【正文】 的 “總賣家 ”和 “總買家 ”。分析指出，電網(wǎng)輸配電成本厘清后，決策部門就可根據(jù)成本構(gòu)成科學(xué)核定獨(dú)立的輸配電價(jià)，進(jìn)而可依據(jù)市場原則理順 “煤 —電 —網(wǎng) ”價(jià)格聯(lián)動(dòng)機(jī)制，這對于目前 “久病難治 ”的煤電矛盾將起到實(shí)際疏導(dǎo)作用。此舉被認(rèn)為是擱置多年的電網(wǎng)輸配電分離改革進(jìn)程重新進(jìn)入融冰期的政策信號 [3]。 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 長期以來，世界各國電力系統(tǒng)一直遵循著一種大電網(wǎng)、大機(jī)組的發(fā)展方向，按照集中輸配電模式運(yùn)行。因此，單靠上述常規(guī)手段難以在短時(shí)間內(nèi)有效地扭轉(zhuǎn)電力供需不平衡的狀況。 2021 年到 2021 年初，美國加州供電系統(tǒng)由于用電需求的增長超過電網(wǎng)的供電能力，出現(xiàn)了電力價(jià)格大范圍波動(dòng)以及多次停電事故；我國自 2021 年以來，已經(jīng)連續(xù)十年出現(xiàn)多個(gè)省市拉閘限電的狀況；在世界上的其他國家和地區(qū)，也不同程度地出現(xiàn)了電力短缺的現(xiàn)象 [1]。 本文介紹了國內(nèi)外各種儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并從電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的角度論述了電能儲(chǔ)存技術(shù)的重要性。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 II 摘 要 儲(chǔ)能技術(shù)是一項(xiàng)可能對未來電力系統(tǒng)發(fā)展及運(yùn)行帶來革命性變化的技術(shù)，必須立足長遠(yuǎn)從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度來考慮，明確儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展定位，要全面分析儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用對整個(gè)電力系統(tǒng)和社會(huì)帶來的綜合效益和價(jià)值。本文對抽水儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能等幾種儲(chǔ)能技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法作了介紹，并對其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況以及可實(shí)施性作了說明。系統(tǒng)供電能力，尤其是在輸電能力和調(diào)峰發(fā)電方面的發(fā)展已經(jīng)落后于用電需求的增長，估計(jì)這種狀況還會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)長期存在，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行將帶來潛在的威脅。 在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，用戶對于電能質(zhì)量和 供電可靠性的要求越來越高。在這種運(yùn)行模式下，輸電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)電能集中容器，系統(tǒng)中所有發(fā)電廠向該容器注入電能，用戶通過配電網(wǎng)絡(luò)從該容器中取用電能。國務(wù)院 2021 年下發(fā)的《電力體制改革方案》（即 “5 號文 ”），定下了 “廠網(wǎng)分開、主輔分離、輸配分開、競價(jià)上網(wǎng) ”的電力體制改革的四大步驟。長期以來，電網(wǎng)輸配電成本的核算和支出一直是電網(wǎng)企業(yè)最 “神秘 ”的領(lǐng)地之一 [4]。電力用戶沒有選擇權(quán)，基本上只能向一家壟斷的電網(wǎng)公司買電，銷售電價(jià)環(huán)節(jié)仍存在賣方壟斷。而要打破這種壟斷，必須從打破輸配電一體化經(jīng)營開始。因此，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)并不總是能夠足夠快地響應(yīng)該擾動(dòng)以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定，這時(shí)只能依靠切負(fù)荷或者切除發(fā)電機(jī)來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 中國電網(wǎng)發(fā)展至今，已進(jìn)入了全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送的時(shí)代，迄今尚未發(fā)生像美、加 “”大停電那樣的大事故。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，抽水儲(chǔ)能電站被用來進(jìn) 行電網(wǎng)調(diào)峰。 各種形式的儲(chǔ)能電站可以在電網(wǎng)負(fù)荷低谷的時(shí)候作為負(fù)荷從電網(wǎng)獲取電能充電，在電網(wǎng)負(fù)荷峰值時(shí)刻改為發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送電能，這種方式有助于減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的損耗，對負(fù)荷實(shí)施削峰填谷，從而獲取經(jīng)濟(jì)效益。 儲(chǔ)能裝置用于電力調(diào)峰，需要裝置具有較大的儲(chǔ)能容量。