1、电力电子在电力系统中的应用,南京工业大学 自动化与电气工程学院 梅 磊,2,1-1 储能技术在电力系统中的应用概述,1-3 化学储能技术及其在电力系统中的应用,1-2 超导储能技术及其在电力系统中的应用,第1章 电力系统能量存储,3,1-3-1 铅酸蓄电池发展历史,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,铅酸蓄电池是1859年由普兰特(Gaston Plante，法国著名物理学家)发明的。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
2、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。近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，希望实现电池的密封，获得干净的绿色能源。,4,1-3-1 铅酸蓄电池发展历史,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,1912年Thomas Edison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：铂催化剂很快失效
3、；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，可用来制造免维护铅酸蓄电池板栅特别是负板栅，制成的铅酸蓄电池失水缓慢，可以达到少维护或免维护的技术要求。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。,5,1-3-1 铅酸蓄电池发展历史,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,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。 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
4、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，Gates Rutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA (Valve-Regulated Lead Acid Battery，阀控式密封铅酸蓄电池)的电池原型。,6,1-3-1 铅酸蓄电池发展历史,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专用合金，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
5、。 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。 1991年，英国电信部门对正在使用的VRLA电池进行了检查和测试，发现VRLA电池并不象厂商宣传的那样，电池出现了热失控、燃烧和早期容量失效等现象，这引起了电池工业界的广泛讨论，并对VRLA电池的发展前途、容量监测技术、热失控和可靠性表示了疑问，此时，VRLA电池市场占有率还不到富液式电池的50%，原来提到的“密封免推护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代，原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池，采用“免维护”容易引起误解。,7,1-3-1 铅酸蓄电池发展历史,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,1992
6、年，针对1991年提出的问题，电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法，其中Dr Darid Feder提出利用测电导的方法对VRLA电池进行监测。I.c.Bearinger从技术方面评述VRLA电池的先进性。这些文章对VRLA电池的发展和推广应用起了很大的促进作用。 1992年，世界上VRLA电池用量在欧洲和美洲都大幅度增加，在亚洲国家电信部门提倡全部采用VRLA电池；1996年VRLA电池基本取代传统的富液式电池，VRLA电池已经得到了广大用户的认可。,8,1-3-2 铅酸蓄电池现状,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,新闻链接：环保风暴席卷电池业 铅酸蓄电池企业遭遇生死劫
7、 中国之声央广新闻报9月11日消息道，为了减轻污染，保护环境，环保部、国家发改委等九部门今年5月联合发起了有史以来力度最大的全国铅酸蓄电池行业专项大整治，全国有近1600家铅蓄电池企业被取缔停产或停产整顿。环保部表示整治工作取得明显成效。 环境保护部称，截至7月底，各地排查的1930家铅蓄电池生产、组装及回收企业中，有583家被取缔关闭、405家被停产整治、610家停产。环境保护部认为，“整治力度是空前的”。在整治中，对铅蓄电池企业开展了一次全面监测，共监测2011年第二季度在生产的462家企业的2693个废水和废气排放口，对监测中发现的超标排污企业进一步采取了停产整治的措施。,9,1-3-2
8、 铅酸蓄电池现状,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,新闻链接：全球最大铅酸蓄电池生产商中国涉嫌污染 遭停产待查 上海证劵 9月15日消息道，因涉嫌铅污染，全球最大的铅酸蓄电池生产商江森自控有限公司全资子公司上海江森自控国际蓄电池有限公司昨天起已暂时停产待查。 上海江森自控蓄电池厂的前身是德尔福国际蓄电池有限公司，成立于1995年。 2000年以后，该厂曾提出在当地扩产，但最后被原南汇区环保局否决。江森自控随后就到浙江长兴建了其在国内的第二座铅酸蓄电池生产基地。 2009年金融危机爆发时，江森自控曾被迫在北美和欧洲关闭与合并了28家工厂，但其在中国的投资却不断加大。 2010年11月，江森
9、自控高层在位于重庆的第三座蓄电池生产基地开工仪式上曾公开表示，江森自控在国内已有3家工厂，年产能为1800万只蓄电池。按照规划，江森自控2015年将在中国生产3000万只蓄电池，为此计划近期在中国再建设2座新工厂。,10,1-3-2 铅酸蓄电池现状,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,新闻链接：铅酸蓄电池新标谋变 “沉积性污染”引起重视 南方都市报网络版9月19日消息道，今年6月起中国电器工业协会铅酸蓄电池分会着手起草铅酸蓄电池行业准入条件。目前该准入条件讨论稿已报送工信部。新的准入条件对新建项目从总量控制、产业布局、技术装备、环境保护以及安全与职业卫生等方但是，据全国铅酸蓄电池标准化委员
10、会主任伊晓波透露，在标准制定中，并没有将“沉积性污染”这一条目加入进去，来自产业界的人士对“沉积性污染”比较排斥。“如果这次康花新村的血铅超标事件确实证实与之有关的话，那么整个行业标准对沉积性污染的明确则一定会提上议事日程。”这也意味着，相关环保标准会进一步趋严。 彭晓春也强调，此前国家对铅酸蓄电池产业的整顿，都是针对排放超标的企业。“沉积性污染”并没有列入检查目标。如果康花新村的血铅超标事件被证实与“沉积性污染”相关，“沉积性污染”或许会引发新一轮的整顿风暴。,11,1-3-2 镍镉(Ni-Cd)蓄电池概况,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,镍镉电池属于小型二次充电电池，是瑞典科学家W
11、. Jungner在20世纪初发明的。在近百年的发展历史中，镍镉电池发展迅速，被广泛地应用于移动通讯，家用电器、电动工具等许多方面。虽然镍镉电池具有记忆效应逐渐被新型电池如镍氢电池及锂离子电池所取代，但是，镍镉电池具有易于维护、制造工艺简单，成本低的特点，使其在电池主流市场上仍具有一定的地位。 大型袋式和开口式镍镉电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。圆柱密封式镍镉电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。小型扣式镍镉电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳电话、电动玩具等。,12,1-3-4 镍镉(Ni-Cd)蓄电池工作原理,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,
12、位于负极的镉和氢氧化钠中的氢氧根离子化合成氢氧化镉，并附著在阳极上，同时也放出电子。电子沿著电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附著在阳极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随著时间而下降。 放电反应式： 负极反应： Cd+2OH-Cd(OH)2+2e- 正极反应： 2e-+NiO2+2H2ONi(OH)2+2OH- 充电反应式： 正极反应：Ni(OH)2+2OH- 2e-+NiO2+2H2O 负极反应：Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-,13,1-3-4 镍镉(Ni-Cd)蓄电池工作原理,1-3 化学储能及其在电
13、力系统中的应用,镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率超科电池)适中。NiCd电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，放出80%电量后再充足电，该电池只能放出80%的电量。这就是所
14、谓的记忆效应。当然，几次完整的放电/充电循环将使NiCd电池恢复正常工作。由于NiCd电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。,14,1-3-5 镍镉(Ni-Cd)蓄电池基本特点,1-3 化学储能及其在电力系统中的应用,1镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常的经济； 2内阻小，可供大电流的放电，当它放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池； 3因为采用完全密封式，因此不会有电解液漏出的现象，也完全不需要补充电解液； 4与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便； 5长时间的放置下也不会使性能劣化，当十分充完电后即可恢复原来的特性； 6可使用在很广的温度范围内； 7因为它采用金属容器而作成，有机械性的坚固。,
