【正文】 、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。但是對于大型電力系統(tǒng)，存在非常復雜的振蕩模式，有的振蕩模式可能與局部振蕩相差甚遠。而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時 ,整個裝置則以最小損耗運行。 10 傳 感 器電 機 / 飛 輪微 控 制 器逆 變 器 B逆 變 器 A整 流 器開 關(guān) 用 戶電 網(wǎng)電 能轉(zhuǎn) 換系 統(tǒng) 圖 飛輪儲能系統(tǒng)試驗原理圖 飛輪儲能系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖 ，主要由四部分組成，分別為儲存能量用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)、異步電動／發(fā)電機組和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 80年代以來，新型復合材料碳素纖維的發(fā)展使得飛輪的周邊線速度可以超過1000m/s，大大增加了飛輪的儲能密度 [20]。此外，它還可應(yīng)用于電信的通訊基站、國家重要部門的備用電站等。 英國 的 Regenesys Technologies 正在 采 用PSB(Polysulfide Bromide Flow Battery)電池建設(shè)一座 15MW/120MW 表 2021 年全球抽水儲能裝機容量統(tǒng)計及 2021 年裝機預測 國家 2021 年裝機容量 2021 年預計裝機容量 歐盟 41GW 50GW 日本 25GW 26GW 美國 22GW 22GW 中國 17GW 30GW 世界其他地區(qū) 30GW 60GW 采用不同化學物質(zhì)的先進蓄電池儲能（ Battery Storage） 蓄電池是電力電源系統(tǒng)中直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，它作為直流供電電源，主要擔負著為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保繼 電保護、通信設(shè)備的正常運行 [14]。目前在建的抽水儲能電站達 座，在建規(guī)模 1250 萬千瓦。正轉(zhuǎn)是水輪機，反轉(zhuǎn)即是水泵。建設(shè)抽水蓄能電站的關(guān)鍵是選好站址 [11]。抽水蓄能電站在應(yīng)用時必須配備上、下游兩個水庫。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾個小時到幾天，其效率在 70%至 85%之間。因此，儲能系統(tǒng)制造商轉(zhuǎn)而尋求另外一種系統(tǒng)解決方案，即分布式儲能（ DES）系統(tǒng)。為了實現(xiàn)效益最大化，合理選擇儲能電站的位置非常重要。這種方法在早期的電力系統(tǒng)中已經(jīng)有所應(yīng)用，例如在 19 世紀后期紐約市的直流供電系統(tǒng)中，為了在夜間將發(fā)電機停下來，采用了鉛酸蓄電池為路燈提供照明用電。某些情況下，即使系統(tǒng)有充足的備用容量，如果電網(wǎng)發(fā)生故障導致輸電能力下降，而備用機組又遠離負荷中心，備用容量的 3 電力就難以及時輸送到負荷中心，無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國家發(fā)改委價格司副司長劉振秋此前在媒體上撰文也指出，輸配環(huán)節(jié)雖然形成國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)兩大電網(wǎng)公司，但由于輸配沒有分開，實際上還是寡頭壟斷，配電環(huán)節(jié)競爭并沒有形成，電網(wǎng)公司是一個絕對的壟斷實體，合理合法地擋在供需雙方之間，成為唯一的 “總賣家 ”和 “總買家 ”。此舉被認為是擱置多年的電網(wǎng)輸配電分離改革進程重新進入融冰期的政策信號 [3]。因此，單靠上述常規(guī)手段難以在短時間內(nèi)有效地扭轉(zhuǎn)電力供需不平衡的狀況。 本文介紹了國內(nèi)外各種儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并從電力系統(tǒng)安全高效運行的角度論述了電能儲存技術(shù)的重要性。本文對抽水儲能、蓄電池儲能、飛輪儲能、超導磁儲能、壓縮空氣儲能、超級電容器儲能等幾種儲能技術(shù)的原理和實現(xiàn)方法作了介紹，并對其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況以及可實施性作了說明。 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。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、競價上網(wǎng) ”的電力體制改革的四大步驟。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，銷售電價環(huán)節(jié)仍存在賣方壟斷。因此，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，當系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動時，同步發(fā)電機并不總是能夠足夠快地響應(yīng)該擾動以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定，這時只能依靠切負荷或者切除發(fā)電機來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，抽水儲能電站被用來進 行電網(wǎng)調(diào)峰。 儲能裝置用于電力調(diào)峰，需要裝置具有較大的儲能容量。 