全钒液流储能电池VRB
- 格式:pdf
- 大小:225.90 KB
- 文档页数:7
收稿日期:2012-05-19基金项目:广西理工科学实验中心重点项目(LGZX201106)作者简介:杨继云(1986—),女,河南省人,硕士生,主要研究方向为智能优化控制。
导师:林小峰(1955—),男,广西壮族自治区人,教授,主要研究方向为智能优化控制。
2.5kW全钒液流电池的建模与仿真杨继云,林小峰(广西大学电气工程学院,广西南宁530004)摘要:介绍了全钒液流电池(VRB)的化学反应原理以及组成部分,分析并确定影响钒电池充放电的主要因素,建立了2.5kW钒电池的电化学模型和机械模型。
利用Matlab仿真,在恒流充放电的条件下,得到钒电池运行过程中的电堆电压和电池功率曲线,研究了电池充放电过程中的流量参数优化。
该模型较好地反映了钒电池的充放电特性,可为钒电池的操作运行以及能量优化提供工程指导。
关键词:钒电池;模型;仿真;优化中图分类号:TM911文献标识码:A文章编号:1002-087X(2012)12-1812-04Modelandsimulationof2.5kWvanadiumredoxflowbatteryYANGJi-yun,LINXiao-feng(SchoolofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,NanningGuangxi530004,China)Abstract:ThechemicalreactionandcomponentsoftheVRBwasintroduced,themainaffectingfactorswereanalyzedanddetermined,andthemodelofthe2.5kWVRBwasbuilt,whichcomposedtheelectrochemicalmodelandmechanicalmodel.ThemodelwassimulatedbythetoolboxofMatlabwithconstantcurrent,thestackvoltageandpowercurveoftheVRBwasobtained,andtheoptimizationoftheflowrateparameterswasstudiedduringthechargeanddischarge.ThemodelcouldreflectthecharactersoftheVRBinchargeanddischargeprocess,whichprovidedanengineeringguidancefortheoperationandenergyoptimizationofVRB.Keywords:VRB;model;Simulink;optimization全钒液流电池(VRB,简称钒电池)是一种新型环保化学储能电源,在储能过程中,电能转化为化学能,储存在钒离子溶液中。
钒电池的发展历程及工作原理钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,缩写为VRB),1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kazacos提出。
钒电池用不同价态的钒离子溶液分别作为正负极活性物质,通过外接泵把溶液从储液槽压入电池堆体内完成电化学反应,反应后溶液又回到储液槽,活性物质不断循环流动,由此完成充放电。
其反应式如下:负极反应: V2+-e- V3+正极反应: VO2++2H++e- VO2++H2O在机械动力作用下,电解液在储液罐和半电池的闭合回路中进行循环流动,从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。
钒电池的基本工作原理示意图钒电池的主要特性:·充放电次数可达10,000次(20年)以上·功率与容量分开,高达兆瓦级输出功率·绿色环保无污染,电池可完全回收·放电深度高达80%以上·充放电时间比为1:1·支持过冲过放·电池免维护1996年日本的住友电工(SEI)12月建成450KW级钒电池电堆,实验数据表明电池循环性能很好,530次循环电池能量效率均值为82.3 %。
2003年11月澳大利亚Pinnacle VRB Ltd建成系统容量为800 KWh,输出功率200 KW。
VRB-ESS的使用除了提高King Island岛上居民区的电能供应功率水平、稳定风力发电系统供电外,还减少了柴油机发电,因而减少了燃料费用及向环境中排放的废气量。
2004年2月,VRB Power Systems为Pacific Corp公司(Castle Valley,Utah)建造的大型VRB-ESS正式竣工。
该系统储能容量2MWh、输出功率250KW,是北美地区第一座大型商业化VRB储能系统,主要用于满足美国犹他州东南部偏远地区用电高峰时的电力需求,即起削峰填谷作用。
钒电池简介随着经济的发展,人们对能源的需求越来越多,随着时间的推移,传统能源将逐渐枯竭,同时,煤、石油、天然气等传统能源的使用还伴随这环境污染问题,能源问题成为当前制约各国经济发展的重要因素。
因此新能源的开发已经迫在眉睫。
随着科学技术的发展,国内外在开发可再生的新能源方面已经取得了重要的突破,如:风能、太阳能、潮汐能、地热能、核变能等等。
相较于传统能源,新能源具有污染小、可再生、储能大等优点。
但是,无论是风能、太阳能还是潮汐能都具有明显的时令性和季节性,不能够满足人们对电能持续、稳定、可控的需求,这就需要一种大型的储能设备来解决这一问题。
液流电池作为一种大型的储能设备具有其独特的优势可以用于新能源的开发中。
其部件来源广且易回收,不会造成环境污染;另外,由于其容量只与电解液浓度和储量有关,故其设计灵活,可以根据要求来调节电池容量。
而钒电池作为一种由同种元素组成的液流电池,其避免了正负极电解液之间的交叉污染。
其通过钒离子不同价态之间的相互转换实现电能与化学能的转化,操作简单,近年来备受关注。
全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Flow Batterie, VRB),简称钒电池,是一种新型的储能设备。
