FACTS并联储能系统.ppt

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1、并联储能系统,华北电力大学 谭伟璞,一、并联储能系统,电力系统的发电、输电、配电与用电必须同时完成，要求系统始终处于动态平衡状态中。 如果出现瞬时的功率不平衡，就会造成系统安全稳定问题。 储能系统可以平抑系统出现的瞬时功率不平衡，起到能量的缓冲平衡作用，可有效提高系统的安全稳定性。 储能系统的容量越大，对系统提高安全稳定性的作用越强。 储能系统发挥作用，需与电网连接，连接是通过电力电子装置实现的。,一、并联储能系统,并联储能系统的作用： P282 1. 削峰填谷，改善系统日负荷率，提高发电设备利用率，提高电网整体运行效率。 2.储能系统可作为应急备用电源迅速投入系统，提高供电可靠性。 3.适当

2、控制的储能系统可以抑制电压的异常，提高供电质量。 4.将储能系统与电能转换控制技术相结合，可实现对电网的快速控制，改善电网的静态和动态特性。,1.1 电力系统中的储能方式,在电力系统中应用的储能方式： P281 蓄电池储能 电容器储能 抽水储能 超导储能 飞轮储能 压缩空气储能。,1.2 各种储能方式的比较,小型超导 超导 抽水储能 压缩空气/气体 电池储能 飞轮储能 电容器 效率/%90 90 60 50 70 90 90 储能容量 低 高 高 高 中/高 中 高 模块化 是 否 否 否 是 是 是 循环寿命无限 无限 数千次 数千次 百千次无限 数千次 充电时间分钟 小时 小时 小时 小时

3、 分钟 小时 建设时间 周 年 年 年 月 周 月 环境影响良好 很好 极大 极大 大 良好 大 电厂规模 小 大 大 中 大 小 大 可用性 少 开发 广泛 有 广泛 示范 广泛,二、电池储能系统 Battery Energy Storage Systems,电池储能系统,STATCOM等FACTS装置，多采用电压源型逆变器。逆变器的直流单元如采用电容器，则电压源型逆变器只能与系统进行无功交换，也就是在两个象限运行。 如果电压源型逆变器与系统进行有功交换，则逆变器直流单元电容器的电压将伴随着吸收或送出有功功率而上升或下降，这将给逆变器的控制带来困难、增加复杂性，更直接的结果是逆变器无法正常工

4、作。 如果电压源型逆变器的直流单元采用储能元件，则储能元件可以存储系统多余的有功功率，也可在系统有功功率欠缺时送出其存储的能量。 采用储能元件作直流单元的逆变器，可四象限工作。 系统中使用最多的储能元件是蓄电池租电池储能系统。（Battery Energy Storage Systems） P282,电池储能系统,电池储能系统(BESS)是将直流电池组与交流电网联结起来的电压源型逆变器。它在电网中的作用象其他同步装置一样，即可给系统提供无功支持，又可与系统进行有功交换。 任何一个BESS都必须通过一定的控制策略，控制电池组的充放电周期以维持直流电源电压的恒定。 BESS多用于平衡负荷变化及作为

5、旋转能量储备，它有许多非常有益的作用效果，最突出的是提高输电的稳定性及给系统提供有力的有功支持。美国的研究结果表明，在受到输电稳定极限限制的南加州输电线路上，在新诺安装10MW的BESS使亚利桑纳的输送能力提高了几百MW。,电池储能系统,电池储能系统(BESS)的优点： P283 BESS的基本原理与模型： P283 BESS的控制系统： P285 电池储能系统的核心是储能元件。根据应用场合、充放电特性、单元容量及运行维护等因素，用作储能元件的电池有多种类型。,电池储能系统-0,一、电池的种类： 锂电池 ：锂亚电池、锂锰电池 （相机等） 镍氢电池 ：手机、手表 镍镉电池 ：手机、手表 碱锰电池

6、 ：日常家用 铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead）： 工业广泛应用,电池储能系统-1,锂亚电池产品特点：1.锂亚硫酰氯电池额定电压3.6V，是目前锂电池系列中电压最高的；2.锂亚硫酰氯电池是实际使用电池中能量最高的一种电池(500wh/kg,1000wh/dm3);3.常温中等电流密度放电时，放电曲线极为平坦,90%的容量范围内工作平台保持不变；4.电池可以在-40C-+85C范围内正常工作。-40C时的容量约为常温容量的50%，表现出极为优良的高低温性能;5.年自放电率=1%;贮存寿命10年以上;主要用途：智能水表气表电表、实时时钟、后备记忆电源、各种仪器、仪表、设备。高能