從技術(shù)上來說，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用儲(chǔ)能裝置為每一個(gè)用戶（家用、商用或者工業(yè)用戶）提供不間斷的高質(zhì)量供電電源，而且可以讓用戶自主選擇何時(shí)通過配電回路從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)回饋電能。 對于供電緊張的電力系統(tǒng)來說，分布式儲(chǔ)能技術(shù)可 望提供最佳的解決方案，這是因?yàn)椋海?1）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是模塊化的，可以快速組裝，現(xiàn)場安裝費(fèi)用低；（ 2）由于模塊化的靈活性，當(dāng)某一地區(qū)負(fù)荷需求增加時(shí)，采用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)代替建設(shè)地區(qū)發(fā)電廠效果更好；（ 3）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)增加電力系統(tǒng)在環(huán)境保 5 護(hù)方面的壓力，而且有助于減少主力電廠以及分布式發(fā)電設(shè)備的化石燃料消耗和廢氣排放；（ 4）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)一般具有更高的能力轉(zhuǎn)換效率以及更快的響應(yīng)速度；（ 5）采用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高現(xiàn)有發(fā)電和輸配電設(shè)備的利用率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；（ 6）大多數(shù)采用新技術(shù)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)都能很容易地實(shí)現(xiàn)多 功能。 表 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 應(yīng)用領(lǐng)域 發(fā)電功能 輔助供電功能 輸配電系統(tǒng)應(yīng)用 主要方式 能量管理 頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)、旋轉(zhuǎn)備用電源 提高系統(tǒng)可靠性 負(fù)荷調(diào)節(jié) 冷備用電源、長期備用電源 與再生能源結(jié)合 峰值發(fā)電 無功功率控制 主要作用 提高發(fā)電設(shè)備利用率，減少對系統(tǒng)總裝機(jī)容量的要求 降低輔助設(shè)備成本 提高系統(tǒng)設(shè)備利用率，延緩新增投資 6 3 儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 儲(chǔ)能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內(nèi)的電力工業(yè)重組給各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，采用這些技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的能力管理，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領(lǐng)域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡(luò)中，這些技術(shù)同樣可以得到應(yīng)用。抽水儲(chǔ)能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應(yīng)用的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包 括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量 [8]。而在負(fù)荷高峰時(shí)，又可能出現(xiàn)發(fā)電滿足不了用戶需要的情況 [10]。在負(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。 抽水蓄能電站的機(jī)組能起到作為一般水輪機(jī)的發(fā)電的作用和作為水泵將下池的水抽到上池的作用。一般要求上、下池之間的落差愈高愈好。 抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)備是水泵、水輪、電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。電動(dòng)發(fā)電機(jī)也是一臺(tái)特殊的電機(jī)，受電時(shí)是 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵抽水，為上池放水 。抽水蓄能電站能提高電力系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段的電力 (功率 )，但它抽水和發(fā)電都有損耗，俗稱用 4kwh 換 3kwh，即低谷時(shí)段如以 4kWh 的電量去抽水，換來高峰時(shí)段放水發(fā)電只有 3kWh。其中國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)在建抽水儲(chǔ)能項(xiàng)目達(dá)到 1010 萬千瓦。歐美等發(fā)達(dá)國家的抽水蓄能占系統(tǒng)總裝機(jī)的比重一般在 3% 10 % 之間，而我國抽水蓄能系統(tǒng)截止 2021 年底只占全國總裝機(jī)容量的 % ， 低于世界發(fā)達(dá)國家的水平。據(jù)估計(jì)，全球每年對蓄電池 [15]的市場需求大約為 150 億美元，在工業(yè)用蓄電池方面，如：用于 UPS、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、備用電池等，其市場總量可達(dá) 50 億美元。