【文章內(nèi)容簡介】 已投入高壓輸電網(wǎng) 中實(shí)際運(yùn)行， 5 GWh SMES 已通過可行性分析和技術(shù)論證。 SMES 可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。 SMES 的發(fā)展重點(diǎn)在于基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運(yùn)行的 MJ 級系統(tǒng)，解決高場磁體繞組力學(xué)支撐問題，并與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)探討分布式 SMES 及其有效控制和保護(hù)策略。 超級電容器儲能 超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周 圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電荷層間距非常小 (一般 mm 以下 )，加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。 但由于電介質(zhì)耐壓低，存在漏電流，儲能量和保持時間受到限制，必須串聯(lián)使用，以增加充放電控制回路和系統(tǒng)體積。 超級電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成電容量 ~1000 F、工作電壓 12~400 V、知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 11 最大放電電流 400~2020 A 系列產(chǎn)品， 儲能系統(tǒng)最大儲能量達(dá)到 30 MJ。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng) 中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)高峰值功率場合，如大功率直流電機(jī)的啟動支撐、動態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級電容器正在開發(fā)中。 電池儲能系統(tǒng) 電池儲能系統(tǒng)主要是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電，表 3 分別顯示了一些種類電池的基本特性和由它們構(gòu)成的儲能系統(tǒng)目前已達(dá)到的性能指標(biāo)。 表 5 電力儲能系統(tǒng)可利用的主要電池 知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 12 表 6 部分電池儲能系統(tǒng)的性能比較 鉛酸電池在高溫下壽命縮短，與鎳鎘 電池類似，具有較低的比能量和比功率，但價格便宜，構(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，目前儲能容量已達(dá) 20 MW。鉛酸電池在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時為斷路器提供合閘電源，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時發(fā)揮獨(dú)立電源的作用，為繼保裝置、拖動電機(jī)、通信、事故照明提供動力。然而，其循環(huán)壽命較短，且在制造過程中存在一定的環(huán)境污染。 鎳鎘等電池效率高、循環(huán)壽命長，但隨著充放電次數(shù)的增加容量將會減少，荷電保持能力仍有待提高，且因存在重金屬污染已被歐盟組織限用。鋰離子電池比能量 /比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但由于 工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)指標(biāo)往往達(dá)不到單體水平，使用壽命較單體縮短數(shù)倍甚至十幾倍。大容量集成的技術(shù)難度和生產(chǎn)維護(hù)成本使得這些電池在相當(dāng)長的時間內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)?；瘧?yīng)用。 鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池儲能密度為 140 kWh/m3，體積減少到普通鉛酸蓄電池的 1/5，系統(tǒng)效率可達(dá) 80%，單體壽命已達(dá) 15 a，且循環(huán)壽命超過 6 000 次，便于模塊化制造、運(yùn)輸和安裝，建設(shè)周期短，可根據(jù)用途和建設(shè)規(guī)模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負(fù)荷。 液流電池已有釩 – 溴、全釩、多硫化鈉 /溴等多個體系，高性能離子交換膜的出現(xiàn)促進(jìn)了其發(fā)展。液流電池電化學(xué)極化小，能夠 100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨(dú)立，可以通過增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度達(dá)到增加電池容量的目的，并可根據(jù)設(shè)置場所的情況自由設(shè)計儲藏形式及隨意選擇形狀。目前，鈉硫和液流電池均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作， MW 級鈉硫和 100 kW 級液流電池儲能系統(tǒng)已步入試驗示范階段。隨著容量和規(guī)模的擴(kuò)大、集成技術(shù)的日益成熟，儲能系統(tǒng)成本將進(jìn)一步降低，經(jīng)過安全性和可靠性的長期測試，有望在提高風(fēng)能 /太陽知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 13 能 可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平滑用戶側(cè)負(fù)荷及緊急供電等方面發(fā)揮重要作用。 3 電力儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例 抽水蓄能系統(tǒng) 日、美、西歐等國家和地區(qū)在 20 世紀(jì) 60~70 年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水儲能機(jī)組容量占世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量 55%以上，其中：美國約占 3%，日本則超過了 10%，中國、韓國和泰國 3 個國家在建抽水蓄能電站 GW， 加上日本后達(dá)到 GW， 表 4 顯示了近十年來投入運(yùn)行的 8 個大型抽 水蓄能電站的情況。 表 7 國外 8 個大型抽水蓄能電站的情況 壓縮空氣儲能電站 世界上第一個商業(yè)化 CAES 電站為 1978 年在德國建造的 Huntdorf 電站，裝機(jī)容量為 290 MW，換能效率 77%，運(yùn)行至今，累計啟動超過 7 000 次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。在美國， McIntosh 電站裝機(jī)容量為 100 MW， Norton 電站裝機(jī)容量為 GW，用于系統(tǒng)調(diào)峰； 2020年由 Ridge和 EI Paso能源公司在 Texas開始建造 Markham電站，容量為 540 MW。在日本， 1998 年施工建設(shè)北海道三井砂川礦坑儲氣庫， 2020 年 CAES 運(yùn)行，輸出功率 2 MW。在瑞士， ABB 公司正在開發(fā)大容量聯(lián)合循環(huán) CAES 電站，輸出功率 442 MW，運(yùn)行時間為 8 h，貯氣空洞采用水封方式。此外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、 以色列等國也在長期致知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 14 力于 CAES 的開發(fā)。 