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大容量先进飞轮储能电源技术发展状况

 现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子、磁轴承、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能,近10年间,现代飞轮储能电源商业化产品推广应用发展迅速。飞轮储能电源系统在储能容量、自放电率降低等方面还有待进一步提高。飞轮储能目前适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域。随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。飞轮技术产品处于快速扩张时期,新萄京娱乐手机版国应当积极从国家层面支撑飞轮储能电源技术研究开发,争取早日推出国产飞轮储能电源高技术产品。

一.引言

1.1电储能技术需求背景

受发电设备固有惯性和运行经济性的限制,传统电力供应(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性特点,而用电负荷具有随机性和间断性,电能供给和需求的容量矛盾(日昼波动、季节性波动、经济周期波动)导致发电、输电和变电设备的利用效率降低并严重影响一次能源的利用效率。

新型能源如风电和光伏发电具有波动特性,其大规模开发和利用,将使供需矛盾进一步突出。因此,亟需突破储能关键技术,开发储能装备,以提高一次能源和输变电设备的利用效率。然而,大容量电储能技术长期以来一直是电力行业中尚未完全解决的难题之一。

目前电储能以抽水储能和常规电池储能为主,而各种新型的储能技术已显示出很好的应用前景,如飞轮储能、超级电容器储能、超导储能、压缩空气储能、液流电池和钠硫电池储能等,这些新型储能技术还处在研究开发阶段,它们具有各自的突出优点,但也存在着各自的缺陷。

电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种,长时大容量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给;而短时高功率的飞轮储能电源可为高端用户端提供数分钟的高品质电能供给。

各种储能方式的技术对比见下表。从表中可看出,飞轮储能具有储能密度高、效率高、瞬时功率大、响应速度快、使用寿命长、不受地理环境限制等诸多优点,是目前有发展前途的储能技术之一。

1.2飞轮储能技术原理与应用

飞轮储能的基本原理是把电能转换成旋转体的动能进行存储。在储能阶段,通过电动机拖动飞轮,使飞轮本体加速到一定的转速,将电能转化为动能;在能量释放阶段,飞轮减速,电动机作发电机运行,将动能转化为电能。飞轮存储的能量可以表达为:E=Jω2/2,J为飞轮绕旋转轴的转动惯量。飞轮储能系统的基本结构如下图所示。

现代飞轮储能电源系统综合了先进复合材料转子、磁轴承、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能,在2000年前后,以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广。例如,ActivePower企业的100~2000kWCleanSource系列UPS已经应用于精密电子生产企业、信息数据中心以及网络通信系统等,满足高级用户对高质量的供电需求。目前全球至少有3000套基于飞轮储能的大功率绿色电源安全运行了上千万小时。

飞轮储能系统在储能容量、自放电率等方面还有待进一步提高,这决定了飞轮储能目前更适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域;随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。

1.3飞轮储能技术的重要需求

1.3.1提高电网对可再生能源接纳能力

风力发电、光伏发电具有间歇性特点,可再生能源的大规模接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。为了解决风电接入后电网的安全稳定运行,需根据并网的风电容量留出与风力发电装机容量相当的备用热机发电容量,在孤岛电网中一般需要配备相当比重的柴油发电机。备用电厂的出力要随着风电出力的变化频繁调节,严重影响其运行经济性。

飞轮储能与风力发电相配合供电,可以避免柴油发电机频繁起停,提高风能利用效率,降低发电成本和电价。澳大利亚的CoralBay、SandBay、NineMilesBeach、Denham、日本的DogoIsland、美国的Alaska等一系列岛屿电网,采用了飞轮储能来提高电网的稳定性、减少风电出功波动对系统电压和频率的影响,并大可能地降低柴油发电机的出功。

1.3.2提高电网的安全稳定水平和运行经济性

随着新萄京娱乐手机版国电网互联规模的不断扩大,电网之间的联系将越来越紧密。近年来电网瓦解和大面积停电事故在世界各国时有发生,大规模电力系统的安全高效运行已成为各国电力系统发展的主要问题之一。在新萄京娱乐手机版国东北、华北、华中和川渝电网的联网试验中,就观察到了一些国际上从未报道过的电网异常动态行为。

