基于斜坡和山体的重力储能技术研究进展

大力发展可再生能源并实现清洁能源变革,是实现碳达峰碳中和的重要途径,电网对各种储能技术的需求日益增长,而规模化储能技术是有效解决可再生能源并网问题的重要技术途径。抽水储能是标杆性的物理储能技术,技术成熟、应用广泛且装机容量最大,是规模化物理(重力)储能技术的典范;重力储能是最近引发广泛关注的新型物理储能技术,按照应用场景的不同分为多种技术类型。本文首先介绍了依托山体、倾斜矿井的斜坡重力储能的原理和结构,并根据应用场景和技术特点进行了分类阐述,包括依托山体斜坡的抽水储能、轨道式重力储能和缆索式重力储能等技术类型;然后回顾了不同类别依托斜坡重力储能技术的研究进展和应用情况,并阐述了每种技术类型的优势和不足;据此提出一种更为优化的斜坡重力储能技术——斜坡缆-轨式重力储能技术,不仅融合了斜坡轨道式重力储能与斜坡悬架缆车式重力储能的优点,且避免了两者的缺点;最后概述了当前斜坡重力储能技术存在的关键问题,并就其发展与推广应用进行了展望。

垂直式重力储能系统的研究进展和关键技术

基于固体重物的重力储能技术因其不依赖水资源、选址灵活、效率高等优势,未来有望成为我国北方和西北缺水地区重要的储能技术之一,可以很好地满足大规模可再生能源电力并网对储能技术的需求。然而,由于固体重物的不可流动性和不连续性,重物启停和切换过程会对机械传动和电网系统造成冲击,是固体重力储能区别于抽水蓄能的重要特征。本文首先介绍了近年来国内外基于竖井和地面构筑物的垂直式重力储能技术的研发现状和示范工程,并进一步对垂直式重力储能系统垂直提升、水平转移和自动接驳机械传动技术,以及发电电动机和并网控制技术中存在的核心技术难题进行了分析,最后对垂直式重力储能技术未来的发展趋势进行了展望。研究表明,垂直式重力储能系统尽管技术方案较多,但在重载快速提升和转移、重物启停和切换过程控制、并网控制和能效提升等方面还存在诸多技术难题有待解决,后续通过技术提升可进一步降低系统建造成本并提高系统运行的效率和寿命,有望在近期获得一定的示范应用。

新型储能技术进展与挑战Ⅱ:物理储能与储热技术

新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作,分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成与规划3个部分,对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析,并进一步探讨了储能集成、安全、规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第2部分为物理储能与储热技术,重点对物理储能与储热技术中的压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、相变储热、热化学储热和卡诺电池技术与工程的相关成果进行了综合分析与讨论。总体而言,物理储能和储热技术大多具有使用寿命长、安全性高的特点,且在能量转化过程中自身多具有转动惯量,属于电网支撑型的储能技术,可满足从大规模长时储能到高功率快速响应的不同需求。在新兴的物理储能和储热技术中,重力储能和卡诺电池的相关技术显示出良好的发展前景。

用户侧重力-蓄电池混合储能系统配置优化与效益分析

现有的用户侧储能以蓄电池储能为主,手段较为单一,回收不当对环境也会造成危害;同时用电高峰期峰谷差较大,这既提升了用户用电成本,也给电网的稳定运行带来了挑战。针对此问题,建立了重力储能的充放电模型,并在此基础上提出一种应用蓄电池与重力储能相结合的混合储能模型。首先以功率、容量和寿命等变量为条件对该模型进行了适当的约束。下一步以用户综合收益最高为目标函数利用量子粒子群优化算法对模型进行配置寻优。然后得出了混合储能最优的功率、容量配置。在MATLAB 2021b软件环境下,使用江苏省南京市用户侧智能电能表实际负荷数据算例进行分析,最后可以得出混合储能系统及其优化方案可以减小用户侧用电峰谷差,并且使用户侧用电成本有所降低的结论,验证了其合理性与经济性。

铁轨重力储能系统关键影响因素及其与风电场的耦合研究

大规模储能技术对于可再生能源的发展及电网稳定运行具有重要意义。铁轨重力储能(rail gravity energy storage,RGES)技术可灵活调度载重机车进行储/释能,有效解决风电场大幅度功率波动问题,在长时大规模储能应用技术中前景广阔。本文开展了RGES系统关键影响因素及其与风电场耦合调度的研究,基于MATLAB软件搭建了RGES系统模型及其与风电场的耦合系统模型,研究了储/释能过程中关键参数对RGES系统的影响规律,并且以减少风电场的弃风率为目的,选取了四个季节的典型日,详细研究了耦合系统的运行特性及RGES系统的配置方案。结果表明,储/释能功率随载重质量增加而增大,随匀速阶段的上/下坡速度增加而增大;储/释能效率及系统效率随载重质量的变化极小,随上/下坡速度增大而减小;RGES系统与风电场耦合运行时,可根据功率需求灵活配置各时段的载重车辆数及上/下坡速度进行储/释能,并可在四个季节典型日的用电高峰期分别实现22 MW、16 MW、27 MW、29 MW的恒定功率并网,且风电利用率平均增长17.1%。