1984年,澳大利亚新南威尔士大学Marria Syallas Kazac 教授首次提出全钒氧化还原液流电池(VRB)的概念,并于1986年申请了专利。
该团队之后还对钒电池进行了大量的研究,为钒电池的发展提供做出了重要的贡献。
1、钒电池工作原理:钒电池是通过不同价态钒离子之间的相互转换来实现电能存储与释放的。
钒电池的电解液是不同价态钒离子与硫酸的混合液,正极电解液为V4+/V5+硫酸电解液,负极为V2+/V3+硫酸电解液。
电解液储存在外接储液罐中,通过外界泵将电解液打入对应的半电池,使电解液在储液罐与半电池间形成循环,两个半电池通过离子交换膜分开,防止正负极电解液交叉污染。
钒电池工作原理如图1.1所示,充电完成后正极电解液变为V5+硫酸溶液,负极变为V2+硫酸溶液;放电完成后,正极电解液变为V4+硫酸溶液,负极变为V3+硫酸溶液。
全钒液流电池等效电路模型的分类和比较
全钒液流电池等效电路模型的分类和比较
方建华,王金全,张海涛,侯鹏飞,韩航星
【摘要】摘要:随着风力发电、光伏发电等可再生能源的规模利用,规模化储能技术研究也越来越深入。
作为规模化储能电池,全钒液流电池(VRB)以其功率容量相互独立、环境友好、效率高等优势具有广阔的应用前景。
VRB等效电路模型是开展电池系统设计、放大、控制和优化的基础。
根据VRB等效电路模型的复杂程度,介绍了VRB的四种等效电路模型,对比分析了其优缺点;综合考虑仿真目的与实验条件,提出了一种改进的RC等效电路模型。
【期刊名称】电源技术
【年(卷),期】2016(040)006
【总页数】3
【关键词】全钒液流电池;等效电路模型;储能技术
面临化石能源枯竭和自然环境污染的双重压力,风力风电、光伏发电等可再生能源发电开始规模化利用。
然而,受自然因素影响,风力发电和光伏发电具有波动性、随机性,难以保证系统稳定运行,制约了可再生能源发电利用率。
储能技术顺应微电网发展需要,能够解决分布式电源系统惯性小等问题,保证微电网既可对大电网削峰填谷,又可解决自身因惯性小带来的系统震荡。
全钒液流电池 (all vanadium redox flow battery,VRB)作为规模储能技术,因其能量效率高、循环寿命长、响应速度快、易于维护和安全可靠等优点,发展迅速。
目前,国内亦有多处VRB示范工程。
为方便对VRB充放电特性分析和系统仿真建模,需要建立合适的VRB等效电路模型。
该模型不仅能模拟VRB的稳态特性和暂态响应,还要方便对其荷电状。
全钒液流电池是一种利用钒离子在不同氧化态下的变化进行电能存储和释放的电池。
其发展历史可以追溯到20世纪60年代的铁-铬体系的氧化还原电池,但钒系的氧化还原电池是在1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kacos提出的。
在2002年,攀钢与中南大学合作,开始全钒液流电池的商业化探索。
随后,中国科学院大连化学物理研究所在2006年成功研制出
10kW电堆,标志着全钒液流电池技术开始逐渐成熟。
在2009年,北京普能收购了加拿大VRB power system公司,掌握了全钒液流电池的核心专利权。
此后,全钒液流电池的技术得到了更广泛的研究和应用。
近年来,全钒液流电池的发展更是取得了显著的进步。
在2020年,大连、北京等地全钒液流电池储能示范项目投入运营,这表明全钒液流电池的技术成熟度和规模化日渐提高。
2022年9月29日,百兆瓦级大连液流电池储能调峰电站进入并网调试最后阶段,预计10月中旬正式投入使用。
这是国家能源局批复的首个100MW级大型电化学储能国家示范项目,也是迄今为止全球功率最大、容量最大的液流电池储能调峰电站。
随着相关示范项目的带动,全钒液流电池的成本有望降低,从而在产品技术端推进其商业化进程。
·61·电 子 测 试ELECTRONIC TEST 电子科技第10期2013年5月0 引言全钒液流电池(VRB)是一种新型的高效化学储能电池。
其能量储存在电解液中,比能量高,工作寿命长。
钒电池的电解液为单一金属溶液,电解液性能稳定,电极材料不参与化学反应,避免了不同正负极材料带来的交叉污染,其能量储蓄能够持久保持。
它在电网调峰,太阳能及风能储存,电动汽车供电以及应急电源系统等方面有着广泛的用途,是目前最有可能部分取代铅酸蓄电池的环保型理想电源。
1 钒电池概况1.1 钒电池的工作原理和特点全钒液流电池利用钒有+5、+4、+3和+2等多种价态, 可形成相邻价态电对的特点,以不同价态的钒离子溶液为正、负极活性物质, 组成化学电源。
充电后, 正极物质为V5+, 负极为V2+。
放电时, V5+得电子,变为V4+ ; V2+失去电子,变为V3+。
放电完毕, 正、负极分别为V4+和V3+溶液。
电池内部通过H+导电,标准电位差约为1.25 V。
充放电时所发生的反应可表示如下:正极:V4+-eV5+ 负极:V3++eV2+钒电池有显著的优越性,钒电池的正负极活性物质相同,均为电解液中的钒离子,电极材料并不参加化学反应,因此电极物质结构形态不发生变化。
与其他化学电源相比钒电池具有功率大、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、可瞬间充电、安全性高、运营成本低等优点。
1.2 钒电池的构成和结构全钒液流电池的关键材料有电极、电解液和离子交换膜。
钒电池的结构主要分为静止型和流动型两类。
静止型是指电池中的电解液不发生交换,没有电池外的电解液的流入,电池两侧分别通入惰性气体,通入的惰性气体一方面可以对电解液起到搅拌作用,尽量降低电池一侧电解液的浓度差,使放电效率更高;另一方面可以排除阴极半电池中的空气,避免氧气把V(Ⅱ)氧化。
静止型结构的电池电解液是静态的易产生浓度差,降低了电池的放电深度;另一方面对于静止型的电池其中的电解液容量一定,所以会使放电时间也有所限制。
