用于智能电网辅助服务的超级电容器.ppt

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1、用于智能电网辅助服务的超级电容器用于智能电网辅助服务的超级电容器Maxwell简介Maxwell成立于成立于1965年年430位员工2012财年公司收入约1.59亿美元 纳斯达克上市 代码:MXWL过去5年超级电容器收入实现显著增长！1992 Maxwell开始开发超级电容器1995 Maxwell推出首款大容量超级电容器2002 Maxwell与Montena合并2004 Maxwell生产自己专有的电极2007 开始在中国生产2008 德国慕尼黑汽车办事处开业2008 生产第100万个大容量UCAP单体(12月8日)2009 SOP首个汽车项目2010 推出ESM模块2011 生产第200

2、万个大容量UCAP单体(1月28日)2012 继续扩大产能(每季度生产100万个单体)什么是超级电容器器?超级电容器（超级电容器（ultracapacitors,Supercapacitors）、双电层电容器）、双电层电容器(Electric Double Layer Capacitors)、均为其称谓。均为其称谓。工作原理工作原理一种具有很大电容器极板面积和很小极间距离的储能装置充/放电时不发生化学反应性能性能时间常数小于1秒10万至100万次以上的充/放电周期。直流寿命达15年隔膜隔膜电极极+_+_+电极极电解解质+_+_+_+_基础材料生产超级电容器的基本原料生产超级电容器的基本原料是来

3、自椰壳！是来自椰壳！碾磨碾磨活性化活性化Maxwell干电极干电极涂敷涂敷辊轧辊轧捏合捏合粘合粘合椰子壳烧焦成碳椰子壳烧焦成碳活性碳活性碳烘干并粉碎烘干并粉碎椰壳椰壳Maxwell 超超级电容器级电容器插入插入浸渍浸渍密封密封应用变桨控制系统变桨控制系统 运行超过10年 用于用于17,500多台风机多台风机混合动力公交混合动力公交 运行运行超过10年 用于用于15,000多多辆公交仪表板网络稳定仪表板网络稳定 运行运行超过4年 用于750,000多多辆汽车电网稳定电网稳定 目前已稳定运行目前已稳定运行1年左右 额定功率3兆瓦新！新！超级电容器可确保电网稳定什么是电网稳定什么是电网稳定?当一个足

4、够大的负荷在电网上开/关时，会在其周边局部区域造成电压和频率扰动。这些扰动是由于发电机对负荷变化的响应延迟造成的。可以通过增加储能装置满足局部需求波动，直至发电机有时间做出响应，从而减轻这种局部扰动。大型可变负荷导致局部电压和频率扰动大型可变负荷导致局部电压和频率扰动增加储能装置可消除此类局部扰动增加储能装置可消除此类局部扰动洋山深水港案例研究起重机操作导致局部电网不断发生电压起重机操作导致局部电网不断发生电压波动波动该港口位于世界上最长桥梁的一端，该港口位于世界上最长桥梁的一端，架设更大容量输电线路成本高昂架设更大容量输电线路成本高昂上海新港使用超级电容器稳定电压的原因上海新港使用超级电容器

5、稳定电压的原因如果满负荷工作，洋山深水港的23台港口起重机的每次用电足以让局部电网发生10至15秒的电压波动由于该港口位于长达20英里的大桥的一端，增大输电线容量会导致成本过高使用储能系统可以减轻起重机操作造成的短时电压波动，从而避免使用更大容量的输电线路超级电容器周期充放电次数多，设计寿命长，因而成为首选洋山深水港案例研究洋山深水港解决方案洋山深水港解决方案共选用126个Maxwell生产的125V模块用于储能额定功率3兆瓦储存能量达17.2千瓦时储能时间20秒共采用共采用6,048个个Maxwell 3000F单体单体10kV配电系统配电系统确保港口电压稳定确保港口电压稳定六个六个500k