對于供電緊張的電力系統(tǒng)來說，分布式儲能技術(shù)可 望提供最佳的解決方案，這是因為：（ 1）分布式儲能系統(tǒng)是模塊化的，可以快速組裝，現(xiàn)場安裝費用低；（ 2）由于模塊化的靈活性，當某一地區(qū)負荷需求增加時，采用分布式儲能系統(tǒng)代替建設(shè)地區(qū)發(fā)電廠效果更好；（ 3）分布式儲能系統(tǒng)不會增加電力系統(tǒng)在環(huán)境保 5 護方面的壓力，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)備的利用率和運行經(jīng)濟性；（ 6）大多數(shù)采用新技術(shù)的分布式儲能系統(tǒng)都能很容易地實現(xiàn)多 功能。抽水儲能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應(yīng)用的一種儲能技術(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]。在負荷低谷時段，抽水儲 能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。一般要求上、下池之間的落差愈高愈好。電動發(fā)電機也是一臺特殊的電機，受電時是 電動機驅(qū)動水泵抽水，為上池放水 。其中國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)在建抽水儲能項目達到 1010 萬千瓦。據(jù)估計，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 50 億美元。h 的儲能電站，其凈效率約為 75%。電池原理： VRB 以溶解于一定濃度硫酸溶液中的不同價態(tài)的釩離子為正負電極反應(yīng)活性物質(zhì)。高溫超導磁懸浮軸承技術(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)，飛輪機組的效率可以達到 80%以上，高于抽水蓄能電站 [21]。在設(shè)計中，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。 我國電力系統(tǒng)正在逐步實現(xiàn)全國聯(lián)合大電網(wǎng)。這些復雜的振蕩模式有時會給傳統(tǒng)的 PSS 的有效性帶來不利影響，嚴重時甚至不能正常工作。 SMES 單元由一個置于低溫環(huán)境的超導線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供的。使用高超導體可以降低儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件要求，從而使 SMES的成本進一步降低。如果忽略各種損耗，風力發(fā)電機輸入的機械功率將被轉(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)。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)，實現(xiàn)了四象限運行。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?？刂破魍ㄟ^對太陽電池板的電壓及電流的采集，實現(xiàn)太陽電池最大功率點跟蹤，最大效率地存儲太陽能，并對超級電容和系統(tǒng)的安全進行管理；超級電容組作為儲能設(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。超級電容作為新生儲能元件，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。 壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負荷低谷時的剩余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，即將不可儲存的電能轉(zhuǎn)化成可儲存的壓縮空氣的氣壓勢能并貯存于貯氣室中。因此，整個系統(tǒng)的存儲效率在65%左右，最高可到 70%。 Sustain X 恒溫壓縮空氣儲能技術(shù)從被 壓縮儲存的空氣中帶走熱量，然后將熱量供給膨脹的空氣。而苛刻的地理條件就成為限制其推廣的主要因素。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)生的熱量又會散發(fā)到大氣中。此前還獲得了包括階段性壓縮與膨脹以及與熱井或環(huán)境進行熱交換的專利。在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大，達到上千兆瓦，技術(shù)也最成熟；壓縮空氣儲能次之，單機規(guī)模在百兆瓦級別； 20 化學儲能規(guī)模較小，單機規(guī)模一般在兆瓦級別或更小。針對這種現(xiàn)象， Sustain X 的這項專利技術(shù)能夠?qū)⒁徊糠謴U熱重新轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)儲能和廢熱發(fā)電的雙重功效。壓縮空氣儲能適合用于大規(guī)模風場，因為兩者有天然的結(jié)合優(yōu)勢：風能產(chǎn)生的機械功可以直接驅(qū)動壓縮機旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率。不過，我國起步較晚，還沒有實際運行的壓縮空氣儲能電站。而如果沒有合適的天然洞穴，需要人工改造或者建造儲氣罐的話，成本將大大增加。在發(fā)展壓縮空氣儲能時，作為項目負責人的陳海生表示： “我們執(zhí)拗的一個目標就 22 是一定要掌握自主知識產(chǎn)權(quán)。 為了掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的儲能系統(tǒng)， 2021 年，工程熱物理所在國際上首次提出 并開始研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲能系統(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)壓縮空氣儲能系統(tǒng)和液化空氣儲能系統(tǒng)優(yōu)點，具有儲能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高、不需要大的儲存裝置等優(yōu)點。成本過高是限制目前各種儲能技術(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能技術(shù)研究的一個重要方向。