7、量用于不同类型军事电子装置和通讯设备（便携式电台、夜视仪、导航用全球定位装置、数据终端设备、测距器），水下武器、声纳浮标、地雷、导弹、雷达等,电池储能系统-2,锂锰电池产品特点： 电压高，单只工作电压2.8V3.2V。 比能量高，C型电池可达到270Wh/kg和510Wh/L。 使用温度范围宽，可在-40C+70C下工作。 性能稳定，储存期长，低率放电电压平稳，无电压滞后现象，自放电小。 可以大电流放电。 安全性好，无公害。 用途：锂锰柱式电池可应用在照相机、摄像机、收单机、袖珍录放机以及计算机的记忆电路上。还可以应用在许多民用、军用及通讯设备上。,电池储能系统-3,镍氢电池特征： 高容量，容

8、量离散度小 低内阻AA:15-20m;AAA:20-25mSC:3.5-4.0m 长寿命，寿命可达500次 自放电小，50oC静置7天，自放电小于15%；室温28天，自放电小于20% 大电流充放电，动力电池10C放电，性能达到IEC标准。 耐过充，充电过程电池内压低。,电池储能系统-4,镍镉电池特点： 耐高低温（40度至55度）。 寿命长（1020）年，少维护。 广泛应用于直流屏、变电站、内燃机车、AGV车、柴油机启动、发电机启动、电厂、备用电源等领域。产品有GN、GNZ、GNC系列。,电池储能系统-5,铅酸蓄电池的发展历史和现状 蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百

9、多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。 到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。,电池储能系统-6,1912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2与O2重新化合，

10、返回电解液中。但该专利未能付诸实现：铂催化剂很快失效；气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；存在爆炸的危险。 60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。 1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。,电池储能系统-6,1969-1970年，美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。 1975年，G

11、atesRutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。 1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。 1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。 1987年，随着电信业的飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。,电池储能系统 之 工业主流产品铅酸蓄电池,二、铅酸蓄电池,2.1 铅酸蓄电池的发展历史 蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直

12、占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。 到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。,2.1 铅酸蓄电池的发展历史,1912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2与O2重新化合，返回电解液中。但该专利未能付诸实现：

13、铂催化剂很快失效；气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；存在爆炸的危险。 60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。 1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。,2.1 铅酸蓄电池的发展历史,1969-1970年，美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。 1975年，GatesRutter公司

14、在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。 1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。 1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。 1987年，随着电信业的飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。,2.2 铅酸蓄电池的定义,阀控式铅酸蓄电池的定义 阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Battery(简称VRLA电池)，其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也

15、不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀)，该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示)，即当电池内部气压升高到一定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。,2.3 铅酸蓄电池的分类,阀控式铅酸蓄电池的分类 阀控式铅酸蓄电池分为AGM和GEL（胶体）电池两种，AGM采用吸附式玻璃纤维棉(Absorbed GlassMat)作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液,电池可以立放工作，也可以卧放工作；胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。目前文献和会议讨论的VRLA电池除非特别指明，皆指A

16、GM电池。,2.4 阀控式铅酸蓄电池的原理,阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理 阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的。 充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70时，开始析出氧气，负极充电到90时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸。,早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因。 阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池

17、的主要缺点。,2.4 阀控式铅酸蓄电池的原理,2.4.1 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理,阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，AG或GEL电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过AGM或GEL空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。,2.4.1 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理,在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行

18、还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。 在电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移动过程越容易，氧循环就越容易建立。,2.4.1 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理,在阀控式蓄电池内部，氧以两种方式传输：一是溶解在电解液中的方式，即通过在液相中的扩散，到达负极表面；二是以气相的形式扩散到负极表面。传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区H2S04溶液中溶解，然后依靠在液相中扩散到负极。 如果氧呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩散大得多。,2.4.1 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理,充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微的过压，而负极

