PDF《超导储能技术在可再生能源中的应用与展望》

超导储能技术在可再生能源中的应用与展望 郭文勇1 ,蔡富裕1,

2 ,赵闯1,

2 ,张京业1 ,滕玉平1 ,肖立业1,

2 ( 1.

中国科学院电工研究所应用超导重点实验室,北京市

1 0

0 1

9 0;

2.中国科学院大学,北京市

1 0

0 0

4 9 ) 摘要:超导储能系统直接将电磁能存储在超导磁体中, 无须中间转换环节, 具有响应速度快、 功率 密度高、 效率高等优点, 在可再生能源领域具有重要的应用价值.总结了超导储能系统在可再生能 源领域的研究现状, 将其在可再生能源应用的研究归纳为如下几个方面: 解决可再生能源的波动性 及其引发的频率稳定性问题, 解决暂态功率失衡引发的电网稳定性问题, 解决可再生能源发电设备 的故障穿越问题, 以及解决与其他超导电力装置协同控制问题.详细介绍了超导储能系统在这些 方面应用的基本原理和实现方法, 评估了其技术成熟度和经济性, 介绍了其典型应用案例, 指出影 响其未来发展的核心关键技术, 并对其未来的发展进行了展望. 关键词:可再生能源;

超导储能系统;

微电网;

功率补偿;

故障穿越;

暂态稳定性;

储能系统 收稿日期:

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1 8 -

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2 2;

修回日期:

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1 9 -

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0 8. 上网日期:

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1 9 -

0 2 -

0 1. 国家重点研发计划资 助项目(

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1 8 Y F B

0 9

0 5

5 0 0) ;

国家自然科学基金资助项目(

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8 7

7 2

0 6 ) .

0 引言 可再生能源的迅猛发展给电网的安全性和稳定 性带来越来越严峻的挑战, 而储能系统是提高电网 安全性和稳定性的有效途径[

1 ] , 储能技术应用于可 再生能源发电, 可以通过能量的快速充放来频繁地 响应输出功率的波动[

2 ] , 减轻对电网的负面影响;

可 以提高可再生能源电网的频率稳定性[

3 ] , 参与电网 的二次调频[

4 -

5 ] ;

可以在可再生能源限 电时存储电能, 在负荷高峰时向电网放电, 提高可再生能源的消 纳水平[ 6] ;

可以提高含可再生能源电网的可调度性, 优化电网的运行[ 7] ;

可以抑制电力系统的振荡, 提高 电网的稳定性[ 8] .储能已经成为分布式可再生能源 大规模接入电网的必然选择[

9 ] , 储能应用于分布式 可再生能源系统可以延缓电网扩容, 提高频率和电 压稳定性, 提高电能质量和可靠性, 减轻分布式发电 的功率波动[

1 0] , 从而有效提高分布式系统的效益[

1 1 ] .可再生能源对储能的迫切需求也促进了规 模化储 能技术的迅猛发展, 截至2016年10月31日, 除抽水储能外的兆瓦级储能工程已达164项[

1 2] , 而可再生能源应用占全球储能技术应用 市场的4 3%, 在各种应用中居首位[

1 3 ] .单个储能项 目的容量也在不断刷新纪录,

2 0

1 6年在中国张北投 运的1 6MW /

6 3MW・h级别的锂电池储能系统为 当时世界最大的储能装置,

2 0

1 7年底在澳大利亚投 运的1

0 0MW /

1 2 9MW・h级别的锂电池储能项目 进一步刷新了储能系统容量的世界纪录[

1 4] .储能 对于可再生能源发展的重要性也引起了国家相关部 分的高度重视,

2 0

1 5 年3 月国务院印发的《 关于进 一步深化电力体制改革的若干意见》 明确提到鼓励 储能技术的应用来提高能源使用效率, 文献[

1 5] 中 八大重点工程提及储能电站、 能源储备设施, 重点提 出要加快推进储能等技术研发应用.2

0 1 7年国家 能源局会同发展改革委、 财政部、 科技部、 工信部联 合印发的《 促进储能技术与产业发展的指导意见》 为 推动储能技术与产业发展进一步营造了良好的政策 环境[

