和提高稳定性,开发高温超导线材(HT S),失超保护技术等。此外,超导
25、储能技术还可以用于配电网的电压支撑、功率补偿、频率调节,以及提高系统稳定性和功率输送能力中。(2)超级电容储能系统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。由于 电荷层间距 非 常 小(一 般0.5 mm以下),加之采用特殊电极结构,使电极表面积成万倍的增加,从而产生极大的电容量。在很小的体积下达到法拉级的电容量;无需特殊的充电电路和控制放电电路;和电池相比,过充、过放都不对其寿命构成负面影响;从环保的角度考虑,它是一种绿色能源;超级电容器可焊接,因而不
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