它是一種低成本的通用儲(chǔ)能技術(shù)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和 UPS 等。h 的儲(chǔ)能電站，其凈效率約為 75%。在美國、日本、澳大利亞等國家有應(yīng)用驗(yàn)證，鑒于釩電池具有功率大、壽命長、可靠性高、操作和維修費(fèi)用少、支持頻繁大電流充放電等明顯技術(shù)優(yōu)勢 [17]。電池原理： VRB 以溶解于一定濃度硫酸溶液中的不同價(jià)態(tài)的釩離子為正負(fù)電極反應(yīng)活性物質(zhì)。 飛輪儲(chǔ)能（ Flywheels Storage） 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來， 當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來 [19]。高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)的研究使得飛輪軸承的摩擦力大幅度減小，再配以空氣抽真空技術(shù)，飛輪機(jī)組的效率可以達(dá)到 80%以上，高于抽水蓄能電站 [21]。 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理如 ，其中電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由逆變器 A、逆變器B 和微控制器組成 [22]。在設(shè)計(jì)中，從現(xiàn)有條件出發(fā)，飛輪材料選用鋼材，轉(zhuǎn)速限制在 10000r/min 以下。 電 能 轉(zhuǎn) 換 系統(tǒng)電 機(jī) （ 永 磁吸 力 軸 承 、飛 輪 、 油 浮軸 承 ）電 能 輸 入電能輸出 圖 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)基本構(gòu)成圖 11 飛輪儲(chǔ)能裝置中有一個(gè)內(nèi)置電機(jī) ,它既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)。 我國電力系統(tǒng)正在逐步實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)合大電網(wǎng)。其基本原理是采用 適當(dāng)?shù)姆答佇盘?，通過有效的相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，產(chǎn)生與機(jī)組轉(zhuǎn)子搖擺中的阻尼分量相位一致的阻尼轉(zhuǎn)矩。這些復(fù)雜的振蕩模式有時(shí)會(huì)給傳統(tǒng)的 PSS 的有效性帶來不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的 儲(chǔ)能效率（充／放電效率超過 95%），很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。 SMES 單元由一個(gè)置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供的。然而，如果將 SMES線圈與現(xiàn)有的柔性交流輸電裝置（ FACTS）相結(jié)合可以降低變流單元的費(fèi)用，這部分費(fèi)用一般在整個(gè)SMES成本中占最大份額。使用高超導(dǎo)體可以降低儲(chǔ)能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件要求，從而使 SMES的成本進(jìn)一步降低。圖 SMES的結(jié)構(gòu)框圖，工作原理是： SMES系統(tǒng)預(yù)先在超導(dǎo)線圈中存儲(chǔ)一定的能量（一般為最大存儲(chǔ)磁能的 25%75%），當(dāng)功率高于（或低于）基準(zhǔn)功率（電網(wǎng)所要求的功率）時(shí)，控制器檢測到信號并通過觸發(fā)電路向變流器發(fā)出觸發(fā)脈沖，使其工作于整流狀態(tài)（或逆變狀態(tài)），將多余的能量以磁能的形式存儲(chǔ)在超導(dǎo)線圈中（或?qū)⒊瑢?dǎo)線圈中的能量回饋到電網(wǎng)）。如果忽略各種損耗，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率將被轉(zhuǎn)換成電功率，電功率經(jīng)過變壓器和輸電線路后并到常規(guī)電網(wǎng)。從而改善風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低風(fēng)電系統(tǒng)成為常規(guī)電網(wǎng)大負(fù)荷的概率，為風(fēng)電的并網(wǎng)提供可靠的理論依據(jù)。底層控制根據(jù)上層控制所提供的功率參考值（ PSET、 QSET），產(chǎn)生各相橋臂的觸發(fā)脈沖序列，控制 SMES與系統(tǒng)之間電流的大小和相位，完成對變換器的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。采用該控制策略的 SMES不僅可以在網(wǎng)絡(luò)故障后有效地提高風(fēng)電場的穩(wěn)定性，而且能夠在快速的風(fēng)速擾動(dòng)下平滑風(fēng)電場的輸出，降低風(fēng)電波動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊。超級電容的最大充放電性能是由活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度決定的。超級電容器的存儲(chǔ)能量與其輸出電 壓的關(guān)系為： 15 錯(cuò)誤 !未找到引用源?？刂破魍ㄟ^對太陽電池板的電壓及電流的采集，實(shí)現(xiàn)太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤，最大效率地存儲(chǔ)太陽能，并對超級電容和系統(tǒng)的安全進(jìn)行管理；超級電容組作為儲(chǔ)能設(shè)備，通過DC/DC 電源芯片輸出穩(wěn)定的直流電壓并為控制器 本身供電。