第20卷第3期2022年6月福建工程学院学报JournalofFujianUniversityofTechnologyVol.20No.3Jun.2022doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2022.03.013考虑能量限制的全钒液流电池储能系统建模刘心可1ꎬ2ꎬ李培强1ꎬ2ꎬ张忠凯1ꎬ2ꎬ曾靖杰1ꎬ2(1.福建工程学院电子电气与物理学院ꎬ福建福州350118ꎻ2.智能电网仿真分析与综合控制福建省高校工程研究中心ꎬ福建福州350118)摘要:本研究以全钒液流电池储能系统为研究对象ꎬ通过电力系统分析综合程序建立了包含能量限制模块的全钒液流电池储能系统模型ꎮ综合考虑了储能系统换流器的容量大小㊁荷电状态等因数ꎬ通过仿真分析对比两种控制策略以及模型在不同大小的储能电池中的适用性ꎬ验证了理论分析的准确性及模型的工程实用性ꎮ仿真结果表明ꎬ该模型既能通过限制无功功率传输保证传输的能量不超出换流器容量ꎬ又能根据实际有功功率大小调整无功功率上限ꎬ充分发挥储能系统的调节作用ꎮ关键词:电池储能系统ꎻ暂态稳定ꎻ限制环节ꎻ电力系统分析综合程序中图分类号:TM464文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1672-4348(2022)03-0281-07Modelingofall ̄vanadiumredoxflowbatteryenergystoragesystemconsideringenergylimitationLIUXinke1ꎬ2ꎬLIPeiqiang1ꎬ2ꎬZHANGZhongkai1ꎬ2ꎬZENGJingjie1ꎬ2(1.SchoolofElectricꎬElectricalEngineeringandPhysicsꎬFujianUniversityofTechnologyꎬFuzhou350118ꎬChinaꎻ2.SmartGridSimulationAnalysisandIntegratedControlEngineeringResearchCenterofCollegesandUniversitiesinFujianProvinceꎬFuzhou350118ꎬChina)Abstract:Withtheall ̄vanadiumredoxflowbatteryenergystoragesystemastheresearchobjectꎬamodelofall ̄vanadiumredoxflowbatteryenergystoragesystemwithenergylimitingmodulewasestablishedthroughthepowersystemanalysissoftwarepackage.Consideringthefactorssuchasthecapacityandstateofchargeoftheconverterintheenergystoragesystemꎬtheaccuracyoftheoreticalanalysisandtheengineeringpracticabilityofthemodelwereverifiedbycomparingthetwocontrolstrategiesandtheapplicabilityofthemodelindifferent ̄sizedenergystoragebatteriesthroughsimulationanalysis.Simulationresultsshowthatthemodelcanensurethattheenergytransmittedbytheenergystoragesystemdoesnotexceedtheupperlimitthattheconvertercanbearbylimitingthereactivepowertransmissionꎬandtherangeofreactivepowerthattheconvertercantrans ̄mitcanbeflexiblyadjustedaccordingtotheactualactivepowerꎬgivingfullplaytotheregulationfunctionoftheenergystoragesystem.Keywords:batteryenergystoragesystemꎻtransientstabilityꎻrestrictivelinkꎻpowersystemanalysissoftwarepackage㊀㊀电池储能技术在维持电网稳定方面优势明显ꎬ因而成为大规模储能技术的重要方案[1ꎬ2]ꎮ随着电池成本的降低和集成技术的成熟ꎬ电池储能将在电力系统中更加普及ꎮ其中全钒液流电池(allvanadiumredoxflowbatteryꎬVRB)充放电寿命长㊁使用安全㊁功率与容量灵活可变ꎬ在实际应用中越来越引起重视ꎮ为了得到实际工作中电池内部的数据指标ꎬ需要建立符合工程实际的电池收稿日期:2022-2-28第一作者简介:刘心可(1996 )ꎬ男ꎬ湖南邵东人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:储能在电力系统中的应用ꎮ通信作者:李培强(1975 )男ꎬ山西忻州人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:电力系统运行分析与控制及智能电网与分布式发电ꎮ福建工程学院学报第20卷储能模型来保证仿真结果的准确性和可信度[3]ꎮ文献[4]对VRB的荷电状态(stateofchargeꎬSOC)等各个关键参数通过函数关系建模研究系统运行时各参数的变化过程ꎮ文献[5]建立了一个多时间尺度的能量储存模型ꎬ指出并网控制策略部分具有多时间尺度特征ꎬ对机电暂态和模型中长期动态都有影响ꎮ文献[6]以两种控制策略分别对储能进行了建模和仿真验证ꎮ有些学者使用电力系统分析综合程序(powersystemanalysissoftwarepackageꎬPSASP)进行储能系统建模的研究:文献[7]考虑了电力电子技术ꎬ在PSASP中搭建了并联储能型FACTS装置的暂态模型ꎻ文献[8]基于PSASP提出一种快速无振荡的复合策略建模ꎻ文献[9]基于PSASP进行了详细的储能系统机电暂态建模ꎻ文献[10]以扩展等面积法计算储能电池的最合适的工作时间长度ꎮ以上文献都考虑了无功功率限制ꎬ但没有具体建模ꎬ只是设定了无功输出的上下限ꎬ有关荷电状态(stateofchargeꎬSOC)的限制也没考虑换流器对功率的损耗ꎮ文献[11]虽然有无功功率限制环节建模ꎬ但没有研究限制环节对暂态稳定的影响ꎮ本研究在PSASP中利用用户自定义(User ̄DefinedꎬUD)建模功能建立了考虑储能能量限制的机电暂态模型ꎬ综合考虑了无功功率限制㊁SOC限制等环节ꎮ1㊀全钒液流储能电池系统模型全钒液流储能系统在建模中可以分成由许多单独的电池经过串并联成的电池组ꎬ以及将电池与电网连接起来的并网换流器PCS控制系统ꎮ1.1㊀全钒液流电池组全钒液流电池组(VRB)由金属电极㊁含有不同电价的电解液㊁用于离子交换的离子隔膜㊁分别储存正负电解液的电解池等部分组成ꎮ在储能系统的充放电的过程中ꎬ由于循环泵的压力ꎬ两种电解液从各自的电解液池进入电池本体ꎬ被电池的离子膜隔开后在电极表面发生氧化还原ꎬ实现能量转换ꎮ正极放电反应为:VO+2+2H++e=VO2++H2O(1)㊀㊀负极放电反应为:V2+-e=V3+(2)㊀㊀本研究使用的电池模型为改进的损耗假设等效模型[12]ꎬ具体如公式(3)ꎮ以受控电压源Ustack代表电池的开路电压ꎬUb表示电池储能系统端口电压ꎬ通过储能系统内部电池的电流和系统端口的电流分别为I㊁Ibꎮ根据电池内部损耗的属性ꎬ可以将电池的各种损耗分为RReac和RResꎬ分别占内部总损耗的60%和40%ꎮ泵损及附加损耗用Rfix表示ꎬ电极之间的电容用Celec表示ꎬ电压为UCelecꎮUb=CelecdUCelecdt+Iæèçöø÷RRes+UCelecUCelec=Ustack+IRReacCelecdUCelecdt=Ib-I-UbRfixìîíïïïïïïï(3)㊀㊀储能电池单体的电动势可由Nernst方程表示为公式(4)ꎬ因为单个电池的电能有限ꎬ不能满足整个系统的需要ꎬ需要将多个电池连续串并联来提高电池的规模ꎮ用Ncell表示VRB电池的数量ꎬVRB电池的开路电压可用公式(5)表示ꎮUcell=E0-RTnFlnV3+[]V4+[]V2+[]V5+[]H+[](4)Ustack=NcellUcell(5)式中ꎬE0是电池在氧化和还原过程中正极电势E0+与负极电势E0-之间的标准电极电势ꎬ单位为Vꎻ[Vi+](i=2ꎬ3ꎬ4ꎬ5)表示各个价态钒离子的浓度ꎬ[H+]表示氢离子浓度ꎬ一般为1ꎻ气体常数Rꎬ单位J/(K mol)ꎻT为绝对温度ꎻn为电极反应中获得或失去的电子数ꎬ从VRB电池的工作原理中可以得到n=1ꎻ法拉第常数Fꎬ单位C/molꎮVRB电池在绝对温度T为298K时的标准电极电势E0为:E0=E0+-E0-=1.259V(6)1.2㊀并网换流器PCS控制系统换流器是储能系统运行的关键部分ꎬ它通过电力电子元件实现交直流双向变换ꎬ其四象限运行功能可以通过控制输出电压的幅度和相对于电网电压矢量的角度来改变换流器输出电流的大小及与电网电压的相位差ꎻ可根据电网的实际需求控制储能系统的有功和无功传输ꎮ现实中的换流器最大容量一般比储能电池的最大有功输出大0%~10%[13]ꎮ在储能系统建模中ꎬ需要对换流器的能量输出做出限制ꎬ本研究通过PSASP的UD建模功能对储能系统建模ꎬ在模型中设置换流器容量上限来限制储能系统能量的输出输入ꎮ282第3期刘心可ꎬ等:考虑能量限制的全钒液流电池储能系统建模在电力系统中ꎬ有功功率会影响系统频率ꎬ有功功率过剩时系统频率升高ꎻ而无功功率的分布对电压的大小有决定性作用ꎮ本研究的换流器采用功率外环电流内环双环解耦控制策略ꎮ其中ꎬ换流器的功率外环控制采用频率/有功控制ꎬ电压/无功控制ꎬ内环采用电流环控制ꎮ在暂态仿真过程中监测电网母线的角频率和电压的偏差值推导该母线的有功和无功缺额ꎬ通过换流器控制储能系统有功无功的出力调节电网的稳定性ꎮ在储能电池工作的过程中ꎬ还需要监控电池的荷电状态SOCꎮSOC在数值上为电池剩余容量Estack与额定容量EC的比值ꎬ表达式为公式(7)ꎬ取值范围为0~1ꎬSOC降低到0意味着电池电量耗尽ꎬ当SOC上升到1时ꎬ意味电量充满ꎮSOC=EstackEC(7)㊀㊀在全钒液流电池系统中ꎬ在正负离子浓度的平衡状态下ꎬSOC是离子浓度的比值ꎬ其中ꎬ正极中:SOC=VO+2[]VO+2[]+VO2+[](8)负极中:SOC=V2+[]V2+[]+V3+[](9)㊀㊀假设正负极所用电解液浓度相同㊁两边的反应动力学相平衡ꎬ则SOC=SOC正=SOC负ꎮ因此ꎬ在T=298K时ꎬVRB的单体开路电压公式(4)可以推导成公式(10)所示:Ucell=E0-RTnFln1-SOCSOCH+[]æèçöø÷2(10)其中ꎬSOC随着储能系统的工作过程变化ꎬ设某一时刻电池的荷电状态表示为SOCtꎬSOCt+1表示在单位时间后电池的荷电状态ꎬ即:SOCt+1=SOCt+ΔSOCΔSOC=ΔEEc=PsΔtEc=IUstackΔtEc(11)式中ꎬΔt表示单位时间ꎻΔSOC表示荷电状态在单位时间内的变化量ꎻ令储能电池的容量为EcꎬPs和I表示电池的充放电功率和充放电电流ꎮ实际上ꎬ电池运行有许多限制ꎬ物理特性和电池充电/放电状态应作为其能量限制条件ꎮ建立满足电气要求的机电暂态模型ꎬ需要在运行过程中忽略电池自身的动态变化特性对机电暂态模型的影响ꎮ设定充放电时SOC的上㊁下限值分别为SOCmaxꎬSOCminꎬ储能电池的最大㊁最小输出功率PmaxꎬPmin不因SDC的变化而变化ꎮ2㊀考虑能量限制的储能系统控制策略2.1㊀储能功率限制环节设计2.1.1㊀换流器的SOC限制环节根据电力系统的规定ꎬ为保护电池ꎬ在储能系统工作的过程中需要测定荷电状态SOC的值ꎬ当SOC超过[SOCminꎬSOCmax]范围时ꎬ储能系统应该停止工作ꎬ限制环节控制有功功率输出为0ꎬ使系统停止输出或输入有功功率ꎮ以储能系统控制环节的输出值作为储能电池的输出功率ꎬ输出值为正ꎬ意味着系统放电ꎻ输出值为负ꎬ意味着系统吸收功率给电池充电ꎮ根据电池的有功变化可以求得电池的荷电状态的变化值ΔSOCꎬ进而计算出电池的实际SOC来限制电池的充放电深度ꎬ避免电池长期过充或过放损坏电池ꎬ从而延长储能系统的使用寿命ꎬ提高储能系统的工作效率ꎮ根据公式(11)和充放电效率公式(12)ꎬ设计得到SOC限制环节流程图如图1所示ꎮPs=Pη充P=Psη放{(12)式中ꎬPs是电池的充放电功率ꎬP是整个储能系统的充放电功率ꎬ换流器的充放电效率分别是η充和η放ꎬ无论充电放电ꎬ经过换流器都会有能量损耗ꎮ图1㊀SOC限制环节流程图Fig.1㊀SOClimitlinkflowchart图1中ꎬ1/s是积分功能框图ꎻX1/X2是除功能框图ꎬ输入端口X1为分子ꎬ输入端