【正文】 系統(tǒng)面臨的主要問題，從 2021 年起，工程熱物理所和英國高瞻公司、英國利茲大學(xué)等單位共同開發(fā)了液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。 為了掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能系統(tǒng)， 2021 年，工程熱物理所在國際上首次提出 并開始研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該技術(shù)利用超臨界狀態(tài)下空氣的特殊性質(zhì)，綜合了常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，具有儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高、不需要大的儲(chǔ)存裝置等優(yōu)點(diǎn)。 任何儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能過程都是要損失能量的。成本過高是限制目前各種儲(chǔ)能技術(shù)推廣應(yīng)用的共同問題之一，提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本是儲(chǔ)能技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。必須在充分理解含儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，研究在電力系統(tǒng)的各類動(dòng)態(tài)條件下儲(chǔ)能裝置內(nèi)部的復(fù)雜非線性電磁問題，以及儲(chǔ)能裝置和現(xiàn)有電力系統(tǒng)元件之間的相互作用。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，各種各樣的儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)提供了具有很寬時(shí)間范圍的儲(chǔ)能功能，從幾秒鐘到數(shù)十小時(shí)，這些對(duì)解決電力系統(tǒng)的供電壓力，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量提供了新的思路和有效的技術(shù)支持。 雖然，在這個(gè)過程中我也曾遇到了不少困難，但是，在老師和同學(xué)們的熱情幫助和我自己的不懈努力下，所有的難題都被我逐個(gè)解決，我也從中獲 得了勝利的喜悅。 首先要特別感謝我的指導(dǎo)老師陳功貴老師，在教學(xué)繁忙、事務(wù)纏身的情況下，陳老師多次抽出時(shí)間，對(duì)我的論文進(jìn)行悉心的指導(dǎo)，從論文的選題到論文 的總體框架，再到論文撰寫過程中的語言組織，他都進(jìn)行過細(xì)致的批閱，使得我的論文越來越規(guī)整，更加符合標(biāo)準(zhǔn)。 最后要感謝我的大學(xué)所有給予我關(guān)心和幫助的老師和同學(xué)，正是這個(gè)溫馨的大家庭讓我四年的學(xué)習(xí)生活盛滿感動(dòng)，留下許多令人難忘的美好回憶。 感謝我的大學(xué)班主任李紹武，感謝教育我，關(guān)心我的所有老師。正所謂：天下無難事，只要肯攀登。我們應(yīng)該充分利用我國正在進(jìn)行的電力體制改革和電力 工業(yè)大發(fā)展的良好機(jī)遇，積極開展這一領(lǐng)域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。例如，必須在能夠向儲(chǔ)能裝置的擁有者連續(xù)提供實(shí)時(shí)電價(jià)信息，如當(dāng)日電價(jià)或者供電費(fèi)等的前提下， 才能使儲(chǔ)能裝置的作用得到充分的發(fā)揮。 （ 2）儲(chǔ)能系統(tǒng)在輸配電系 統(tǒng)中應(yīng)用研究，包括儲(chǔ)能電源的合理規(guī)劃、儲(chǔ)能系統(tǒng)與現(xiàn)有電網(wǎng)之間的柔性連接技術(shù)、先進(jìn)的控制調(diào)節(jié)技術(shù)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)與FATCTS、再生能源等相結(jié)合的技術(shù)研究。因此，要保證壓縮空氣儲(chǔ)能電站不虧損，至少需要抽水蓄能電站的容量電價(jià)、電量電價(jià)政策。據(jù)悉，這套技術(shù)一旦獲得成功，將使我國的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)后來居上，并掃清其在我國發(fā)展的障礙。目前 2 兆瓦級(jí)液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)已在英國示范運(yùn)行。 ”今年 2 月，工程熱物理所成立了燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室。此外，華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華東科技大學(xué)等也開展了相關(guān)研究工作，但主要集中在理論研究和小型實(shí)驗(yàn)層面。而在國內(nèi)，有關(guān)專家在湖北、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地進(jìn)行過地質(zhì)調(diào)查，暫時(shí)沒有找到合適的天然洞穴。這使得壓縮空氣儲(chǔ)能電站的應(yīng)用大受限制。首先，我國并未掌握燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)，一直以來依賴進(jìn)口，且燃?xì)廨啓C(jī)屬于發(fā)達(dá)國家嚴(yán)格保密的技術(shù)。另外，日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲(chǔ)能電站正在建設(shè)。美國在建的壓縮空氣儲(chǔ)能電站達(dá)到 6 吉瓦。 