19、化合了氧，产生一轻微的真空，于是正、负间的压差将推动气相氧经过电极间的气体通道向负极移动。阀控式铅蓄电池的设计提供了这种通道，从而使阀控式电池在浮充所要求的电压范围下工作，而不损失水。,2.4.1 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理,对于氧循环反应效率，AGM电池具有良好的密封反应效率，在贫液状态下氧复合效率可达99以上；胶体电池氧再复合效率相对小些，在干裂状态下，可达70-90；富液式电池几乎不建立氧再化合反应，其密封反应效率几乎为零。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,一、开路电压与工作电压： 11开路电压：电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的电极电势与负极电极

20、电势之差。 12工作电压：工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。 电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,二、容量： 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时(Ah)或毫安时(mAh)。电池的容量可以分为理论容量，额定容量，实际容量。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的

21、理论电量，单位为Ah/1或Ah/kg。 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,三、内阻：电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。 电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和不断地改变。 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增

22、加而增大，但不是线性关系，常随电流密度和温度都在不断地改变。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,四、能量： 电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时(Wh)表示。 电池的能量分为理论能量和实际能量。理论能量W理可用理论容量和电动势(E)的乘积表示，即： W理=C理E 实际能量为一定放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积，即： W实=C实U平,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,常用比能量来比较不同的电池系统。比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是Wh/kg或Wh/l。 比能量有理论比能量和实际比能量之分。前者指lkg电池反应物质完全放电时

23、理论上所能输出的能量。 实际比能量为lkg电池反应物质所能输出的实际能量。 由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。实际比能量和理论比能量的关系可表示为： W实W理KVKRKm 式中KV -电压效率；KR -反应效率；Km质量效率。 电压效率是指电池的工作电压与电动势的比值。电池放电时，由于电化学极化、浓差极化和欧姆压降，工作电压小于电动势。反应效率表示活性物质的利用率。 电池的比能量是综合性指标，反映电池的质量水平。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,五、功率与比功率： 功率是指电池在

24、一定放电制度下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为W(瓦)或kW(千瓦)。 单位质量电池所能给出的功率称为比功率，单位为W/kg或kW/kg。比功率是电池重要的性能指标之一。电池的比功率大，表示它可以承受大电流放电。 蓄电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数。因为电池要与用电的仪器、仪表、电动机器等互相配套，为了满足要求，首先要根据用电设备要求的功率大小来选择电池类型。 最终确定选用电池的类型要综合考虑质量、体积，比能量、使用的温度范围和价格等因素。,2.5 阀控式铅酸蓄电池的性能参数,六、电池的使用寿命： 在规定条件下，电池的有效寿命期限称为电池的使用寿命。 蓄电池发生内部短路或损

25、坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时蓄电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。 蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限指蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池的存放时间。使用周期指蓄电池可供重复使用的次数。,2.6 阀控式铅酸蓄电池的自放电,1.自放电的原因： 自放电指电池在存储期间容量降低的现象。电池开路时由于自放电使电池容量损失。 自放电通常主要在负极，因为负极活性物质为较活泼的海绵状铅电极，在电解液中其电势比氢负，可发生置换反应。若在电极中存在着析氢过电位低的金属杂质，这些杂质和负极活性物质能腐蚀电池，结果负极金属自溶解，并伴有氢气析出，从而容量减少。在电解液中杂质起着同样的有害作用

26、。一般正极的自放电不大。正极为强氧化剂，若在电解液中或隔膜上存在易于被氧化的杂质，也会引起正极活性物质的还原，从而减少容量。,2.6 阀控式铅酸蓄电池的自放电,2.自放电率 自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。 式中：Ca-电池存贮前的容量(Ah) Cb-电池存贮后的容量(Ah) T一电池贮存的时间，常用天、月计算。,2.7 阀控式铅酸蓄电池的安全阀,安全阀是阀控电池的一个关键部件，安全阀质量的好坏直接影响电池使用寿命，均匀性和安全性。根据有关标准和阀控电池的使用情况，安全阀应满足如下技术条件： 单向开阀； 单向密封，可防止空气进入电池内部； 同一组电池各安全阀之间的开闭压力之差不应超过平

27、均值的20； 寿命不应低于15年； 滤酸，可防止酸和酸雾从安全阀排气口排出； 隔爆，电池外部遇明火时电池内部不应引爆； 抗震，在运输和使用期间，安全阀不会因震动和多次开闭而松动失效； 耐酸； 耐高、低温。 目前市场使用的安全阀主要有：柱式、帽式和伞形安全阀,2.8 对阀控式铅酸蓄电池容量的影响因素,1、放电率对电池容量的影响： 铅酸蓄电池的容量随放电倍率增大而降低。 在考虑铅酸蓄电池的容量时，必须指明放电的时率或倍率。电池容量随放电时率或倍率不同而不同。 放电倍率越高，放电电流密度越大，电流在电极上分布越不均匀，电流优先分布在离主体电解液最近的表面上，从而在电极的最外表面优先生成PbSO4。于