口X2为分母ꎻ判断正负可以利用UD模型中的比较模块COMPꎬ比较模块的具体含义是当输入端1口>输入端2口时输出为0ꎬ否则输出为1ꎮ当输入P小于0时ꎬ第一个比较模块输出为1ꎬ第二个比较模块输出为0ꎬ再分别乘上Pꎬ则输出口1输出Pꎬ输出口2输出0ꎬP大于0正好相反ꎬ382福建工程学院学报第20卷如此将正负区分开ꎮ当有功功率小于0时ꎬ对电池进行充电ꎬ使得SOC值增加ꎬ当有功功率大于0时ꎬ使电池放电ꎬ所以SOC值减小ꎮ当SOC在区间内输出1ꎬ当SOC超出范围ꎬ输出0ꎮ2.1.2㊀换流器限制环节受材料和技术限制ꎬ一个换流器所能承受的最大输出功率是有限的ꎬ所以换流器的实际容量必须根据情况设置其上限ꎮ-PmaxɤPɤPmax-QmaxɤQɤQmaxQmax=S2-P2ìîíïïïï(13)式中Pmax为储能系统充放电最大有功功率ꎻQmax为最大无功功率ꎻP为有功功率输出ꎻQ为无功功率输出ꎻS为换流器的容量ꎬ比储能电池最大有功功率大0%~10%ꎮ有功功率输出与储能系统自身有关ꎬ不需要计算ꎬ无功功率限制环节数学模型为:QɤS2-P2(14)㊀㊀当Q大于0时ꎬ0ɤQɤS2-P2(15)0ɤQS2-P2ɤ1(16)0ɤQS1-P2S2ɤ1(17)㊀㊀当QS1-P2S2⩾1时ꎬ取1ꎮ由以上公式设计流程图如图2ꎮ图2㊀无功限制模块流程框图Fig.2㊀Flowchartofreactivepowerlimitingmodule其中ꎬ框图LIMT是限制功能ꎬ超出上限后输出上限值ꎬ当储能系统准备输出的无功功率Q<0时需要将Q乘以-1变为正数ꎬ经过限制后需要再变回负数ꎬ在此设定一个正负指示ꎬ当Q<0时正负指示输出为-1ꎬ将无功的值恢复成负值ꎮ最后将经过限制模块后的无功功率乘以正负指示ꎬ得到最终的无功输出ꎮ2.2㊀储能控制环节设计2.2.1㊀外环控制器设计换流器外环的频率/有功控制ꎬ电压/无功控制ꎬ都可以采用典型PI控制器来实现ꎮ以角频率和母线电压的实际值与基准值做差ꎬ得到ΔW㊁ΔU作为输入信号经PI控制器分别得到有功指令Pset和无功指令Qsetꎬ并且外环输出量传输到内环作为输入量ꎬ公式为:pset=Kwp+Kwisæèçöø÷ΔwQset=Kvp+Kvisæèçöø÷ΔUìîíïïïï(18)式中Kωp㊁Kvp分别为PI控制器比例控制的比例系数ꎻ1/s是拉式积分算子ꎬ作用是积分计算ꎻKωi㊁Kvi分别为PI控制器积分控制的积分系数ꎮ2.2.2㊀内环控制器设计在得到外环传递的输出量后ꎬ将它作为控制策略的内环电流环的基准值ꎬ经过PI控制器生成电力电子开关的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulationꎬPWM)信号传递给滤波器ꎬ再将有功㊁无功各自前馈解耦ꎬ产生PWM信号ꎬ详细过程见文献[14]ꎮ最后对换流器的并网电流进行控制ꎬ运用等效变换和零极点相互抵消的原则ꎬ可以将内环控制近似等价于两个独立的一阶惯性环节ꎬ即:P=11+TpsPsetQ=11+TqsQsetìîíïïïï(19)式中ꎬTp㊁Tq为控制系统响应时间常数ꎮP㊁Q为储能输出的有功无功ꎮ3㊀基于PSASP的控制策略模型PSASP的用户自定义UD建模功能搭建的模型只能以节点电流作为输出量[15]ꎬ必须设计一个转换环节将储能系统输出的有功无功功率换算为电流源电流实部和虚部ꎬ以电流的形式来调节电网的频率和电压的波动ꎮ设S=P+jQ为储能系统在安装节点注入的视在功率ꎬ令UR㊁UI为并网点母线电压U的实㊁虚部ꎬIR㊁II为注入电流I的实㊁虚部ꎬ则482第3期刘心可ꎬ等:考虑能量限制的全钒液流电池储能系统建模S=UI∗=UR+jUI()IR-jII()(20)其中展开公式(20)得到P㊁Q:P=URIR+UIIIQ=UIIR-URII{(21)求解上述方程组ꎬ得IR=(URP+UIQ)/(U2R+U2I)(22)II=(UIP-URQ)/(U2R+U2I)(23)㊀㊀根据式(22)~(23)可以搭建储能电池机电暂态仿真模型的接口部分ꎮ储能系统的机电暂态模型显著降低了模型的仿真难度ꎬ基于第2节ꎬ本研究使用PSASP7.0ꎬ利用其中的用户自定义UD建模功能ꎬ构建储能系统的机电暂态仿真模型ꎬ如图3所示ꎮ框图的具体含义参见文献[15]ꎬ信号含义见表1ꎮ图3㊀PSASPUD模块储能系统模型Fig.3㊀EnergystoragesystemofPSASPUDmodule表1㊀UD模型信号具体含义Tab.1㊀SpecificmeaningsofUDmodel’ssignal信号物理量TM1TM2TM3TM4TM5TM6内环有功输出P内环无功输出Q外环无功输出Qset荷电量SOC外环有功输出PsetSOC控制信号4㊀算例仿真分析根据搭建的储能系统机电暂态仿真模型ꎬ在PSASP仿真平台上进行了仿真试验ꎬ使用了该软件自带的CEPRI-7网络标准算例进行计算ꎬ仿真设置积分步长0.01sꎬ仿真总时长15.00sꎬ并验证了其有效性ꎬ网络的结构如图4所示ꎮ将S1作为平衡节点ꎬ选择系统中的常规潮流计算作为初始暂态值参与时域仿真ꎬ得到潮流计图4㊀CEPRI-7网架Fig.4㊀CEPRI-7grid算参数后进行短路测试ꎮ当仿真运行到0.02s时ꎬ在母线B3和母线B4之间设置单回路A相接地短路故障ꎻ后在t=0.15s时由继电保护装置工作将短路部分断开ꎻ在t=0.70s时自动重合闸成功ꎬ监控电网母线电压与功角的变化ꎮ4.1㊀不同无功限制策略的比较将本控制策略与直接设置无功上限的控制策582福建工程学院学报第20卷略对比ꎮ设置系统的基准容量SB=100MV