南京工程學(xué)院 電氣工程新技術(shù) 課設(shè)論文

南京工程學(xué)院本科生課程論文(設(shè)計(jì)) 課程名稱電氣工程新技術(shù)教師姓名張亮學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)建筑電氣與智能化班級(jí)建筑電氣111日期:2014年12月30日評語對課程論文的評語:平時(shí)成績：課程論文成績：總成績：評閱人簽名：注：1、無評閱人簽名成績無效；2、必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效；3、如有平時(shí)成績，必須在上面評分表中標(biāo)出，并計(jì)算入總成績。引言近幾十年來，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷儲(chǔ)能等。各種儲(chǔ)能技術(shù)在能量和功率密度等方面有著明顯區(qū)別，表A顯示了不同應(yīng)用場合對能量和功率密度的要求。本文著重介紹電力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)狀況和應(yīng)用實(shí)例，從技術(shù)層面加以分析，探討儲(chǔ)能技術(shù)的未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景。表A儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場合和技術(shù)要求設(shè)備類型用戶類型功率等級(jí)能量等級(jí)便攜式設(shè)備—1~100WWh運(yùn)輸工具汽車火車、輕軌列車潛艇25~100kW100~500kW1~20MW100kWh500kWh10MWh靜止設(shè)備家庭小型工業(yè)和商業(yè)設(shè)施配電網(wǎng)輸電網(wǎng)發(fā)電站1kW10~100kWMW10MW10~100MW5kWh25kWhMWh10MWh10~100MWh1技術(shù)原理與特點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由兩大部分組成：由儲(chǔ)能元件(部件)組成的儲(chǔ)能裝置;由電力電子器件組成的電網(wǎng)接入系統(tǒng)(或稱能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：PowerConversionsystem,簡稱PCS)。儲(chǔ)能裝置主要實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存、釋放或快速功率交換。由電力電子器件組成的電網(wǎng)接入系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)充放電控制;(2)交流一直流雙向變換、直流一直流變換;(3)功率調(diào)節(jié)和控制;(4)運(yùn)行參數(shù)檢測和監(jiān)控;(5)安全防護(hù)等。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量范圍寬，從幾十千瓦到幾百兆瓦;放電時(shí)間跨度大，從毫秒級(jí)到小時(shí)級(jí);應(yīng)用范圍廣，貫穿發(fā)輸變配用電系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用如下：(1)用于電力調(diào)峰解決用電矛盾;(2)用于用戶側(cè)提高供電可靠性;(3)用于可再生能源優(yōu)化推動(dòng)可再生能源開發(fā)應(yīng)用;(4)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提高電網(wǎng)安全性?，F(xiàn)階段儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展必須滿足這些要求：儲(chǔ)能密度大，變換損耗小，運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)較容易，不污染環(huán)境。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是對傳統(tǒng)“即發(fā)即用”的電力模式的革命性突破，它可以減少用于發(fā)電設(shè)備的投資，提高電力設(shè)備的利用率，安裝在用電設(shè)備附近可以降低線損，安裝在大城市附近可以提高供電可靠性等等。2目前電能儲(chǔ)能形式2.1機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)械儲(chǔ)能是指將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)，在需要使用時(shí)再重新轉(zhuǎn)換為電能，主要包括：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。抽水蓄能是電力系統(tǒng)中唯一大規(guī)模采用的電力儲(chǔ)能形式，抽水儲(chǔ)能是投入運(yùn)行時(shí)必須配備上、下游兩個(gè)水庫，負(fù)荷低谷時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負(fù)荷高峰時(shí)抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的水發(fā)電。其最大特點(diǎn)是儲(chǔ)存能量大，同時(shí)抽水儲(chǔ)能也是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)，非常適合于電力系統(tǒng)調(diào)峰和用作長時(shí)間備用電源的場合。2.2電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）利用由超導(dǎo)線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場能量儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)再將儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)或作它用。其原理是通過對超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的預(yù)充電，控制變換裝置的觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)SMES裝置與系統(tǒng)間的有功功率和無功功率的交換。具有響應(yīng)速度快（ms級(jí)），轉(zhuǎn)換效率高，比容量大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。SMES在技術(shù)方面相對簡單，沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題。2.3電化學(xué)儲(chǔ)能超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電荷層間距非常小（一般<0.5mm），加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。但由于電介質(zhì)耐壓低，存在漏電流，儲(chǔ)能量和保持時(shí)間受到限制，必須串聯(lián)使用，以增加充放電控制回路和系統(tǒng)體積。2.4相變儲(chǔ)能相變儲(chǔ)能是利用某些物質(zhì)在其物相變化過程中，可以與外界進(jìn)行能量交換，能達(dá)到能量交換與能量控制的目的。