重力储能直流环节电池多模式控制方法

重力储能是重要的储能方式之一,具有独特的短时暂态动力学特征,需要构建合理的系统结构和控制方法。提出了一种面向重力储能直流环节的多模式控制方法,从暂态能量控制角度,通过对重力储能系统的动力学分析和约束条件的划分,实现电池储能和重力储能的功率匹配。仿真验证表明,该控制方法能够在输入功率波动的情况下显著降低直流环节的电压抬升,合理分配重力储能系统内部的功率,提升重力储能系统的整体性能。

用于快速响应负荷需求的两段式斜坡重力储能系统放电功率调节方法

斜坡式重力储能系统(GESS)放电时通常将上堆场重物块运送至下堆场。然而,当放电过程中系统负荷需求出现波动时,现有方案难以通过及时调整重物块数量来调节输出功率,导致重力储能系统响应不及时并造成额外能量损耗。通过在斜坡两侧增加辅助堆场并将斜坡分为两段,通过控制顶部堆场重物块释放数量、斜坡堆场释放高度以及斜坡堆场重物块抓取位置,实现了重力储能系统输出功率的精确控制与负荷需求的快速响应。基于Matlab/Simulink平台搭建了两段式斜坡重力储能系统仿真模型,验证了所提方法的正确性与有效性。研究成果为斜坡式重力储能系统放电功率的快速调节与精确控制提供了重要参考。

竖井式重力储能发电效率及功率稳定策略研究

竖井式重力储能作为近些年来涌现的新储能技术,具有选址灵活、对环境无污染等特点,但对其系统内部的研究仍然很匮乏,系统效率和功率两个重要技术指标的研究不完善。为此,本工作针对竖井式重力储能系统进行了物理建模,提出了效率模型和功率模型。对效率模型,提出了损耗来源,通过仿真研究发现了效率随重物质量、最大速度、加速度等参数的变化规律。研究表明,最大速度、加速度及竖井高度对系统效率的影响十分显著,重物质量对系统效率影响很小。减小最大速度和竖井高度可以很有效地增加系统效率。对功率模型,提出了多通道功率叠加的方法,来实现功率的补偿从而达到平稳输出功率的目的。采用错时间启动的方式来实现功率叠加,并仿真了在控制策略下的功率输出结果,从功率波动率和功率损失率两个方面研究了不同通道数的性能并进行对比。结果表明增加通道数可以有效地减小功率波动率,通道数达到8时功率波动率仅为2.5%。功率损失率随着通道数的增加而减小,在通道数大于4时几乎不变,增加通道数可以有效地提高系统对外输出功率性能。

面向并联环流最小化的垂直式矩阵型重力储能系统多机协调控制

重力储能利用高度落差对固体重物储能介质进行升降,实现储能系统的充放电。和抽水蓄能相比,由于其具有不依赖水资源、选址灵活等特点,应用前景广泛。为提高重力储能系统的充放电运行效率,研究了面向多机并联功率环流最小化的垂直式矩阵型重力储能系统多机协调控制问题。首先,基于PSCAD/EMTDC构建垂直式矩阵型重力储能系统模型,分析了其充放电特性;其次,通过对重力储能系统多机并联运行时产生的机组间功率环流机理及抑制问题进行分析,提出了基于重力储能系统双层控制架构的多个机组间协调控制方法,该控制方法可在快速满足电网侧功率充放电需求的同时,实现并联运行机组间的功率环流最小化,提高了重力储能系统的充放电运行效率,最后,仿真结果验证了上述多机协调控制策略的有效性。