AꎬP=1.5pu(pu表示标幺值)ꎬ死区设置0.01ꎬ将储能系统接在B1母线处ꎬ设置无功限制环节换流器容量比储能电池有功输出大10%ꎬ所以S=1.65puꎮ如果是直接设置无功上限ꎬ由于P=1.50puꎬS=1.65puꎬ当有功输出达到上限时ꎬQ极限值为0.69puꎮ此时储能的有功无功输出曲线和母线电压曲线输出的前3s如图5所示ꎮ图5㊀不同无功限制方法的储能有功无功输出与母线电压变化Fig.5㊀Energystorage’sactiveandreactivepoweroutputandbusvoltagechangewithdifferentreactivepowerlimitingmethods㊀㊀由图5(a)㊁5(b)可见ꎬ由于有功输出不是一直保持在极限值ꎬ所以本控制策略在有功未达到极限时无功功率的极限值将大于0.69puꎮ如图5(c)所示ꎬ本控制策略在电压跌落初期时更加抑制母线电压的跌落幅度ꎬ之后电压的震荡幅度也要小ꎮ所以使用本控制策略的无功功率的极限值将会是一个随着有功输出变化的变化量ꎬ在调节电网稳定方面会更加灵活ꎮ4.2㊀限制环节在不同大小的储能模型中的适用性不同大小的储能电池有着不同的最大有功功率输出ꎬ需要配备不同容量的换流器ꎮ为了验证控制策略的适用性ꎬ将在B1母线处ꎬ接入最大有功功率输出不同的储能系统并配备相应容量的换流器ꎬ令储能系统充放电的最大有功功率分别为0.1㊁0.5㊁1.5puꎻ设置换流器容量S分别对应为:0.11㊁0.55㊁1.65puꎻ初始荷电量SOCt0=0.5ꎬ死区设置0.01ꎮ仿真计算出储能电池在不同最大工作功率下ꎬ发电机功角㊁母线电压还有储能系统充放电有功功率变化曲线如图6所示ꎮ由图6各个曲线可以看出系统故障后的震荡幅度都随着储能系统的充放电功率的增大而减小ꎬ并随着时间做减幅震荡ꎬ可知系统发生故障后储能系统能够很快响应ꎬ平复系统的波动ꎬ说明所建立的能量限制模块具有良好的实用性ꎬ适用于不同规模的储能系统ꎮ682第3期刘心可ꎬ等:考虑能量限制的全钒液流电池储能系统建模图6㊀不同储能不同工作功率下的发电机功角㊁母线电压和有功输出Fig.6㊀Generatorpowerangleꎬbusvoltageandactiveoutputunderdifferentenergystorageandworkingpower5㊀结语本研究基于PSASP建立拥有限制环节的全钒液流电池储能系统建模并进行仿真分析ꎬ并通过CEPRI-7算例来验证该模型的工程实用性ꎮ现实中的储能设备由于材料㊁温度等物理限制ꎬ不可能无限大的输出或输入能量ꎬ在模型的建立中必须考虑它的换流器容量限制ꎬ设置能量限制环节来限制功率传输ꎮ仿真结果中的电压幅值以及母线频率说明该模型既能通过限制储能系统的无功输出与输入ꎬ防止储能系统的功率传输超过换流器能够承受的极限ꎬ又能根据储能系统的实际有功功率及时调整无功输出功率的上下限ꎬ充分发挥储能系统对电力系统的调节稳定作用ꎮ不同大小的储能电池配备不同容量的换流器ꎬ可以更有效调节储能电池的无功输出ꎮ参考文献:[1]孙玉树ꎬ杨敏ꎬ师长立ꎬ等.储能的应用现状和发展趋势分析[J].高电压技术ꎬ2020ꎬ46(1):80-89.[2]苏烨ꎬ石剑涛ꎬ张江丰ꎬ等.考虑调频的储能规划与竞价策略综述[J].电力自动化设备ꎬ2021ꎬ41(9):191-198.[3]刘璐ꎬ牛萌ꎬ郑伟杰ꎬ等.考虑内部参数不一致性的储能系统用锂电池组建模[J].电力系统自动化ꎬ2021ꎬ45(19):15-23.[4]葛维春ꎬ孙恺ꎬ葛延峰ꎬ等.计及大规模全钒液流电池储能系统外特性建模与仿真[J].电力系统保护与控制ꎬ2019ꎬ47(17):171-179.[5]叶小晖ꎬ刘涛ꎬ吴国旸ꎬ等.电池储能系统的多时间尺度仿真建模研究及大规模并网特性分析[J].中国电机工程学报ꎬ2015ꎬ35(11):2635-2644.[6]葛延峰ꎬ何俊峰ꎬ葛维春ꎬ等.全钒液流电池储能系统的仿真研究[J].电子测量技术ꎬ2020ꎬ43(3):21-29.[7]张步涵ꎬ马智泉ꎬ谢光龙ꎬ等.并联储能型FACTS装置的PSASP建模与仿真[J].电网技术ꎬ2010ꎬ34(3):31-36.[8]张博越ꎬ刘宗歧ꎬ李建林.基于复合控制策略的并网光伏电站机电暂态仿真模型研究[J].电器与能效管理技术ꎬ2016(16):66-71.[9]李建林ꎬ牛萌ꎬ张博越ꎬ等.电池储能系统机电暂态仿真模型[J].电工技术学报ꎬ2018ꎬ33(8):1911-1918.[10]孙培栋ꎬ李培强ꎬ曹鹏程ꎬ等.基于扩展等面积定则的储能电站提高电网暂态稳定最优工作时间的研究[J].电工技术学报ꎬ2020ꎬ35(19):3996-4008.[11]曹鹏程ꎬ李培强ꎬ孙培栋ꎬ等.电池储能提高电网薄弱节点电压稳定性的研究[J].电气传动ꎬ2021ꎬ51(24):67-74.[12]李培强ꎬ亓学忠ꎬ屈星ꎬ等.考虑含全钒液流电池储能系统的广义综合负荷模型[J].湖南大学学报(自然科学版)ꎬ2018ꎬ45(8):107-118.[13]蔡永翔ꎬ唐巍ꎬ张璐ꎬ等.基于光伏逆变器无功调节的低压配电网多模式电压控制[J].电力系统自动化ꎬ2017ꎬ41(13):133-141.[14]陈嘉楠.多台储能系统接入电网及控制方法的仿真建模研究[D].北京:北京交通大学ꎬ2018.[15]中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序(PSASP)用户手册[R].北京:中国电力科学研究院ꎬ2002.(责任编辑:方素华)782。
全钒氧化还原液流电池全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:全钒氧化还原液流电池(VRFB)是一种高效、环保的储能技术,其在储能领域具有广泛的应用前景。
全钒氧化还原液流电池是一种采用钒溶液作为电解质的液流电池,通过反复充放电来实现储能功能。
本文将对全钒氧化还原液流电池的原理、结构、优势及应用进行详细介绍。
一、原理全钒氧化还原液流电池的工作原理主要基于钒的两种不同氧化态之间的可逆还原反应。
在充放电过程中,高氧化态的钒(V5+)被还原为低氧化态的钒(V2+),释放电子,并将电子储存在外部电路中。
而在放电过程中,则是通过氧化态的钒(V5+)吸收电子,将电子通过外部电路释放出来。
这种氧化还原反应可反复进行,实现储能的功能。
二、结构全钒氧化还原液流电池通常由两个电化学池组成,每个电化学池内含有含有相同浓度的钒氯酸钠和硫酸钒。
两个电化学池之间通过阳极和阴极连接,形成全电池系统。
在充放电过程中,钒溶液通过电解质膜在两个电化学池之间流动,完成电荷传输。
阳极和阴极均为碳材料,具有良好的导电性和循环稳定性。
三、优势1. 高循环寿命:钒氧化还原反应具有较高的反应动力学性能,因此具有较高的循环寿命,可进行数千次的充放电循环。
2. 环保可再生:全钒氧化还原液流电池采用的是钒元素,钒是一种广泛存在于地球上的金属元素,且可通过回收再利用。
全钒氧化还原液流电池具有较高的环保性和可再生性。
3. 安全稳定性:全钒氧化还原液流电池在充放电过程中无需使用易燃易爆的有机物质作为电解液,相比于锂离子电池等传统储能技术,具有更高的安全性和稳定性。