28、是放电产物硫酸铅堵塞多孔电极的孔口，电解液不能充分供应电极内部反应的需要，电极内部物质不能得到充分利用，因而高倍率放电时容量降低。,2.8 对阀控式铅酸蓄电池容量的影响因素,2、 温度对电池容量的影响 环境温度对电池的容量影响很大，随着环境温度的降低容量减小。环境温度变化1时的电池容量变化称为容量的温度系数。 根据国家标准，如环境温度不是25，则需将实测容量按以下公式换算成25基准温度 时的实际容量Ce，其值应符合标准。 公式中：t是放电时的环境温度 K是温度系数，10hr的容量实验时K=0.006/，3hr的容量实验时K=0.008/，1hr的容量实验时K=0.01/,2.9 阀控式铅酸蓄电

29、池的安装注意事项,1、不能将容量、性能和新旧程度不同的电池连在一起使用。 2、连接螺丝必须拧紧，脏污和松散的连接会引起电池打火爆炸，因此要仔细检查。 3、安装末端连接线和导通电池系统前，应再次检查系统的总电压和极性连接，以保证正确接线。 4、由于电池组电压较高，存在着电击的危险，因此装卸、连接时应使用绝缘工具与防护，防止短路。 5、电池不要安装在密闭的设备和房间内，应有良好通风，最好安装空调。电池要远离热源和易产生火花的地方；要避免阳光直射。,2.10 阀控式铅酸蓄电池的其他问题,1、运行充电：蓄电池荷电出厂，由于自放电，投运前要作补充。 2、浮充充电：蓄电池在现场的工作方式主要是浮充工作制，

30、在使用中将蓄电池组和整流器设备并接在负载回路。 3、均充电压和频率：当电池浮充电压偏低或电池放电后需要再充电或电池组容量不足时，需要对电池组进行均衡充电，合适的均充电压和均充频率是保证电池长寿命的基础。 4、蓄电池充电注意事项：电池在安装后及放电后应及时进行充电，避免过放电或欠充而造成容量下降。 5、相比同类产品的优势：(1) 技术领先 (2)安全可靠 结构、体积比能量 、重量比能量、寿命 正常浮充寿命大于10年，北京市话局、上海市话局、内蒙元宝山电厂已使用十年以上，目前容量仍达100。,三、超导磁储能系统 Superconducting Magnetic Energy Storage,三、超

31、导磁储能系统,超导磁储能（SMES）是利用超导磁体储存能量时所具有的低损耗和快速响应（100ms）的能力，通过电力电子变流器与电力系统连接，组成既能储存电能（整流方式）又能释放电能（逆变方式）的快速响应装置。 SMES是把电能存储在超导线圈中并以磁场能形式储存的储能设备。,3.1 SMES的优点,SMES具备的优点： 可长期无损耗地重复储存能量，转换效率可达95%，而蓄电池储能重复次数一般在10002000次； SMES通过变流器连接电网，响应速度快（ms级）； 可建成大功率和大能量系统； 除真空和制冷系统外没有转动部分，装置寿命长； 建造不受地点限制，且维护简单、污染小。,3.2 SMES的

32、工作原理,在正常工作情况下，系统电流经大功率电力电子变流器转换成直流电流注入超导线圈。超导线圈放置在绝对零度的低温环境下，能量无损耗，注入的系统电流所含能量全部以磁场能形式储存起来，超导线圈中恒定地流动着电流。 在系统出现异常情况时，超导线圈中直流电流经变流器转换为交流能量，反送回系统。 SMES控制器一般采用内环、外环双闭环控制器。外环控制器作为主控制器用于提供内环控制所需要的有功功率和无功功率参考值，这是由SMES本身的特性和系统要求决定的；内环控制器是根据外环控制器提供的参考值产生变流器的驱动信号。,3.3 SMES的拓扑结构,SMES的拓扑有两种：电压源型和电流源型,3.3 SMES的