电力系统的绝大多数稳定问题是暂态稳定问题,对储能装置需求的特点是:瞬间功率大、持续时间短。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源,主动参与系统的动态行为,并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程,使系统迅速恢复稳定状态。日本Kansai电力企业于2002年在3.3kV系统上开展了飞轮储能改善电网稳定性的研究,取得了良好效果。

电网有功负荷变化必然导致电网频率波动,传统的电网频率调节通过抽水蓄能电站、火电站、燃气轮发电站的功率调整、投切来实现,但对于快速的电网频率波动常规电站来不及响应,采用飞轮储能电站可以满足需求,利用其快速调节特性,可以在同样容量下获得双倍的调节效果。

美国BeaconPower企业于2008年12月在马萨诸塞州建成了1MW/250kWh调频电厂,2009年8月,美国能源部支撑其建设两个20MW飞轮储电站。随着技术进一步成熟,飞轮储能技术还可以用于负荷中心的削峰填谷,提高电网的运行经济性。

1.3.3高品质供电

自20世纪80年代以来,新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高,而电能质量的问题却日益突出:一方面用电负荷的非线性、冲击性和非平衡性,使得电网的电压波形畸变、电压波动和电压闪变以及三相不平衡等电能质量问题日益严重;另一方面电气化和微机化程度越来越高,越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备,电力用户对电能质量的要求在不断提高,特别是半导体制造、精密加工、医疗卫生、金融、计算机中心、重要场馆会所对电能质量要求更是严格,几十毫秒内的电压暂降都可能造成设备损坏停产,给企业带来极大经济损失。以北京亦庄经济技术开发区为例,2007年至今的统计数据表明,该区内出现了十多起瞬时断电、电压暂降等电能质量事故。美国电力科学院估计电能质量的相关问题在美国造成的损失有数百亿美金。

为解决用户暂态电能质量(一般持续时间不超过1min)影响的动态UPS(不间断电源)以及动态电压恢复器等装置的需求获得了快速增长。目前,飞轮储能技术应用成功的领域是基于飞轮储能的UPS实现高品质供电。

1.3.4车辆制动动能再生

城市轨道交通的特点是:站距短,车辆的动能巨大,制动频繁,且起动、制动加速度大。一般为了减少闸瓦磨耗和对环境的污染,制动方式从能耗制动方式向再生—能耗复合制动过渡,车组的常用制动一般都采用电力制动,空气制动只作为制动力的补充或作为后备制动。由于地铁的供电系统都是由交流整流而来的直流系统,一般变电站也不设逆变装置,所以再生的能量只能随机靠邻近车辆吸取。当电力制动引起供电接触网的电压升高到一定值时,必须转换到电阻制动或空气制动,这就造成了能量的浪费、设备的磨损和隧道温度的上升。

采用了高储能量、大功率的储能飞轮系统,就可以提高接触网供电电压的稳定性,在车辆起动时,输出电能提供给车辆转化为动能,在制动时间(持续15s左右)又通过再生制动将车辆动能转换成电能储入飞轮系统,实现能量的回收。广州地铁4号线的制动能—飞轮储能再生模型分析表明:一年可回收的电能为292万kWh。

1.3.5高功率脉冲电源

脉冲功率技术,是把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中,将能量进行压缩与转换,然后在较短的时间以极高的功率密度向负载释放的电物理技术,在国防科研和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值。

聚变能研究需要建立高温等离子体磁约束试验装置,其中的磁场实现需要高功率脉冲电源,供电要求为上百千伏安,放电时间为数秒。20世纪70年代以来,欧洲、日本、中国建立了多个大型飞轮储能发电机系统,先用小功率电动机将数十吨重的飞轮驱动,然后飞轮驱动大电机发电。这样的电源系统具有转速低、装置巨大、能耗高等缺点,如采用现代复合材料飞轮和高速电机,预计可以提高转速3~5倍。整套飞轮电机装置重量可以缩小70%~90%。

基于飞轮储能的脉冲电源还可以应用于军用电磁发射。电磁发射物体不仅局限于弹头,也可以是飞机、防空导弹,电磁发射的技术瓶颈之一就是高功率脉冲电源。


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