四、应用全钒氧化还原液流电池在储能领域具有广泛的应用前景。
其主要应用于电力电网微电网储能、可再生能源储能、电动汽车和电动船舶等领域。
由于其高循环寿命、环保可再生和安全稳定性等优势,全钒氧化还原液流电池在未来的储能市场将具有重要的地位。
第二篇示例:全钒氧化还原液流电池是一种新型高效能储能电池技术,其原理是通过氧化还原反应在两种氧化态之间进行转换从而释放和储存能量。
全钒液流储能电池VRB 全钒液流电池(vanadium redox batty,简称VRB)是一种新型清洁能源存储装置,其研究始于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。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。
一、工作原理 全钒液流电池是一种新型储能和高效转化装置,将不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中,通过外接泵把电解液泵入电池堆体内,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动,采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应,通过双电极板收集和传导电流,使储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池可顺利完成充电、放电和再充电。钒电池的工作原理请见下图。
二、钒电池技术 钒电池技术中主要包括:电堆技术、电解液技术、系统集成技术 1). 电堆技术 (1). 膜 膜可以说是钒电池核心中的核心,它基本决定了钒电池的寿命、效率。 钒电池使用的膜,并不限制一定使用某种膜,关键是使用的膜一是耐腐蚀,
1就是寿命;二是离子交换能力要足够好,就是电池效率;三是一致性要好。 (2). 电极材料 目前钒电池的电极材料主要有石墨毡和碳毡两类。 石墨毡烧制温度高、石墨化程度高;碳毡烧制温度低一些、石墨化程度相对低。两者导电性能不同,价格不同。具体使用何种电极材料取决于钒电池电堆的设计。好的电极材料可提高钒电池的电流密度,而且对双极板的抗腐蚀有一定的保护作用。 这里的技术含量不算高,但各家需根据自己的钒电池堆的设计寻找和测试不同厂家的产品,需要一定的时间。 (3). 双极板 双极板材料的要求很综合:耐腐蚀、面积、韧性、强度、导电性、价格。 钒电池常用的双极板是石墨板(包括硬石墨和软石墨两类)和导电塑料。虽然有很多人研究过金属复合双极板,但目前能用的还只有石墨板和导电塑料。 和电极材料一样,各家需根据自己的钒电池堆的设计寻找和测试不同厂家的产品,在对双极板的各种要求中取得一种平衡,需要一定的时间。特别是成本,双极板在目前的钒电池电堆的成本中占较大比重,是钒电池产业化必须重点解决的问题。 (4). 电堆的流场设计 流场设计的好坏,对钒电池的性能有挺大影响,还可能对电堆寿命带来影响。 (5). 密封技术 钒电池电堆密封技术比较重要的在于,要把几十片面积上千平方厘米甚至几千平方厘米的单片电池集成到一起,不发生任何泄漏。并且要保证在10年之内任何时间、任何场景下都不能漏。
2). 电解液技术 在氧化还原流体电池里,能量是通过称为电解液的工作流体化学变化进行储存的,流体内所包含的可溶性物质可以通过电化学氧化或还原来储存能量。 电解液决定了钒电池的储电量,也是钒电池成本的重要组成部分。 电解液技术主要是配方,目标是提高功率密度、提高温度适应性等;二是如何用比较低的成本生产出合格的电解液来。 电解液配方的好坏会影响膜的寿命、电极的寿命、电池效率等。 电解液生产相关的技术关键在于原材料的来源,决定了电解液的生产成本;提纯目标和提纯工艺路线;环保问题等。 电解液的成本将会对钒电池的市场竞争力起到重要的影响作用。
3). 控制技术 钒电池的控制系统对于钒电池长期稳定运行相当关键。包括:电解液的温度、流量,流量分配,充放电电压、电流等。相对于燃料电池的控制系统,钒电
2池的控制系统要求相对比较简单。 4). 系统集成技术 首先是钒电池系统各主要部件的选择和应用集成技术。包括泵的选择,管路、阀门、控制器等,要能够长期稳定支持钒电池系统运行;另一部分是如充电机、大功率系统的电流、电压控制器,与风力发电的集成控制,与太阳能发电的集成控制等。 鉴于钒电池的应用优势在于大功率系统,系统集成技术中就有很多属于工程技术。为便于运输,大型电堆的组装通常利用集装箱作为外壳,相应的空间布局设计,包括重量、体积、通道、管路、线束、各种接口等;现场安装工程,包括大型电解液储罐,与电堆及应用端的管路、线路连接,防雷、防雨、防水设计,远程监控等。
三、技术特点及优势 1)技术特点 (1) 能量存储于电解液中,增加电解液储罐的体积或者提高电解液的浓度均可增加电池容量。即对于相同功率输出的钒电池,可根据需求任意调整容量。非常适合大容量储能应用; (2) 输出功率由电池堆中参与反应的面积决定,可通过增加或减少单电池和不同电池组串连和并联调整满足不同功率需求,目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6000kW; (3) 充放电不涉及固相反应,电解液的理论使用寿命无限,可以长期使用。铅酸蓄电池充电过程中,溶液中的铅离子转化为固态氧化铅沉积在电极表面,放电过程中固态氧化铅电极重新溶解进入液相,充放电过程伴随极板物质的液相/固相转化。为了保证固态氧化铅电极晶型的稳定性,电池充放电程度需要严格控制;电极结构的变化导致电化学性能逐渐劣化,原理上决定了有限的充放电循环和电池寿命; (4) 反应速度快,可在瞬间启动,在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒,响应速度1毫秒; (5) 理论充放电时间比为1:1(实际运行1.5-1.7:1),支持频繁大电流充放电,深度充放电对电池寿命影响不大,充放电状态下电池正、负极活性物质均为液相,不会出现镍氢电池、锂离子电池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池短路的危险; (6) 电池堆可与电解液相分离,存储于电解液中的能量可长期保存,不会因自放电损耗; (7) 能量循环效率高,充放电能量转换效率达75%以上,远高于铅酸电池的45%。电解液在充放电过程中不消耗,重复充放电不影响电池容量; (8) 能量的存储量可以精确地测量出来;