33、拓扑结构,超导储能常用的变流器有两种：电压源型和电流源型变流器。 电压源型结构就是将电流源型的超导磁体电流经换流器转换成电压源后，再与电网相联。 超导磁体与电网的能量交换需要换流器和电压变换电路两个部分。 电流源型结构，超导磁体经换流器直接与电网相联。 电压源型电路结构虽然比电流源型结构复杂。但电压源型变流器技术在可靠性和成熟性方面均优于电流源型，而且成本低，应用前景较好。大容量的SMES多采用电压源型变流器与电网相联。,3.3 SMES的拓扑结构,SMES变流器的主电路由换流器1（电压回路）和换流器2（电流回路）构成，拓扑结构见图。,3.3.1 SMES的变流器,换流器1：DC/AC变换，通

34、过高频开关IGBT的切换，将直流电压变成高频脉冲。 高频变压器：将电压回路与电流回路隔离开来；将高压高频脉冲降压至所需的电压幅值。 换流器2：推挽结构的AC/DC变换器，通过高频开关IGBT的切换，将正负周期性变换的电压转换成单极性的直流电流信号，注入超导磁体。 超导磁体：储能。 SMES变流器有两种工作状态。,3.3.1.1 SMES变流器的两种工作状态,1.磁体充电模式： 在这种工作方式下，功率由换流器1传送给换流器2。 工作过程如下：换流器1通过高频开关切换，将直流输入电压变换成高频电压，经高频变压器将电压降至所需要的幅值，然后送给换流器2，最后到达磁体端实现对超导磁体的充电。 在充电方

35、式下，换流器1和换流器2的高频开关管的配合方式为：在电压侧高频开关T5、T8导通时段，电流测高频开关T1导通，高频开关T2截止；在电压侧高频开关T6、T7导通的时段，电流测高频开关T2导通，高频开关T1截止。,2.磁体放电模式： 在这种工作方式下，功率由换流器2传送给换流器1。 工作过程如下：超导磁体储存的能量首先通过换流器2传送到高频变压器的电流侧，然后通过高频变压器升压后传送给换流器1，最后经换流器1送到直流输入端。 放电模式与充电模式的工作过程正好相反。在放电方式下，电压侧高频开关T5、T8导通的时段，电流测高频开关T2导通，高频开关T1截止；电压侧高频开关T6、T7导通的时段，电流测高

36、频开关T1导通，高频开关T2截止。,3.3.1.1 SMES变流器的两种工作状态,3.4 SMES对系统的作用,SMES储存一定容量的电能、可用于改善供电质量、提供系统快速响应容量和提高系统稳定性等。 当电网出现波动时，检测控制系统立即发出释放能量的指令，此时储存的能量在极短的时间内，经变换器转化成交流功率输出，以满足系统的要求。,3.4 SMES对系统的作用,由于SMES与电网的功率交换非常迅速，且能同时与系统独立地进行四象限有功功率、无功功率的交换，使得SMES既可以提高系统的稳定性，还可提高电网电压和频率的质量，从而提高电力品质。 SMES的快速响应特性可以提高电力系统的暂态稳定性，将S

37、MES用于远距离交流输电系统可以抑制低频振荡现象。 SMES在增大输电线路的输送功率极限、缩短故障恢复时间方面也有着积极的作用。,3.5 SMES的发展状况,1. 美国SMES研究情况: 1971年，在Wisconsin大学Boom和Peterson带领下，发明了一个由超导电感线圈和三相AC/DC桥路组成的电能储存系统，并对能量在储存单元与电力系统相互影响中的作用进行了详细分析和研究。 他们发现装置的快速响应特性对于抑制电力系统振荡非常有效。 1972年，LASL（洛斯阿拉莫斯实验室）开始对SMES的经济可行性展开研究。结果显示，SMES在经济性、有效性、可靠性、易建设性和环境保护上都是优越的

38、。,3.5 SMES的发展状况,1974年，第1台并网运行的SMES在LASL进行了测试。 1976年到1982年，LASL和BPA（Bonneville Power Administration（美国西部电网Bonneville电力局）合作建成了30MJ/10MW的SMES，该系统成功地抑制了从太平洋西北地区到南加利福尼亚州1500km的双回500kV输电线路的低频0.35Hz自发功率振荡。 1980年代初，1GWh和5GWh的SMES也开始了可行性分析和设计。 1980年代中期，在BPA安装了一台30MJ的SMES来抑制输电线0.35Hz，300MW的低频震荡。系统通过晶闸管的换流桥与电网