提升斜坡式重力储能AGC性能的混合储能优化运行方法

重力储能具有安全性高、成本低、寿命长、存储能量无衰减、建设周期短及环境友好等优势,在长时大容量储能领域有广阔应用前景。然而,重力储能固有的功率离散特性和时滞特性,导致其在参与自动发电控制(AGC)等电网辅助服务时性能不佳。针对该问题,本文提出了一种提升斜坡式重力储能AGC性能的混合储能优化运行方法。首先,分析了斜坡式重力储能的功率离散特性和时滞特性对AGC指令跟踪精度和速度的影响。在此基础上,提出为重力储能配置电池储能,构建混合储能系统,实现输出功率的连续、快速调节。综合考虑电池折旧成本和AGC偏差电量惩罚成本,结合重力储能的安全运行要求和电池储能运行约束,建立了混合储能系统的功率优化模型。根据混合储能系统的工作特点,提出了优化运行方法的流程框架,并在此基础上设计了以AGC响应成本最低为目标的遗传算法。仿真结果表明,本文所提出的优化运行方法可以显著降低AGC响应成本,从而解决斜坡式重力储能系统AGC性能差的问题。

基于重力储能的混合储能系统容量优化配置

针对以电化学储能电池技术为基础的储能系统的成本高、寿命短、污染环境等问题,以平抑风电输出功率而减少弃风弃电率为研究对象,提出了一种由重力蓄能电池和超级电容组成的混合储能系统。以储能系统投资成本最低和风电场弃电率最低为双目标,建立了混合储能系统容量优化配置模型,并采用Pareto档案多目标粒子群优化算法求解模型以确定风电场收益率最高的混合储能系统容量配置方案。通过对3种不同混合储能系统组合进行对比分析,进一步验证了所提出的混合储能系统及储能容量优化配置方案的可行性和有效性。仿真结果表明,基于重力储能的混合储能系统具有良好的经济性和可行性。

斜坡式重力储能系统机械与电气联合仿真的多软件协同建模方法

重力储能具有安全性高、成本低、寿命长、存储能量无衰减、建设周期短及环境友好等优势。其中,斜坡式重力储能可以利用山体自然落差降低建设成本,并减少占用平地资源,是长时大容量储能领域的重要前瞻性技术之一。然而,斜坡式重力储能系统具有机械与电气动态高度耦合的特点,现有仿真模型难以完整描述其动态特性。针对该问题,本工作提出了一种斜坡式重力储能系统机械与电气联合仿真的多软件协同建模方法。首先,采用三维机械设计软件Solidworks建立包括斜坡、轨道、载重小车和质量块的机械系统框架模型;然后,将Solidworks中建立的模型导入多体动力学仿真软件Adams,并建立载重小车与链传动机构的联系,获得机械系统完整模型;最后,将Adams中的机械模型导入Simulink,并建立与电气模型的联系,从而获得机电联合仿真模型。将所提出的多软件协同仿真模型与Simulink独立仿真模型,在电网正常和异常工况下分别进行仿真对比,结果表明多软件协同仿真模型能够更加全面地描述斜坡式重力储能系统的动态特性。因此,多软件协同仿真模型能够更好地支撑对斜坡式重力储能的功率特性分析、安全性评估和机械参数优化设计等工作。

基于瞬时功率镜像补偿的斜坡式重力储能系统功率平滑控制策略

针对重力储能系统因离散质量块切换引起的输出功率波动问题,提出了一种基于瞬时功率镜像补偿的功率平滑控制策略。首先介绍了斜坡式重力储能系统的工作原理,分析引起系统功率波动的原因;然后设计了抑制功率波动的系统结构以及功率平滑控制策略,并以11 kW的斜坡式重力储能系统为例,对系统结构参数进行理论计算;最后构建斜坡式重力储能系统仿真模型,分析了系统在质量块交替过程中的暂态波动特性。结果表明,应用所提方法,质量块在交替过程中可提供连续稳定的机械功率,较好地平滑重力储能系统的输出功率,验证了该方法的有效性。

斜坡式重力储能系统的并网控制研究

重力储能是利用高度差以重力势能进行能量存储的系统,具有成本低、储能容量大、使用寿命长、对环境无污染、安全可靠等优点。斜坡式重力储能尤其适合在多山地且温差较大的地区进行规模化建设,拥有较高的转化效率。重力储能的存储介质是离散的重物块,会引起电机重复启动和停止,为了平滑斜坡式重力储能系统运行中重物块的间断切换所造成的并网功率波动,有必要研究重力储能系统经变流器并网的控制策略。根据斜坡式重力储能系统的工作原理和能量转换过程,构建相应的数学模型。考虑到斜坡式重力储能在风能和太阳能发电并入电网中的有功功率控制需求,采用通过背靠背双PWM变流器实现并网的方案。该方案中,机侧和网侧变流器分别采用基于定子电流d轴分量id=0、电压定向控制的双闭环控制策略,以达到控制重力储能系统在发电工况和电动工况过程中的并网功率,从而实现新能源发电并网后电力系统的稳定运行。利用Matlab/Simulink软件构建重力储能系统的并网仿真模型,通过分析仿真结果中的输出功率和电网侧电压、电流的波形,验证了所提出并网方案的有效性。