根據(jù)相變的形式、相變儲(chǔ)能材料的不同可基本上分為四大類：固—固相變、固—液相變、液—?dú)庀嘧兒凸獭獨(dú)庀嘧兊?，從材料的化學(xué)組成來看，又可分為無機(jī)材料相變、有機(jī)相變材料和混合相變材料等。3儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求儲(chǔ)能本身不是新興的技術(shù)，但從產(chǎn)業(yè)角度來說卻是剛剛出現(xiàn)，正處在起步階段。我國現(xiàn)有系統(tǒng)中儲(chǔ)能主要分布在西北，能源分布可見。近20年來，我國由于系統(tǒng)失穩(wěn)造成的大停電。迫切需要建立起以多點(diǎn)儲(chǔ)能裝置支撐東西部資源發(fā)展不均，有效地支持電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和頻率，穩(wěn)定我國特有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前我國儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求有如下幾方面：3.1風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)模化發(fā)展必然會(huì)對電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來顯著影響，另外風(fēng)力發(fā)電往往在后半夜進(jìn)入發(fā)電高峰，而此時(shí)正是用電低谷，所以棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此必須要有先進(jìn)的大容量儲(chǔ)能技術(shù)做支撐，以穩(wěn)定風(fēng)機(jī)輸出，且能錯(cuò)時(shí)發(fā)電，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的利用率，降低損耗。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國的多數(shù)風(fēng)電場屬于“大規(guī)模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”，對電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大容量儲(chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風(fēng)電之間矛盾的關(guān)鍵因素。3.2光伏發(fā)電光伏發(fā)電是顯著受天氣影響的，對于目前大型光伏發(fā)電場主要是并網(wǎng)發(fā)電，但總的說來裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例非常小，其波動(dòng)可以忽略不計(jì)。但隨著時(shí)間推移，其所占比例越來越大之后，不得不考慮儲(chǔ)能技術(shù)以平滑其輸出，減小對電網(wǎng)的影響。目前來說，光伏發(fā)電對儲(chǔ)能電池的需求更多體現(xiàn)在離網(wǎng)型光儲(chǔ)或風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目上。3,3電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻由于我國電力系統(tǒng)煤電比例較高，核電不參與調(diào)峰，水電、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰較好的電源所占比例較低，造成電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和調(diào)控管理困難。系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻也成為限制電網(wǎng)接受清潔能源的一個(gè)主要因素。電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫，受地理?xiàng)l件限制較大，在平原地區(qū)不合適。采用大容量儲(chǔ)能電池的小型調(diào)峰系統(tǒng)從微觀角度多點(diǎn)調(diào)峰，不受地理?xiàng)l件限制，可大可小設(shè)計(jì)靈活，是抽水蓄能電站的有益補(bǔ)充。3.4通訊基站通信基站和通信機(jī)房需要蓄電池作為后備電源，且時(shí)間通常不能少于10小時(shí)。對通訊運(yùn)營商來講，安全穩(wěn)定可靠和使用壽命是最重要的，在這一領(lǐng)域，流體釩電池有著鉛酸電池?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢：壽命長，維護(hù)簡單，能量存儲(chǔ)穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調(diào)整能量的存儲(chǔ)量，總體使用成本低。通信網(wǎng)絡(luò)中的基站動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機(jī)，在停電時(shí)提供長時(shí)間動(dòng)力。流體釩電池完全可以替代動(dòng)力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機(jī)的動(dòng)力組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲(chǔ)解決方案。3.5分布式電站大型電網(wǎng)自身的缺陷，難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安全可靠性要求，對于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網(wǎng)故障或各種意外事件造成的斷電。對于目前很多遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的場合，如海島、哨所、采礦采油井、移動(dòng)牧場、野外施工地等，對風(fēng)光儲(chǔ)一體化電站解決方案也提出了真實(shí)的需求。4應(yīng)用前景分析隨著新能源(風(fēng)能、太陽能、燃料電池等)日益普及，以及電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)可靠性和改善電能質(zhì)量的迫切需求，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性日益凸顯。所以，電力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。電力儲(chǔ)能技術(shù)為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)、解決電量供需不平衡矛盾以及提高供電可靠性問題提供了一攬子解決方案。大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)、發(fā)電廠、居住小區(qū)、醫(yī)院、大型企業(yè)、可再生能源優(yōu)化等等。4.1有效提高既有發(fā)輸配用電設(shè)備利用率，改進(jìn)電力建設(shè)增長模式以上海為例,目前上海發(fā)電系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)同時(shí)按照每年最高用電負(fù)荷對發(fā)電容量和輸配電容量進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)。同時(shí),其負(fù)荷特性呈現(xiàn)明顯大都市特性,目前日負(fù)荷率約五到六成。儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦形成規(guī)模,可以通過儲(chǔ)能系統(tǒng)提高發(fā)電和輸配電環(huán)節(jié)設(shè)備利用率,減少相應(yīng)電源、電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。這將徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)建設(shè)模式,促進(jìn)其從外延擴(kuò)張型向內(nèi)涵增效型轉(zhuǎn)變。儲(chǔ)能系統(tǒng)在科研初期雖然單位成本較高,可一旦形成規(guī)?；⑻貏e是完成國產(chǎn)化,突破國外的技術(shù)壁壘后,成本將大幅下降,遠(yuǎn)景可節(jié)約幾百億的電源、電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。如果能早日推進(jìn)國產(chǎn)化和規(guī)?；?建設(shè)成本大幅下降,在“十二五”期間就可節(jié)約發(fā)輸變配電各環(huán)節(jié)的大量建設(shè)費(fèi)用。此外,由于土地及相關(guān)資源有限,儲(chǔ)能系統(tǒng)可以結(jié)合用戶需要和電業(yè)變電站的建設(shè),分散安裝、緊湊布置,相應(yīng)地減少電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)建設(shè)所需的土地和空間資源,具有良好的社會(huì)效益。4.2降低發(fā)電企業(yè)及電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)行成本,減少用戶端用電費(fèi)用儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)相對簡單,投入后可大量地節(jié)約電廠和電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,無論是電廠還是電網(wǎng),運(yùn)行維護(hù)都相對復(fù)雜,而儲(chǔ)能系統(tǒng)可大量節(jié)省運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。對于電廠而言,為保證低谷負(fù)荷時(shí)候電力平衡,大型火電機(jī)組大多要減至最低出力,小型機(jī)組更是需要日開夜停的“兩班制”運(yùn)行,這對機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性都相當(dāng)不利。以上海的300MW為例,機(jī)組出力300MW時(shí),發(fā)電煤耗可控制在320g/(kW/h)左右,而出力降低到120MW時(shí)，則煤耗率高達(dá)400g/(kW/h)左右,經(jīng)濟(jì)性大大下降。而儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用之后,低谷負(fù)荷情況下,可以啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能,機(jī)組可以運(yùn)行在比較經(jīng)濟(jì)的出力區(qū)間,從而獲得較高經(jīng)濟(jì)效益。一旦儲(chǔ)能系統(tǒng)形成規(guī)模后,提高了低谷負(fù)荷時(shí)的機(jī)組效率,即使考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率,每噸標(biāo)準(zhǔn)煤也可多發(fā)電到50~150kW/h。對于電網(wǎng)企業(yè)和終端用電用戶,儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過夜間儲(chǔ)電、日間放電,從峰谷電價(jià)差中優(yōu)化資源配置,獲得大量的經(jīng)濟(jì)效益。4.3減少停電損失實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能后,電網(wǎng)發(fā)生故障和檢修的部分情況下,用戶可以通過儲(chǔ)能系統(tǒng)保證供電,用戶用電的安全可靠性將大大地提高,停電次數(shù)、時(shí)間和停電損失將大幅減少,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)相當(dāng)明顯。目前,電力儲(chǔ)能系統(tǒng)推廣應(yīng)用的最大障礙在于國外少數(shù)企業(yè)的技術(shù)壟斷,由此造成其價(jià)格甚高。要推動(dòng)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中規(guī)?；瘧?yīng)用,一靠掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),使其價(jià)格大幅度下降;二靠政府政策激勵(lì)和資金支持。如果能實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)國產(chǎn)化,使其成本達(dá)到或接近應(yīng)用水平,那么隨著峰谷電價(jià)差逐步加大和對電能質(zhì)量要求日益提升,被壓抑的電網(wǎng)對電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求將迅速得到強(qiáng)勁的釋放。5結(jié)束語新能源不僅是資源豐富的可再生能源，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生污染物，既是近期重要的補(bǔ)充型能源，又是未來能源結(jié)構(gòu)之基礎(chǔ)，對能源可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。從長遠(yuǎn)來看，人類必將逐步過渡到以可再生能源為主的可持續(xù)能源系統(tǒng)。從我國國情來看，通過大力開發(fā)新能源，更有利于我國農(nóng)村地區(qū)等的發(fā)展，提高人民生活質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境，為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供保障，造福子孫后代，裨益無窮。6參考文獻(xiàn)[1]孫云蓮.新能源及分布式發(fā)電技術(shù),2013.[2]徐政.智能電網(wǎng)中的電力電子技術(shù),2012.[3]俞振華.大容量儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國電力企業(yè)管理，2010(7)：26-28.[4]黃燕婷.先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢—訪中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張華民[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化月刊，2011(6)：44-47[5]楊根生.液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].湖南電力，2010(3)：59-62.[6]張文亮，丘明，來小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，32(7)：1-9.[7]陳海生.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化月刊，2011(6)：55-56.[8]朱桂華，劉金波，張玉柱.