39、相连，在控制目标变化时可工作于充电和放电两种模式，由于受器件本身的限制，两种工作模式下都从系统吸收无功。,3.5 SMES的发展状况,1988年初，ASC（在美国建立的开发超导储能商业应用的超导电公司）研制成功了SSD（用来对超导储能进行经济评估的系统），并推向了市场。 80年代后期，SDI（Strategic Defense Initiative） 启动了SMESETM（Engineering Test Model）计划，开展了方案论证、工程设计和器件的研制，目的是为储能调峰和战略备用电源开辟新路。 90年代初，美国国家强磁场实验室与电力部门联合，研制了储能调峰的3600MJ/100MW S

40、MES。现在BWX技术公司建造1.8GJ的SMES用来调峰及解决阿拉斯加电网电压波动，提高供电的可靠性。美国 Lockheed Martin公司研制的15kV/30kA超导限流器已于2002年在美国加州Edison变电站投入试验运行。目前IGC公司和超导电公司已实现了微型SMES装置的商品化。,3.5 SMES的发展状况,日本SMES研究情况: 1986年，日本成立了超导储能研究会，任务是实现超导储能的实际应用，为日本超导储能技术的独立发展做出贡献。该研究会现有成员单位50个，包括日本著名的大学、研究机构、公司和工厂。自1980年代中期以来，进行了大量的分析、设计和试验研究工作。,3.5 SM

41、ES的发展状况,1985年，Kyushu（九州）大学设计了一台100kJ的SMES，用于研究直流输电中SMES的应用和系统稳定。Kyushu电力公司于1991年将一台30kJ的超导储能系统联接到一台60kW的水力发电机上，进行了改善发电机稳定性的试验，并取得了较好的实验结果；而且Kyushu电力公司与Kyushu大学合作，开展了36MJ的SMES试验，并设计建造一台360MJ/20MW的SMES，并网后进行示范运行，然后将研制一台1260MJ/500MW的多功能SMES。Kyushu电力公司最近在其所属的Ariuragawa水电站进行了超导储能用于系统稳定的一系列现场实验，表明单机系统可由储能

42、容量为其发电机容量的10%50%的超导储能装置进行稳定控制。,3.5 SMES的发展状况,90年代，神户制钢所、东芝公司、日立公司、富士电力公司、中部（Chubu）电力公司等也都进行了SMES的相关设计和试验。东京电力公司与日立公司进行合作，对275kV系统进行了含1MJ的SMES的全面系统动模实验，效果也非常令人满意。中部电力公司与电力研究发展中心合作，开展了含1MJ的SMES系统的动模实验，内容包括调平尖峰负荷、平衡负荷波动、负荷频率控制、改善动态和暂态稳定性等，效果令人鼓舞。,3.5 SMES的发展状况,俄罗斯SMES研究情况: 1988年建成的超导托卡马克T-15超导磁体，储能达370

43、MJ760MJ。1990年代以来，俄罗斯国家实验室建成了12MJ的SMES，并进行了储能100MJ/电感8H/电流5kA/最强磁场5.4T的SMES设计。用于研究、储能达900MJ的SMES也已建造完成。 我国的SMES研究则刚起步。中国科学院电工研究所1997年研制出一台300A/220V、25kJ的SMES试验装置。清华大学和一些科研机构的SEMS研究工作也处于初级摸索阶段。而对于阻尼高压输电线路的振荡，改善线路稳定性及供电质量的中、大规模SMES的研究还处于计算机仿真研究阶段。,3.5 SMES的发展状况,近10年来，超导科学与材料技术的进步，使超导技术的应用、尤其是在电力方面的应用具有

44、了更高的可行性。据美、日等国的调查研究机构预测，到2010年，新兴的超导产业市场将超过250亿美元，其中在电力系统中为75亿美元，占30%；到2020年超导产业市场将达到700亿美元；在2015年左右，几乎各种超导电力产品都可达到商品化水平。在超导的电力应用中，SMES技术相对简单，具有诱人的应用前景，是超导电力应用的主选课题之一。 现代电力电子技术的快速发展，如新的大功率器件的研制、先进的转换电路与变压器的组合等，为SMES在电力系统中的应用创造了良好的条件。而高性能微处理器的应用使得工程上SMES用的控制器的性能变地更加理想。这些因素使得SEMS在电力系统中的应用更加广阔。,3.6 SME