電池、電容、超導(dǎo)、飛輪等主要用于提高電網(wǎng)質(zhì)量 ，防止發(fā)生突然斷電。 表 給出了各種儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及適合的應(yīng)用范圍。而記者在采訪中了解到，工程熱物理所剛剛啟動(dòng)示范的創(chuàng)新型壓縮空氣儲(chǔ)能裝置，在設(shè)計(jì)上有別于現(xiàn)有的傳統(tǒng)裝置，力圖克服原有缺陷，打造適合中國國情的新型壓縮空氣儲(chǔ)能電站。但很多地區(qū)并不具備建設(shè)抽水蓄能電站的自然條件，這就需要其他的儲(chǔ)能手段。除了抽水蓄能的 “霸主 ”地位無法撼動(dòng)，最有希望實(shí)現(xiàn)大幅增長的就是壓縮空氣儲(chǔ)能。而 Sustain X 已經(jīng)展示了 40 千瓦的樣機(jī)，現(xiàn)在正在完成 1 兆瓦系統(tǒng)，預(yù)定明年與 AES 電力公司合作建設(shè)一個(gè)示范項(xiàng)目。 Sustain X 由 Dartmouth 學(xué)院和賽爾工程學(xué)院的工程師們于 2021 年創(chuàng)立。該技術(shù)采用噴水霧的辦法吸收壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，以熱水的形式被儲(chǔ)存，在膨脹過程中回噴進(jìn)入氣缸。 就在不久前，今年 3 月， Sustain X 剛剛獲得了恒溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的專利。 Sustain X 采用的也是這種方法。此舉可提高發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)簡(jiǎn)化運(yùn)行過程。 當(dāng)常規(guī)火電廠安裝這套系統(tǒng)后，多余的電力將轉(zhuǎn)化為能量以壓縮空氣的方式儲(chǔ)存，使得電廠的運(yùn)行更為穩(wěn)定、高效，從而減少排放和成本。 這項(xiàng)新專利改進(jìn)了 Sustain X 此前獲得的恒溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)專利。一項(xiàng)是通過它的恒溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)收集廢熱重新發(fā)電，另一項(xiàng)是一套能保持儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)外能量恒定傳動(dòng)的控制系統(tǒng)。氣體在理想過程中的 TS 圖如圖 所示，其中 12 為等熵壓縮過程， 23 為等壓冷卻過程，冷卻到貯氣室溫度， 34 為等壓加熱過程， 45 為等熵膨脹過程。 CAES 電站工作原理：壓氣機(jī)、電動(dòng)機(jī)、貯氣室等組成的蓄能子系統(tǒng)中將電站低谷的低價(jià)電能通過壓縮空氣儲(chǔ)存在巖穴、廢棄礦井等儲(chǔ)氣室中，蓄能時(shí)通過聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī) /發(fā)電機(jī)和壓氣機(jī)耦合，與燃?xì)?輪機(jī)解耦合；電力系統(tǒng)峰荷時(shí)，利用壓縮空氣燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒室以及加熱器等即發(fā)電子系統(tǒng)，發(fā)電時(shí)電動(dòng) /發(fā)電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)耦合、與壓氣機(jī)解耦合 [34]。美國 1991 年在 Alabama 的 Mclntosh 建成了第二臺(tái)商用 CAES，機(jī)組功率為 110MW，整個(gè)建設(shè)耗時(shí) 30 個(gè)月，耗資 6500 萬美元，這臺(tái)機(jī)組能夠在 14min之內(nèi)并網(wǎng)。這是因?yàn)?，常?guī)燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電時(shí)大約需要消耗輸入燃料的 2／ 3 進(jìn)行空氣的壓縮，而 CAES 則可利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的廉價(jià)電能預(yù)先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲(chǔ)存的能量加上一些燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電。設(shè)計(jì)參數(shù)：超級(jí)電容組 24V、 175F， U=24V， Uref1= V， Uref2=，單晶硅太陽電池 2W、 18V。設(shè)計(jì)主要為 12V 的直流負(fù)載供電，電流傳感器選用 MAX472，場(chǎng)效應(yīng)管 Q Q Q3 選用 IRF540，并由驅(qū)動(dòng)芯片 TC4427EPA 驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)壓器 U U2選用 LM2576， DC/DC 變換器選用 MAX668。與傳統(tǒng)蓄電池相比，超級(jí)電容對(duì)充 /放電電流沒有嚴(yán)格的限制，能更好地適應(yīng)太陽電池發(fā)電能力波動(dòng)范圍較大的特點(diǎn)。超級(jí)電容器作為能量?jī)?chǔ)存器件具有與可充電電池不同的充放電特性。 超級(jí)電容器是一種高比能量的無源儲(chǔ)能元件，主要是通過電極 /電解質(zhì)界面形成雙電層中離子的吸附和脫附，來實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放。而控制器的性能必須和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程匹配才能有效地實(shí)現(xiàn)控制目的。 