6、W阵列阵列家用电网稳定需求太阳能等可再生能源输出变化很大，会导致局部扰动太阳能等可再生能源输出变化很大，会导致局部扰动与港口起重机类似，当太阳能发电站的输出变动快于并网发电响应速度时，也会引起电压和频率扰动。在广泛使用太阳能发电的地区，这种扰动会降低供电质量，给当地用电户造成不利影响。大型可变负荷导致局部电压和频率扰动大型可变负荷导致局部电压和频率扰动太阳能等大型可变电源也会导致局部扰动太阳能等大型可变电源也会导致局部扰动家用电网稳定需求SunPower装机量装机量250兆瓦的加州兆瓦的加州谷太阳能牧场谷太阳能牧场CAISO：2013年年8月月18日周日的日周日的可再生能源可再生能源CAISO

7、记录记录5月份太阳能发电量达到创纪月份太阳能发电量达到创纪录的录的1.8GW加州加州2020年的目标是可再生年的目标是可再生电源达到电源达到33%目前对电网稳定的需求虽小但在迅速增长目前对电网稳定的需求虽小但在迅速增长 目前太阳能供电占加州总供电量不到5%，预计到2020年翻一番 随着太阳能发电在电网中的普及，会超过发电设备对其输出变动的响应能力电网如何响应变动电网上的负荷如何平衡电网上的负荷如何平衡来源：Eyer,Jim和Garth Corey。电网储能。Sandia国家实验室。2010年2月。南加州南加州Edison的供电质量图的供电质量图来源：电力质量手册。南加州Edison 电力质量部

8、。发电机根据负荷的变动进行相应的功率调节，以保持供电质量发电机根据负荷的变动进行相应的功率调节，以保持供电质量要在辅助服务市场上销售调节功率(regulation power)，电厂必须能够随时响应恒定功率调节需求，并在五分钟内调整到所需的输出要求。目前加州独立系统运营商（California ISO）每天在辅助服务市场上采购350到600兆瓦调整电力（即日峰值发电量的11.5%，以维持电力质量标准。为什么可再生能源要求更多辅助服务？来源：Lawrence Berkeley 国家实验室的Andrew Mills所著太阳能发电的短期可变性，2010年10月太阳能发电是一种输出变化很大的电力来源！

9、太阳能发电是一种输出变化很大的电力来源！稍许乌云就会在五分钟内导致输出功率大幅变化一分钟内出现40%的输出变化并不罕见很大程度上与港口起重机相似，太阳能发电的大幅变化会引起局部区域的扰动 来源：Lenox，计算大型光伏项目的可变性，SunPower，2009年10月简化电网模型太阳能发电占电网的太阳能发电占电网的50%，电厂调整速度为，电厂调整速度为5分分钟的电网电力质量钟的电网电力质量电网上太阳能发电比重增大造成的影电网上太阳能发电比重增大造成的影响可用简化电网模型来体现响可用简化电网模型来体现电网模型由供电调整速度5分钟、专用于提供调节功率的简化电厂、恒定电力负荷和电力输出不断变化的太阳能

10、发电厂组成电网会调整其输出，努力保持负荷平衡，以确保电能质量在要求之内若电能质量不满足要求，负荷会跳闸，5秒钟后重置这个简单模型说明太阳能发电比重超过20%，电网就会变得不稳定在此模型中，当太阳能发电比重超过在此模型中，当太阳能发电比重超过20%，电网，电网就会丧失稳定性就会丧失稳定性带储能装置的简化电网太阳能发电占电网的太阳能发电占电网的50%，有，有30秒钟储能的电网秒钟储能的电网电力质量情况电力质量情况采用储能装置不仅可以支持更高的太采用储能装置不仅可以支持更高的太阳能发电占比，同时还可保持电力质阳能发电占比，同时还可保持电力质量量增加储能装置后，太阳能发电的波动得到缓和，让电厂有时间响

11、应更多的用电需求模型显示，只需20秒的储能，就能将太阳能发电的占比提升到40%，且不会出现切负荷跳闸进一步增加储能水平产生的效益呈下降趋势，30秒储能只能把太阳能发电的占比提高到50%切负荷跳闸与太阳能发电占比和储能能切负荷跳闸与太阳能发电占比和储能能力的函数关系图力的函数关系图用于太阳能发电的储能装置特点5分钟电网调整响应速度条件下用于稳定太阳能发电输出的储能装置特点分钟电网调整响应速度条件下用于稳定太阳能发电输出的储能装置特点对太阳能发电占比低于50%的情况，只需要10到30秒储能即可确保当地电力质量根据模型，按30秒储能，夏日平均一天需完成8.6个完整充放周期。如果储能系统要达到与太阳能