45、S的实用技术,如果电感是由超导线圈构成，则没有电阻的损耗，电流在闭合电感中不会消失而长期循环。在使用此能量时由线圈引出，经转换接入系统或供给用户。 80年代中期高温超导体的出现为SMES开创了有希望的前景，利用陶瓷金属超导产生了极大的实用价值。目前已有一些单位在进行高温超导储能应用于电力系统的研究，但在90年代工程应用的仍是铌钛合金构成的。并非全部超导线圈都采用此合金，因为其线圈的材料和结构都相当的复杂。,3.6 SMES的实用技术,3.6 SMES的实用技术,将能量存进电感线圈和将能量自线圈取出送入电力系统都需要功率这个指标，在充能时，假t1开始，见上图，到t2为止，电能已充到电感的额定电流

46、值，所加的电压和方能的电压方向相反，而SMES的特点之一就是在于改变电压方向来改变功率方向，不论是充电还是放电，电感中的电流方向不变，充能过程中，要使电流增加，必须有电压，否则电流不会上升，此电压与上升的电流之积是充电功率瞬时值。,3.6 SMES的实用技术,企业用超导储能装置 在电力系统中除了为调尖峰负荷和抑制摇摆以外，电力用户或波动比较大的局部，用SMES原理构成微型工业用超导装置，称为SSD。其使用目的在于抑制电压的波动、波形的畸变等，总之是为了改善电能质量，保证严格要求优质电能的企业用电。这里简单说明美国超导公司为IBM计算机公司设计的超小型设备（已有数台在运行中）。微型超导储能装置（

47、SSD）的电感线圈也是铌钛导线，冷却在4.2K的液态氦或1.8K的超液态氦中，存储能量为6.3kWh，容量达1MW。冷冻机1s的功率为750kVA，长期连续功率为30kVA。换流器主要是逆变器，和任何一种储能装置一样，逆变器必须能将储存的磁能，逐渐下降的或变化的电压和电流转化成系统能够正常应用的电压源。对于电源和负荷的变化都能坚持正确的瞬时电压值，即在电源和负荷发生变化时，超导电源将维持相对不变的输出电压。,3.6 SMES的实用技术,它通过单独的磁体电源向超导磁体供电，使它保持一个恒定的电流在线圈中循环。同时由系统经过冷冻机向装置提供低温液态氦。 在超导状态，线圈和电路损耗极小，这时，电源向

48、线圈提供一个极小的电压可补偿损失功率以维持电流循环。 供电单元是一个可以控制电压的整流电源。系统控制器有三个功能1、控制固态隔离开关；2、监控电源和负荷两侧的电流和电压；3、配合电压调节开关控制超导磁体输出的直流功率。,3.6 SMES的实用技术,整体工作方式如下：在系统控制器感到系统电压下降或丢失时，电压调节器中的开关在200300时开断，电流立即向电容器充电，直到电容器充电到预定电压值，开关立即闭合。电容器上的电压供给12脉冲逆变器产生交流电功率供给系统，负荷的损耗使电容器上的电压很快下降，电容器电压降低到一个最低的值，电压调节器开关再度打开，磁体中的电流又向电容器充电，这样维持输出电压在

49、一个稳定范围。上述电压调节器开关反复关闭，重复进行下去，直到系统电压恢复正常，或者磁体中所存能量消耗殆尽。,3.6 SMES的实用技术,用这种方式将超导线圈储存的磁能由逆变器和电容器转化为电能是很方便又安全的方法。由于反应速度极快，因而为SMES SSD使负荷感觉不到负荷的波动，此装置容量只有0.3 kWh。这相当于1MJ的能量。如果系统电源失去电压，或与控制中的参数电压相比超过上下限度，则控制器在极短时间将打开固态开关。在2ms内由超导提供电源继续供电，如果有1MJ可用，则供1MJ负荷不可能超过1s。有的用户在电源断电几个毫秒时可能遭受重大损失，而SMES SSD可以在短时间内供应这种特殊电力用户，使其电源不致在短时间断电。,3.6 SMES的实用技术,企业使用小型超导磁能存储（SMES）装置以保证电源的连续和质量，对广大用户来说还是不熟悉的技术。例如本例中300HW的磁能约1MJ，可以在1s内供应1000kW，或在5s内供应200kW，对这中要求极严格的用户