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，各種各樣的儲能系統(tǒng)技術(shù)提供了具有很寬時間范圍的儲能功能，從幾秒鐘到數(shù)十小時，這些對解決電力系統(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。 首先要特別感謝我的指導老師陳功貴老師，在教學繁忙、事務(wù)纏身的情況下，陳老師多次抽出時間，對我的論文進行悉心的指導，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，他都進行過細致的批閱，使得我的論文越來越規(guī)整，更加符合標準。 感謝我的大學班主任李紹武，感謝教育我，關(guān)心我的所有老師。我們應(yīng)該充分利用我國正在進行的電力體制改革和電力 工業(yè)大發(fā)展的良好機遇，積極開展這一領(lǐng)域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運行提供新的技術(shù)支持。 （ 2）儲能系統(tǒng)在輸配電系 統(tǒng)中應(yīng)用研究，包括儲能電源的合理規(guī)劃、儲能系統(tǒng)與現(xiàn)有電網(wǎng)之間的柔性連接技術(shù)、先進的控制調(diào)節(jié)技術(shù)以及儲能系統(tǒng)與FATCTS、再生能源等相結(jié)合的技術(shù)研究。據(jù)悉，這套技術(shù)一旦獲得成功，將使我國的壓縮空氣儲能技術(shù)后來居上，并掃清其在我國發(fā)展的障礙。 ”今年 2 月，工程熱物理所成立了燃氣輪機實驗室。而在國內(nèi)，有關(guān)專家在湖北、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地進行過地質(zhì)調(diào)查，暫時沒有找到合適的天然洞穴。首先，我國并未掌握燃氣輪機的核心技術(shù)，一直以來依賴進口，且燃氣輪機屬于發(fā)達國家嚴格保密的技術(shù)。美國在建的壓縮空氣儲能電站達到 6 吉瓦。 表 給出了各種儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及適合的應(yīng)用范圍。但很多地區(qū)并不具備建設(shè)抽水蓄能電站的自然條件，這就需要其他的儲能手段。而 Sustain X 已經(jīng)展示了 40 千瓦的樣機，現(xiàn)在正在完成 1 兆瓦系統(tǒng)，預定明年與 AES 電力公司合作建設(shè)一個示范項目。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，以熱水的形式被儲存，在膨脹過程中回噴進入氣缸。 Sustain X 采用的也是這種方法。 當常規(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存，使得電廠的運行更為穩(wěn)定、高效，從而減少排放和成本。一項是通過它的恒溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)收集廢熱重新發(fā)電，另一項是一套能保持儲能系統(tǒng)內(nèi)外能量恒定傳動的控制系統(tǒng)。 CAES 電站工作原理：壓氣機、電動機、貯氣室等組成的蓄能子系統(tǒng)中將電站低谷的低價電能通過壓縮空氣儲存在巖穴、廢棄礦井等儲氣室中，蓄能時通過聯(lián)軸器將電動機 /發(fā)電機和壓氣機耦合，與燃氣 輪機解耦合；電力系統(tǒng)峰荷時，利用壓縮空氣燃燒驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電，燃氣輪機、燃燒室以及加熱器等即發(fā)電子系統(tǒng)，發(fā)電時電動 /發(fā)電機與燃氣輪機耦合、與壓氣機解耦合 [34]。這是因為，常規(guī)燃氣輪機在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的 2／ 3 進行空氣的壓縮，而 CAES 則可利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。設(shè)計主要為 12V 的直流負載供電，電流傳感器選用 MAX472，場效應(yīng)管 Q Q Q3 選用 IRF540，并由驅(qū)動芯片 TC4427EPA 驅(qū)動，穩(wěn)壓器 U U2選用 LM2576， DC/DC 變換器選用 MAX668。超級電容器作為能量儲存器件具有與可充電電池不同的充放電特性。而控制器的性能必須和系統(tǒng)的動態(tài)過程匹配才能有效地實現(xiàn)控制目的。但在實際運行中，由于風速的隨時性，引起風車輸出機械功率的變化，從而導致風力發(fā)電機的輸入與輸出功率的不平衡。因此，設(shè)計有效而恰當?shù)目刂葡到y(tǒng)對整個系統(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和相應(yīng)的控 制策略。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲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。近年來利用飛能儲能系統(tǒng)來抑制低頻振蕩受到研究者的廣泛關(guān)注，利用飛能儲能系統(tǒng)抑制低頻振蕩，提高小干擾穩(wěn)定性，具有現(xiàn)實的意義。因此，研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，特別是小干擾穩(wěn)定性問題是一個重大而迫切的課題。在電機的選擇上，選擇了三相籠式異步電機作為電動 /發(fā)電機，這類電機不僅具有容量大和易于高速運行的優(yōu)點，而且在控制其變速過程中不需要磁極位置檢測器。目前經(jīng)濟發(fā)達國家的研究機構(gòu)已經(jīng)研制了千瓦級高速飛輪儲能系統(tǒng)模型，正在進行各種試驗測試。 VO2++V2++2H+ (3.1) 目前 VRB相關(guān)研究已取得較大進展，但其真正實現(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)方面取得進一步的突破，并形成批量生成能力。在日本，目前采用 NaS 電池技術(shù)的 儲能示范工程有 30 多處，總儲能容量超過 20MW，可用于 8h 的日負荷峰谷