【文章內(nèi)容簡介】 用儲能技術(shù)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和 UPS 等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領(lǐng)域的應(yīng)用。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。 英 國的 Regenesys Technologies 正在采用PSB(Polysulfide Bromide Flow Battery)電池建設(shè)一座 15MW/120MWh的儲能電站，其凈效率約為 75%。 NaS 電池具有較高的儲能效率（約 89%），同時還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖可在 30s 內(nèi)達到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使 NaS 電池可以同時用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的，從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟性 [16]。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 的日負荷峰谷調(diào)節(jié)。 全釩液流電池（ VRB）是一種新型清潔能源存儲裝置，其研究始與 20 世紀80 年代的澳大利亞新南威爾士大學(xué)。在美國、日本、澳大利亞等國家有應(yīng)用驗證，鑒于釩電池具有功率大、壽命長、可靠性高、操作和維修費用少、支持頻繁大電流充放電等明顯技術(shù)優(yōu)勢 [17]。被認為是太陽能、風(fēng)能發(fā)電裝置配套儲能設(shè)備、電動汽車供電、應(yīng)急電源系統(tǒng)、電站儲能調(diào)峰、再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲 9 能、遠程供電、 UPS 系統(tǒng)等領(lǐng)域的優(yōu)先選擇。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)用戶端負載平衡，保證智能電網(wǎng)穩(wěn)定運行；用于電動汽車充電站，可避免電動車大電流充電對電網(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]。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。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)。電池正負電極之間以離子交換膜分隔成彼此相互獨立的兩室，通常情況下 VRB 正極活性電對為 VO2+/VO2+，負極為 V2+/V3+,電極上所發(fā)生的電池總反應(yīng)如下： VO2++H2O+V3+錯誤 !未找到引用源。 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。另外，電池組及系統(tǒng)的集成度及優(yōu)化設(shè)計也有待進一步提高。 飛輪儲能（ Flywheels Storage） 飛輪儲能技術(shù)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式儲存起來 ，當能量緊急缺乏或需要時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來 [19]。 飛輪儲能的 特點： 飛輪儲能具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、充放電次數(shù)無限以及無污染等有點。適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。 80年代以來，新型復(fù)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]。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)，飛輪機組的效率可以達到 80%以上，高于抽水蓄能電站 [21]?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為解決飛輪電機的高速旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動問題以及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問題創(chuàng)造了條件。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。我國在飛輪儲能技術(shù)的研究起步較晚，在飛輪儲能系統(tǒng)運行控制方面的研究也比較少。 飛輪儲能系統(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]。逆變器 B負責將整流器輸出側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可變的三相交流電驅(qū)動異步電動 /發(fā)電機；逆變器 A負責將直流電能轉(zhuǎn)換為頻率50Hz、電壓和相位分別可調(diào)的三相交流電，經(jīng)變壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。由 80C196MC芯 片等組成的微控制器實時監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)，連續(xù)不斷地向逆變器 A、 B發(fā)出控制脈沖信號，協(xié)調(diào)控制飛輪儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 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)。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。軸承采用永磁吸力和油浮軸承組成準磁浮混合軸承系統(tǒng)，飛輪重量的 90%被永磁 鐵的吸力卸載，從而減小了油浮軸承的摩擦力 [24]。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。三相異步電機和現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)形成的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相結(jié)合，可以工作在電動、發(fā)電和待機狀態(tài)。 電 能 轉(zhuǎn) 換 系統(tǒng)電 機 （ 永 磁吸 力 軸 承 、飛 輪 、 油 浮軸 承 ）電 能 輸 入電能輸出 圖 飛輪儲能系統(tǒng)基本構(gòu)成圖 11 飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)置電機 ,它既是電動機也是發(fā)電機。在充電時 ,它作為電動機給飛輪加速 。當放電時 ,它又作為發(fā)電機給外設(shè)供電 ,此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降 。而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時 ,整個裝置則以最小損耗運行。 我國電力系統(tǒng)正在逐步實現(xiàn)全國聯(lián)合大電網(wǎng)。根據(jù)國外的經(jīng)驗，這樣的大型聯(lián)合電力系統(tǒng)很容易發(fā)生弱阻尼低頻機電振蕩穩(wěn)定問題，其振蕩頻率分布在 — 之間，如果在系統(tǒng)振蕩上沒有合適的阻尼，振蕩可能持續(xù)幾分鐘并發(fā)展直到系統(tǒng)解列。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。電力工程界多年的研究和實踐表明在某些發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)上加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ PSS）是抑制低頻振蕩的一種經(jīng)濟有效的方法。其基本原理是采 用適當?shù)姆答佇盘?，通過有效的相位補償環(huán)節(jié)，產(chǎn)生與機組轉(zhuǎn)子搖擺中的阻尼分量相位一致的阻尼轉(zhuǎn)矩。如圖 所示。 機 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 實踐證明， PSS 的使用，對電力系統(tǒng)中局部振蕩模式的抑制非常有效。但是對于大型電力系統(tǒng)，存在非常復(fù)雜的振蕩模式，有的振蕩模式可能與局部振蕩相差甚遠。這些復(fù)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。 PSS 必須通過發(fā)電機勵磁控制裝置才能使用，其使用地點有時會受到限制，而且， PSS 的參數(shù)整定與需要補償?shù)南辔挥嘘P(guān)，而這常常是因系統(tǒng)而異的，這些缺點也會在一定程度上限制它的靈活使用。