1 4] . 在各种储能方式中,超导储能系统(superconductingm a g n e t i c e n e r g ys t o r a g e s y s t e m, S ME S ) 具有效率高、 功率密度高、 响应速度快、 循环 次数无限等优点[

1 6] , 有望在可再生能源领域发挥重 要作用.S ME S的优点取决于其基本原理, 将能量 以电磁能的形式存储在由超导带材绕制的超导磁体 中, 并在需要的时候通过功率调节系统释放出 来. 超导带材零电阻的特性决定了 S ME S 具有效率高 的优点;

超导带材电流密度高的特点决定了 S ME S 具有高功率密度的优点;

其以电磁能直接存储能量 的形式决定了S ME S无须能量转换的环节, 具有响 应速度快的优点;

而SME S在运行过程中, 无任何 电化学反应和机械磨损的特点决定了其具有循环次

2 第4 3卷第8期2019年4月2 5日Vol.43N o . 8A p r .

2 5,

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1 9 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

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1 0

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1 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 数无限的优点.利用 S ME S效率高的优点, 可以将 其用于对可再生能源进行削峰填谷;

而利用其功率 密度高、 响应速度快、 循环次数无限的优点, 可以将 其应用于解决可再生能源引发的电网暂 态稳定性 问题. 为了更好地把握 S ME S发展动态, 缕清 S ME S 未来的发展方向, 本文从宏观应用而非具体研制开 发的角度对S ME S在最有可能应用的场合, 即可再 生能源发电领域的研究现状进行了归纳和总结.目前, S ME S在可再生能源领域的研究主要包括如下 几个方面: ①平滑可再生能源输出功率, 解决可再生 能源发电的波动性问题, 提高 电网的频率稳定性;

②提高基于可再生能源的分布式电网和微电网的频 率稳定性和电压稳定性;

③提高可再生能源发电的 故障穿越能力;

④与其他超导电力装置的优化配置 和协调控制.本文将对 S ME S这4个方面的应用 研究发展现状进行分类介绍, 介绍其典型应用案例, 评估S ME S在该领域应用的技术成熟度和经济性, 并对其未来在可再生能源应用领域的发展趋势进行 展望.

1 解决可再生能源的波动性问题 可再生能源自身的随机性造成其发电的波动 性.可再生能源发电的波动性导致了以下2个方面 的负面影响[

1 7 ] : ①可再生能源发出电能的峰值而不 是平均值决定了电网的传输容量, 极大地增加了电 网的建设成本;

②可再生能源发电的波动性对电网 的稳定性和电能质量产生不利影响, 其中对电网频 率稳定性的影响尤为突出.有研究表明, 波动幅值 在常规发电容量5%以上的功率波动将可能使系统 频率偏差超过±1%, 从而限制系统对可再生能源的 消纳能力[

1 8 ] . 为了减轻可再生能源中风电并网对电网稳定性 的影响, 国家标准规定: 在风电场容量小于3

0 MW 时, 每1m i n波动最大值不超过

3 MW, 每10min不超过1 0MW;

在风电场容量介于3 0~5 0MW 时, 每1m i n波动不超过额定值的

1 /

1 0, 每10min不超过额定值的1 / 3;

在风电场容量大于1

5 0 MW 时, 每1m i n不超过15MW,每10m i n不超过50MW [

1 9 ] .大容量光伏并网也会带来功率波动的 问题, 国家标准规定光伏发电站有功功率变化速率 每分钟应不超过1 0%的装机容量[

2 0] .基于 S ME S 高效快响应速度的特性, 将其应用于可再生能源发 电场中可以有效地平抑功率波动, 并提高电网的频 率稳定性. 1.

1 控制策略 目前, 用S ME S解决可再生能源的波动问题有 2种思路: 一种是直接平滑可再生能源的功率波动, 以减轻功率波动对电网的影响;

另一种是以稳定电 网的频率控制为目标, 通过 S ME S发出有功功率的 阻尼作用, 抑制电网的频率波动. 在功率平滑控制策略方........