Z 1 Z 2S M E S 系 統(tǒng)V 1V 2 V 3V 3V 4風(fēng) 電 場(chǎng)常 規(guī)電 網(wǎng) 圖 含 SMES的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng) 14 如圖 ， SMES的控制系統(tǒng)由上層控制和底層控制 兩部分組成。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)速的隨時(shí)性，引起風(fēng)車輸出機(jī)械功率的變化，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入與輸出功率的不平衡。失超保護(hù)針對(duì)失超時(shí)所引起的過熱、高壓放電和應(yīng)力過載，對(duì)超導(dǎo)線圈進(jìn)行保護(hù)。因此，設(shè)計(jì)有效而恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，而其關(guān)鍵是如何合理地選擇控制信號(hào)和相應(yīng)的控 制策略。h）和中型（ ～ 100MW通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲(chǔ)能線圈與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器；另一種是電壓源型變流器。在實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)中，由于各種原因會(huì)產(chǎn)生不平衡功率， SMES 從這一新的角度出發(fā)考慮提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。近年來利用飛能儲(chǔ)能系統(tǒng)來抑制低頻振蕩受到研究者的廣泛關(guān)注，利用飛能儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制低頻振蕩，提高小干擾穩(wěn)定性，具有現(xiàn)實(shí)的意義。 機(jī) 端 頻 率軸 速 率功 率變 換 器 超 前 / 滯 后 放 大 限 制送 入 A V R 控 制 回路 圖 PSS 的原理框圖 實(shí)踐證明， PSS 的使用，對(duì)電力系統(tǒng)中局部振蕩模式的抑制非常有效。因此，研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，特別是小干擾穩(wěn)定性問題是一個(gè)重大而迫切的課題。當(dāng)放電時(shí) ,它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電 ,此 時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降 。在電機(jī)的選擇上，選擇了三相籠式異步電機(jī)作為電動(dòng) /發(fā)電機(jī)，這類電機(jī)不僅具有容量大和易于高速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，而且在控制其變速過程中不需要磁極位置檢測(cè)器。由 80C196MC芯片 等組成的微控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，連續(xù)不斷地向逆變器 A、 B發(fā)出控制脈沖信號(hào)，協(xié)調(diào)控制飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制了千瓦級(jí)高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，正在進(jìn)行各種試驗(yàn)測(cè)試。適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。 VO2++V2++2H+ (3.1) 目前 VRB相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，但其真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需在高性能低成本專用離子交換膜、高穩(wěn)定性高活性專用電極材料及電極制備等關(guān)鍵技術(shù)方面取得進(jìn)一步的突破，并形成批量生成能力。由于全釩液流電池可以保持連續(xù)穩(wěn)定、安 全可靠的電力輸出，用于風(fēng)能、太陽能等可再生資源發(fā)電系統(tǒng)，解決其發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定特性；用于電力系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)用戶端負(fù)載平衡，保證智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；用于電動(dòng)汽車充電站，可避免電動(dòng)車大電流充電對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；用于高耗能企業(yè)，谷電峰用，可減低生產(chǎn)成本 [18]。在日本，目前采用 NaS 電池技術(shù)的 儲(chǔ)能示范工程有 30 多處，總儲(chǔ)能容量超過 20MW，可用于 8h 的日負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)。近年來，各種 新型的蓄電池被相繼開發(fā)成功，并 在 電力 系統(tǒng) 中得 到應(yīng) 用。在過去的 12 至 18 個(gè)月里，已有生產(chǎn)能力達(dá)每年 300MW 的蓄電池生產(chǎn)線投入運(yùn)行。 中國的抽水蓄能發(fā)展起步較晚，發(fā)展歷程曲折，但發(fā)展成績(jī)巨大截止 2021 8 年底，我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá) 17GW 的抽水蓄能電站在我國電力系統(tǒng)中不僅發(fā)揮了調(diào)頻、調(diào)相、削峰填谷、事故備用等作用，還為優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、減少線路投資等 產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。