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。 超導(dǎo)磁儲能（ Superconductive Magic Energy Storage, SMES） 盡管早在 1911 年人們就發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，但直到 20 世紀 70 年代，才有人 12 首次提出將超導(dǎo)磁儲能作為一種一種儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng) [25]。超導(dǎo)磁儲能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高 的儲能效率（充／放電效率超過 95%），很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。 超導(dǎo)磁儲能裝置（ SMES）是將超導(dǎo)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和能量管理技術(shù)相結(jié)合的一種新型儲能裝置 [26]。在實時補償系統(tǒng)中，由于各種原因會產(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。 SMES 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。 SMES 單元由一個置于低溫環(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。功率變換／調(diào)節(jié)系 統(tǒng)將 SMES 單元與交流電力系統(tǒng)相連接，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進行充放電 [27]。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。 和其他的儲能技術(shù)相比，目前 SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當可觀。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用，這部分費用一般在整個SMES成本中占最大份額。已有的研究結(jié)果表明，對輸配電應(yīng)用而言，微型（﹤h）和中型（ ～ 100MWh） SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟。使用高超導(dǎo)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。 將超導(dǎo)磁儲能（ Superconducting Magic Energy Storage， SMES）用于風(fēng)電系統(tǒng)，配以恰當?shù)目刂葡到y(tǒng)，可實現(xiàn)功率的雙向流動，從而改善風(fēng)力發(fā)電機的輸出穩(wěn)定問題和與電網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)化配合的問題，是一種理想的提高風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)性能和解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的手段 [28]。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。 SMES系統(tǒng)主要由超導(dǎo)磁體、功率變換裝置和控制系統(tǒng) 3部分組成，其中超導(dǎo)磁儲能體系包括超導(dǎo)線圈、低溫容器和制冷裝置。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)線圈中存儲一定的能量（一般為最大存儲磁能的 25%75%），當功率高于（或低于）基準功率（電網(wǎng)所要求的功率）時，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在超導(dǎo)線圈中（或?qū)⒊瑢?dǎo)線圈中的能量回饋到電網(wǎng)）。冷卻裝置保證了超導(dǎo)線圈的工作環(huán)境。失超保護針對 失超時所引起的過熱、高壓放電和應(yīng)力過載，對超導(dǎo)線圈進行保護。 13 變 壓 器變 換 器 超 導(dǎo) 線 圈無 功補 償門 極 觸 發(fā) 電 路線 圈 保 護控 制 器冷 卻 裝 置控 制 信 號 去 或 來 自 電 力 系 統(tǒng)三 相 母 線 圖 SMES裝置結(jié)構(gòu) 含有超導(dǎo)磁儲能裝置的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)如圖 。如果忽略各種損耗，風(fēng)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)。當風(fēng)速一定時， SMES處于限制狀態(tài)，風(fēng)電場輸入的機械功率與輸出的電功率相等，處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。但在實際運行中，由于風(fēng)速的隨時性，引起風(fēng)車輸出機械功率的變化，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機的輸入與輸出功率的不平衡。此時， 通過 SMES對功率的 “吞吐 ”作用（利用 SMES快速響應(yīng)和高儲能密度特點），使風(fēng)電場的輸出功率達到平衡 [29]。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)大負荷的概率，為風(fēng)電的并網(wǎng)提供可靠的理論依據(jù)。將 SMES用于風(fēng)電系統(tǒng)，可以提高風(fēng)電場的穩(wěn)定性，平滑功率輸出，降低風(fēng)電場對電網(wǎng)的沖擊利用 SMES對電力系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制，從本質(zhì)上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 Z 1 Z 2S M E S 系 統(tǒng)V 1V 2 V 3V 3V 4風(fēng) 電 場常 規(guī)電 網(wǎng) 圖 含 SMES的風(fēng)電場并網(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。上層控制作為主控制器用于提供內(nèi)環(huán)控制器所需要的有功功率和無功功率控制的參考值，它是由 SMES 本身特性和系統(tǒng)要求決定的，由不同目標的多個控制器及其協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)組成 [30]。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?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是由系統(tǒng)提取信息，根據(jù)系統(tǒng)需要控制 SMES 的功率輸出。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。以下研究風(fēng)電場中的控制策略和控 制信號的選取。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)速擾動下平滑風(fēng)電場的輸出，降低風(fēng)電波動對電網(wǎng)的沖擊。 電 壓 穩(wěn) 定 控 制阻 尼 功 率 震 蕩秒 級 功 率 備 用暫 態(tài) 控 制 系 統(tǒng)電 流 控 制觸 發(fā) 電 路電 壓 控 制VPIfP S E TQ S E T上 層 控 制下 層 控 制G 1 G 8 的 觸 發(fā) 脈 沖 圖 SEMS控制系統(tǒng) 超級電容器儲能（ Super Capacitor Storage, SCS） 電容是電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備。 超級電容器是一種高比能量的無源儲能元件，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，來實現(xiàn)能量的儲存與釋放。即利用活性炭多孔電極和電解 質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，容值范圍可達 1～ 5000F，并且在使用時可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高耐壓和容量 [31]。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。其主要特點表現(xiàn)在：比功率高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、免維護、綠色環(huán)保。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。在充放電時，電池具有較穩(wěn)定的輸出電壓，而超級電容器的輸出電壓