废弃矿井地下空间物理储能方式对比与优选

为开展废弃矿井地下空间物理储能方式对比优选,在总结分析废弃矿井抽水蓄能、重力储能和压缩空气储能原理及发展现状的基础上,采用层次分析法选取6个一级指标(资源条件、技术方案、经济效益、环境影响、安全保障及能耗水平)、19个二级指标以及3种储能方案,建立了废弃矿井地下空间物理储能方式评价指标体系。以山西白家庄煤矿为例,基于专家打分法分析了各指标及方案层权重,获得一二级指标中的主控因素及影响程度,并基于此分析对比3种物理储能方式的优劣。结果表明,在一级指标中,安全保障权重占比最高,环境影响次之,之后依次是资源条件、经济效益、能耗水平和技术方案;在二级指标中,权重最高的3个指标分别是技术保障、自然生态、资金投入;在3种方案中,重力储能最具优势,其次是抽水蓄能,最后是压缩空气储能。研究结果可为废弃矿井地下空间物理储能方式的选择提供参考。

基于风光储配置模型的废弃矿井重力储能参数优化研究

我国能源生产和消费结构中煤炭比例居高不下,向清洁、低碳能源转型的任务艰巨,而风电、光电等新能源稳定性差,就地消纳困难,亟需大规模储能基础设施建设。同时,高质量发展和“双碳”目标下废弃矿井的数量日益增多,为提高废弃矿井空间资源利用率和可再生能源发电的稳定性和可靠性,提出以废弃矿井重力储能为基础的风光储联合发电系统。综合考虑矿区能源系统负荷特点,风电、光电等可再生能源条件,以及废弃矿井大规模物理储能优势,构建风光重力储能联合发电系统。以系统总净现成本值(NPC)最低为目标函数,提出风光重力储能联合发电系统参数优化模型,并以重力储能电站充放电功率、系统与电网交互容量、年可再生能源发电率为约束条件,对光伏电站、风力电站、重力储能电站等容量进行决策优化。基于淮南潘一矿区实际工程背景,利用HOMER仿真模拟软件进行案例分析,结果表明:算例在循环充放控制策略下最优,所得风光重力储能参数的总净现成本值最低,年可再生能源发电率最高,能够有效提高风光互补特性及系统的稳定性和可靠性,为风光重力储能联合发电系统的参数优化研究提供了参考。

新型物料搬运储能技术的研究

物料搬运储能技术是一种新型的重力储能技术,利用自然地形高差条件,采用上、下料场和连接料场的双向运行的带式输送机组成封闭系统,并循环往复地在上、下料场之间搬运固体散状物料,实现储能。文章介绍物料搬运储能电站的运行方式和应用站址,分析了物料搬运储能技术的储能转化效率可达到59%~66.4%,提出了13MW级单元制物料搬运储能电站的装机模型,总结了物料搬运储能技术的独特优势。

海上重力储能技术研究进展及展望

该文从储能介质角度出发,分别介绍国内外海上重力储能技术研究进展和工程实例,总结并分析其优势与不足。目前,国内外已提出诸多可行性方案,但大部分方案仍处于初步研究阶段。借此对海上重力储能作出前景展望,以期为相关人员提供参考和借鉴。

一种实验室重力储能装置的设计与研制

21世纪面临着能源危机的重大议题,国家和企业迫切需要升级能源结构,转变能源方式。重力储能方式是机械储能方式的重要类型,是将重力势能转变为电能,并将电能储存起来的清洁储能方式。在实验室中自制了一种小型重力储能装置,并优化传统装置的各部分结构,进行设备改良。与大型重力储能设备相比,具有降低实验成本、节约时间、方便多次测量的优点。此外由于此装置的可拆卸和便携的特点,还可以用于教学演示和科普展示。

铁轨重力储能系统效率影响因素研究

储能是建设以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑技术,对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义。铁轨重力储能属于物理储能,具有规模大、成本低、效率高、环境友好以及无自放电等优势,应用前景广阔。本工作基于MATLAB/Simulink搭建了铁轨重力储能系统模型,分析了系统各个部件在储能过程和释能过程中的能量损耗情况,研究了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数等因素对系统效率的影响及其变化规律。研究结果表明,车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数对系统效率的影响十分显著,降低速度和滚动摩擦系数以及适当增加坡度和高度,可有效提高系统效率;在设计工况下,载重车辆160 t、车速20 km/h、斜坡高度200 m、斜坡坡度7°、滚动摩擦系数0.006,对应系统的输出功率为1.04 MW,系统效率达76.20%。