12、阵列20年的使用寿命，就要求其充放电周期次数达到6万次甚至更高。一个月一个月一天一天一小时一小时一小时一小时太阳能阵列太阳能阵列输入输入5分钟响应时间内净分钟响应时间内净输出变动得到缓和输出变动得到缓和 用于太阳能发电的储能装置特点所选用的储能技术所选用的储能技术典型充放电周期典型充放电周期所选用的储能技术所选用的储能技术 特定储能水平与储能时间特定储能水平与储能时间稳定太阳能发电，调整电网对储能时间和充放电周期的要求与超级电容器稳定太阳能发电，调整电网对储能时间和充放电周期的要求与超级电容器的电特性极为吻合的电特性极为吻合同样的20秒钟储能时间，超低电容器比电池的体积小2-3倍超级电容器的充

13、放电周期能让系统的设计使用寿命与光伏阵列相同，而且还可避免系统超过规定的尺寸超级电容器电网应用演示基于使用超级电容器稳定电网太基于使用超级电容器稳定电网太阳能发电这样一个前提，阳能发电这样一个前提，Maxwell将在由加州能源委员会将在由加州能源委员会资助的项目的两个地点演示该技资助的项目的两个地点演示该技术：术：一期系统额定功率30KW，准备于2014年安装在加州大学圣地亚哥分校(UCSD)，用于演示28KW CPV的稳定性二期系统额定功率250KW，准备于2015年安装在沙漠中的更大规模CPV阵列上概念性概念性28KW机箱设计，演示地点位于加州大学机箱设计，演示地点位于加州大学圣地亚哥分校

14、圣地亚哥分校 概念性概念性250kW设计，准备于设计，准备于2015年演示年演示超级电容在风电并网侧端的应用平滑风电出力曲线，可以平滑风电出力曲线，可以和电池合作和电池合作超级电容在不同储能方案中的定位 超级电容超长秒、分钟级别的应用超级电容超长秒、分钟级别的应用10s 3minVoltage and frequency regulationP-w and Q-U drop stabilization超级电容在改善电网质量方面的其它应用储能系统在智能电网中的其它应用储能系统在智能电网中的其它应用:超级电容和电池超级电容和电池能量储存系统在 STATCOM中的应用能量储存系统在 SVCs 静态

15、VAR 补偿中的应用Source:Rajiv K.Varma,“Elements of Elements of FACTs ControllersFACTs Controllers,”IEEE Power&Energy Society Transmission and Distribution Conference&Exposition,Ernst N.Morial Convention Center,New Orleans,LA,19-22 May 2010频率的稳定需要储能设备具有维持1分钟高功率的能力控制和平滑电网电压需要能量储存系统可以快速输送功率(ms级)并且可以从变流器吸收功率超级

16、电容和其它储能设备联合使用主能源设备(电池,发电机等)峰值功率需求应用持续功率需求 主能源要满足峰值功率和持续功率的需求主能源要满足峰值功率和持续功率的需求超级电容和其它储能设备联合使用超级电容负责峰值功率的需求超级电容负责峰值功率的需求总结超级电容器有望用于提供电网级辅助服务，如稳定太阳能风超级电容器有望用于提供电网级辅助服务，如稳定太阳能风能发电的出力，稳定局域能发电的出力，稳定局域 网质量等网质量等经证明超级电容器能够有效地稳定有负荷快速变化的局部电网稳定太阳能风能发电输出，调整电网的运行对此类大功率、储能时间短的应用，超级电容器有望比性能类似的电池解决方案尺寸小2-3倍与电池并联，优化系统性能和成本超级电容器是为数不多在使用寿命上能够与太阳能风能发电超级电容器是为数不多在使用寿命上能够与太阳能风能发电设备相当的储能技术设备相当的储能技术希望能与大家合作，共同解决新能源并网问题和改善电网质量