系統(tǒng)一方面通過場效應(yīng)管 Q1實(shí)現(xiàn) PWM，對超級電容最大程度地充電；另一方面為防止超級電容過充，特設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部預(yù)設(shè)電壓 U，由 Q1執(zhí)行對充電電路的通斷。超級電容作為新生儲(chǔ)能元件，憑其優(yōu)勢，更廣應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)將使其具有更好的應(yīng)用前景。通過熔巖建造這樣的洞穴大約需要一年半到兩年的時(shí)間。 壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電量，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓入作為儲(chǔ)氣室的密閉大容量地下洞穴，即將不可儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化成可儲(chǔ)存的壓縮空氣的氣壓勢能并貯存于貯氣室中。 17 M / G燃 燒 室貯 氣 室電 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī)壓 氣 機(jī) 燃 氣 輪 機(jī)聯(lián) 軸 器聯(lián) 軸 器旋 擰 閥旋 擰 閥 圖 CAES 電站工作原理圖 CAES 蓄能熱力過程中能量的轉(zhuǎn)化：理想轉(zhuǎn)化過程是壓氣機(jī)壓縮空氣蓄能過程當(dāng)作絕熱過程，空氣當(dāng)作理想氣體，則此過程可逆，壓縮過程中工質(zhì)的熵值為常數(shù)不變，因此理想絕熱壓縮過程為等熵壓縮過程。因此，整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率在65%左右，最高可到 70%。這家成立僅 3 年多的企業(yè)目前已經(jīng)在壓縮空氣儲(chǔ)能方面取得了 6 項(xiàng)專利，解決了很多制約技術(shù)推廣的關(guān)鍵問題。 Sustain X 恒溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)從被 壓縮儲(chǔ)存的空氣中帶走熱量，然后將熱量供給膨脹的空氣。 Kepshire 表示，這項(xiàng)廢熱發(fā)電的專利為公司拓展了市場機(jī)遇，如今，它既可以應(yīng)用于可再生能源項(xiàng)目，也可以幫助化石燃料發(fā)電廠更綠色的運(yùn)行。而苛刻的地理?xiàng)l件就成為限制其推廣的主要因素?；钊梢栽诟蟮膲毫Ψ秶ぷ?，并且由于空氣可以壓縮得更多，這種系統(tǒng)就可以儲(chǔ)存更多的能量。據(jù)《技術(shù)評論》雜志介紹，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，需要燃料給冷的壓縮空氣加熱使它膨脹，但另一方面壓縮空氣產(chǎn)生的熱量又會(huì)散發(fā)到大氣中。 據(jù)公司聯(lián)合創(chuàng) 始人 Ben Bollinger 介紹，該系統(tǒng)使能效從 54％提高到 95％，最重要的是不需要額外添加燃料。此前還獲得了包括階段性壓縮與膨脹以及與熱井或環(huán)境進(jìn)行熱交換的專利。但美國能源部高級研究計(jì)劃局能源項(xiàng)目主任 Mark Johnson 認(rèn)為，可能需要五年或更長的時(shí)間，才能證明其經(jīng)濟(jì)性，并找到廣泛用途。在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大，達(dá)到上千兆瓦，技術(shù)也最成熟；壓縮空氣儲(chǔ)能次之，單機(jī)規(guī)模在百兆瓦級別； 20 化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模較小，單機(jī)規(guī)模一般在兆瓦級別或更小。究其原因，是壓縮空氣儲(chǔ)能自身的技術(shù)特性使得其在我國很難推廣。針對這種現(xiàn)象， Sustain X 的這項(xiàng)專利技術(shù)能夠?qū)⒁徊糠謴U熱重新轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和廢熱發(fā)電的雙重功效。首先，壓縮空氣儲(chǔ)能在規(guī)模上僅次于抽水蓄能，如德國一座電站的規(guī)模達(dá)到 290 兆瓦。壓縮空氣儲(chǔ)能適合用于大規(guī)模風(fēng)場，因?yàn)閮烧哂刑烊坏慕Y(jié)合優(yōu)勢：風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率。愛荷華州的壓縮空氣儲(chǔ)能電站也正在規(guī)劃建設(shè)中，它是世界上最大 風(fēng)電場的組成部分，該風(fēng)電場的總發(fā)電能力將達(dá)到 3000 兆瓦。不過，我國起步較晚，還沒有實(shí)際運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。第三，需要大容量的儲(chǔ)氣裝置。而如果沒有合適的天然洞穴，需要人工改造或者建造儲(chǔ)氣罐的話，成本將大大增加。直到 2021 年，儲(chǔ)能才在我國成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。在發(fā)展壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí)，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的陳海生表示： “我們執(zhí)拗的一個(gè)目標(biāo)就 22 是一定要掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 為解決常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能