抽水儲(chǔ)能電站有日本的 新高瀨川抽水蓄能電站、浙江省安吉縣境內(nèi)的天荒坪抽水蓄能電站等。 抽水儲(chǔ)能在我國發(fā)展現(xiàn)狀：截止 2021 年年底，我國抽水儲(chǔ)能電站投產(chǎn)規(guī)模已達(dá) 萬千瓦，約占全國總發(fā)電裝機(jī)容量的 %。抽水儲(chǔ)能的基本原理框圖如 所示。以后才發(fā)展為可逆水泵水輪機(jī)，把水泵與 7 水輪機(jī)合為一臺(tái)機(jī)器。也可選擇已有水庫附近的谷地建設(shè)下池，以原有水庫作為上池。在高峰負(fù)荷時(shí)，作為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，利用上池的蓄水發(fā)電，送到電網(wǎng)。一些高壩水電站具有儲(chǔ)水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進(jìn)行電力調(diào)度。 抽水蓄能電站有一個(gè)建在高處的上水庫 (上池 )和一個(gè)建在電站下游的下池。限制抽水蓄能電站更為廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素是建設(shè)工期長，工程投資較大。 抽水儲(chǔ)能（ Pumped Hydro Storage） 抽水儲(chǔ)能最早于 19 世紀(jì) 90 年代在意大利和瑞士得到應(yīng)用， 1933 年出現(xiàn)了可逆機(jī)組（包括泵水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)），現(xiàn)在出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可調(diào)機(jī)組以提高能量的效率 [7]。 從增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量的角度看，分布式儲(chǔ)能具有更大優(yōu)勢(shì)，按照系統(tǒng)運(yùn)行的要求來布置儲(chǔ)能裝置，可以得到更好的控制效果。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，這種電站的工程設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝以及運(yùn)行維護(hù)等費(fèi)用都超過了預(yù)想值。但是，如果將儲(chǔ)能裝置用于系統(tǒng)穩(wěn)定控制，就有可能采用小容量的儲(chǔ)能，通過快速的電能存取，實(shí)現(xiàn)較大的功率調(diào)節(jié)，快速地吸收 “剩余能量 ”或補(bǔ)充 “功率缺額 ”，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，目前的研究包括頻率控制、快速功率響應(yīng) 、黑啟動(dòng)等。它在電網(wǎng)低谷時(shí)使用電能，用電成本較低，不像柴油發(fā)電機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)那樣需要消耗高成本的燃料。在美國，抽水蓄能機(jī)組容量約占總裝機(jī)容量的 3%，而在日本則超過了 10%。 4 2 基于儲(chǔ)能技術(shù)的解決方案 能量存儲(chǔ)技術(shù)的歷史及發(fā)展前景 能量存儲(chǔ)技術(shù)可以提供一種簡(jiǎn)單的解決電能供需不平衡問題的辦法。美國和加拿大2021 年 8 月 14 日發(fā)生的大停電事故就是一個(gè)慘痛的教訓(xùn)。 目前，電力系統(tǒng)還缺乏高效的有功功率調(diào)節(jié)方法和設(shè)備，當(dāng)前采用的主要方法是發(fā)電機(jī)容量備用（包括旋轉(zhuǎn)備用和冷備用），這使得有功功率調(diào)控點(diǎn)很難完全按系統(tǒng)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求布置。 范必表示，從近期 “電荒 ”現(xiàn)象背后暴露出的一系列問題來看，煤電價(jià)格關(guān)系理順是一方面，但上網(wǎng)價(jià)格與銷售電價(jià)之間關(guān)系的理順也是關(guān)鍵所在。所謂輸配分開，就是將輸電和配電環(huán)節(jié)從資產(chǎn)、財(cái)務(wù)和人事上分拆，輸電環(huán)節(jié)有電網(wǎng)管理，而售電環(huán)節(jié)則地方供電局改組為多個(gè)獨(dú)立的法人實(shí)體，再輔之以購電的大戶與電廠 簽訂直供合同，把配電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行下放到地方。在此背景下，輸配分離改革也漸漸進(jìn)入決策 者視野。 近日，國家電監(jiān)會(huì)發(fā)布《輸配電成本監(jiān)管暫行辦法》，其中針對(duì)電網(wǎng)企業(yè)輸配電成本核算提出一系列監(jiān)管措施。電力市場(chǎng)化的推行也促使電力供應(yīng)商和用戶一起共同尋求新的能量管理技術(shù)支持，以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。但是，由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)以及政策等方面的制約，電網(wǎng)發(fā)展難以快速跟上用戶負(fù)荷需求增長的步伐，同時(shí)電網(wǎng)在其規(guī)?；l(fā)展過程中不可避免地會(huì)在一段時(shí)間甚至長期存在結(jié)構(gòu)上的不合理問題；另一方面，隨著電力企業(yè)的重組，為了獲取最大利益，企業(yè)通常首先選擇的是盡可能提高設(shè)備利用率，而不是投資建設(shè)新的輸電線路和發(fā)電廠 [2]。近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力需求的增長和電力企業(yè)市場(chǎng)化革命的推行，電力系統(tǒng)的運(yùn)行和需求正在發(fā)生巨大的