3(9) 正负极使用同一种金属离子的电解液,避免了电解液交叉污染问题,提高了电池的效率和寿命; (10) 电解液的流动性,可使电池组中各个单电池状态基本一致,可靠性高; (11) 可以通过增加电解液或更换电解液的方式增加系统运行时间。通过更换电解液,可实现瞬间再充电,类似于汽车加油。 (12) 结构简单,更换和维修容易,使用费用低廉,维护工作量小; (13) 可全自动封闭运行,无噪音,无污染,维护简单,运营成本低。 (14) 可以同时对系统充电和放电,充放电方式可以根据不同的应用需求进行调整。可以同时有一种或多种电输入,也可以输出多种电压。如可以用串联电池组的电压放电,而充电则可以在电池堆的另一部分用不同的电压进行。 (15) 系统使用寿命长,充放循环寿命可超过10000次,远远高于固定型铅酸电池的1000次。目前加拿大VRB Power Systems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年,充放循环寿命超过18000次; (16) 安全性高:钒电池无潜在的爆炸或着火危险,即使将正、负极电解液混合也无危险,只是电解液温度略有升高; (17) 除离子膜外,材料价格便宜,来源丰富,不需要贵金属作电极催化剂,成本低。批量化生产后成本甚至低于铅酸电池; (18) 电解液可长期使用,没有污染排放,对环境友好。
五、钒电池的应用 VRB全钒液流储能电池系统能够经济地存储并按照需求提供大规模电力,主要模式是固定方式。它是一种长寿命、低成本、少维护、高效率的技术,支持电力与储能容量的无级扩展。VRB全钒液流储能电池系统通过存储电能实现供需的最优匹配,对于可再生能源供应商、电网企业和终端用户尤为有效。 VRB全钒液流储能电池系统能够应用于电力供应价值链的各个环节,可将诸如风能、太阳能等间歇性可再生能源电力转化为稳定的电力输出;偏远地区电力供应的最优化解决方式;电网固定投资的递延,以及削峰填谷的应用。VRB全钒液流储能电池系统也能够作为变电站及通信基站提供备用电源得到应用。VRB全钒液流储能电池系统对于环境友好,在所有的储能技术中对于生态影响程度最低,同时不以铅或镉等元素为主要反应物。 1)钒电池市场应用前景 钒电池具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点,适合于大规模电能储存,在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等广阔领域有着极其良好的应用前景。 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、太阳能等可再生能源发电系统,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
4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,可降低生产成本。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。 (1) 风力发电 风能发电自身所固有的随机性、间歇性特征,决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响,必须要有先进的储能技术作支撑。 研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击,每一台风机需要配备其功率4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功率1%的蓄电池用于紧急情况时风机保护收风叶用。 电网对风电输出平稳性的要求已成为风电发展的瓶颈。随着风电的快速发展,风电与电网的矛盾越来越突出。如果需要平滑风电90%以上的电力输出,需要为风电场配置20%左右额定功率的储能电池;如果希望风电场还能具有削峰填谷的功能,将需要配备相当于40-50%功率的动态储能电池;如果风机离网发电,则需要更大比例的动态储能电池。 风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大,钒电池所具备的优点,完全可以取代现有的铅酸电池,成为风电场动态储能系统的主体。 中国风电资源经初步探明10米高空约10亿kW,其中陆上风电资源2.35亿kW,沿海风电资源7.5亿kW;扩展到50米高空,是20亿~25亿千瓦。 根据国家中长期能源规划,风电装机目标为2010年400万kW,2020年2000万kW。但实际上2008年底中国风电场累计装机1215万kW,当年风电新增容量625万kW;中国风能协会预计,2009年全国新增风电装机为800万kW,2009年底累计装机容量就将超过2020年的规划目标2000万kW。预计2020年中国风电装机会突破1亿kW,将占到全国发电量的10%左右。 风电产业的快速发展,特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”,对电网的运行和控制提出了严峻挑战。大容量储能产品成为解决电网与风电之间矛盾的关键因素。即使按照风电调控最低要求计算,5%的风电储能比例,2009年储能电池的需求就将达到100万kW,2020年储能电池的需求将达到500万kW;如果需要平滑90%以上的风电输出,储能电池的需求还要增加3倍以上。 (2) 光伏发电 2008年全球太阳能安装总量已累计达1500kW,当年新装容量达到了550万kW以上,其中80%以上位于欧洲。2009年全球新安装的光伏发电系统将达到400万kW左右,大多数都在德国。德国将安装150万kW,意大利为58万kW,还有30-40万kW将来自西班牙、加州和日本。2008年中国太阳能电池产量达到约260万kW,占世界产量的32.9%,但当年中国的光伏电池安装量只有4万kW, 预计中国2010年光伏电池发电总容量达到25万kW,2020年太阳能发电装