飛輪儲能系統(tǒng) 1999 年歐洲 Urenc Power 公司利用高強(qiáng)度 碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制作飛輪，轉(zhuǎn)速為 42 000 rad/min， 2020 年 1 月系統(tǒng)投入運(yùn)行，充當(dāng) UPS，儲能量達(dá)到 18 MJ。美國波音公司 Phantom 工廠研制的高溫超導(dǎo)磁浮軸承 100 kW/5 kWh 飛輪儲能裝置，已用于電能質(zhì)量控制和電力調(diào)峰。部分飛輪儲能裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況見表 5。 表 8 飛輪儲能裝置在電力系統(tǒng)中應(yīng)用項目 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng) SMES 在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了極其重要的作用，表 6 顯示了其中一些應(yīng)用實(shí)例。 知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 15 表 9 SMES 應(yīng)用實(shí)例 超級電容器儲能系統(tǒng) 西門子公司已成 功開發(fā)出儲能量達(dá)到 21 MJ/ Wh、最大功率 1 MW 的超級電容器儲能系統(tǒng)，并成功安裝在德國科隆市 750 V 直流地鐵配電網(wǎng)中，該系統(tǒng)由 4 800 支 2600 F/ V 超級電容器組成， 重量 2 t，體積 2 m3，超級電容器組儲能效率為 95%。美國 TVA 電力公司成功開發(fā)了 200 kW 超級電容器儲能系統(tǒng)，用于大功率直流電機(jī)的啟動支撐。 超級電容器最大的優(yōu)點(diǎn)：短時間高功率輸出 超級電容器是一種電化學(xué)元件，儲能過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且儲能過程是可逆的，因此超級電容器反復(fù)充放電 可以達(dá)到數(shù)十萬次，且不會造成環(huán)境污染。另外，它具有非常高的功率密度，為電池的 10100 倍，適用于短時間高功率輸出，充電速度快、模式簡單，可以知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 16 采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程， 是真正意義上的快速充電。 充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的可逆性，低溫性能優(yōu)越， 超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，容量隨溫度的衰減非常小。 超級電容器的特性總結(jié)如下： （ 1）高功率密度。超級電容器的內(nèi)阻很小，并且在電極 /溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的快速貯存和釋 放，因而它的輸出功率密度高達(dá)數(shù) kW/kg，是任何一個化學(xué)電源所無法比擬的，是一般蓄電池的數(shù)十倍。 （ 2）充放電循環(huán)壽命很長。超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生碘化學(xué)反應(yīng)，因而其循環(huán)壽命可達(dá)數(shù)萬次以上，遠(yuǎn)比蓄電池的充放電循環(huán)壽命長。 （ 3）充電時間短。超級電容器最短可在幾十秒內(nèi)充電完畢，最長充電不過十幾分鐘，遠(yuǎn)快于蓄電池的充電時間。 （ 4）妥善解決了貯存設(shè)備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。一般來說，比能量高的貯能體系其比功率不高，而一個貯能體系的比功率高，則其比能量就不一定很高，許多電池體系就是如此。 超級電容器可以提供 15kW/kg 的高比功率的同時，其比能量可以達(dá)到 520Wh/kg。將它與蓄電池組結(jié)合起來，可構(gòu)成一個兼有高比能量和高比功率輸出的貯能系統(tǒng)。 （ 5）貯存壽命長。超級電容器充電后，雖然也有微小的漏電流存在，但這種發(fā)生在電容器內(nèi)部的離子或質(zhì)子遷移運(yùn)動是在電場的作用下產(chǎn)生的， 并沒有出現(xiàn)化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)，且所用的電極材料在相應(yīng)的電解液中也是穩(wěn)定的，因此超級電容器的貯存壽命幾乎可以認(rèn)為是無限的。 （ 6）高可靠性。超級電容器工作過程中沒有運(yùn)動部件，維護(hù)工作少，因此超級電容器的可靠性非常高。 知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 17 表 10：超級電容器與靜電電容器、電池的性能參數(shù)比較 超級電容器的用途非常廣泛，既可以應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，又可以應(yīng)用于太陽能能源發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、新能源汽車、工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。 新能源發(fā)電系統(tǒng)：采用超級電容器組將使其并網(wǎng)發(fā)電更具有可行性 太陽能源的利用最終歸結(jié)為太陽能利用和太陽光利用兩個方面。 太陽能發(fā)電分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，其中光伏發(fā)電就是利用光伏電 池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電不論在轉(zhuǎn)化效率、設(shè)備成本和發(fā)展前景尚都遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于光熱發(fā)電。自從實(shí)用型多晶硅的光伏電池問世以來，世界上就便開始了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用。 目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有三個發(fā)展方向：獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)型和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 在獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)中，儲能單元一般是必須有的，它能將由日照時發(fā)出的剩余電能儲存起來供日照不足或沒有日照時使用。目前，國際光伏能源產(chǎn)業(yè)的需求開始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展， 光伏發(fā)電已有補(bǔ)充能源向替代能源過渡。國內(nèi)光伏能源系統(tǒng)仍主要是用在邊遠(yuǎn) 的無電地區(qū)和城市路燈、草坪燈、庭院燈、廣告牌等獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。 通過蓄電池組構(gòu)成的儲能系統(tǒng)，能夠熨平太陽光照強(qiáng)度波動導(dǎo)致的電能波動，還可以補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓驟降或突升，但是由于其充放電次數(shù)有限、大電流充放電時間較慢等因素，因此其使用壽命較短，成本較高。 另外， 風(fēng)力發(fā)電作為當(dāng)前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)， 具有廣闊的應(yīng)用前景。但知行合一 厚德創(chuàng)新 Knowing + Doing=1 知行合一 厚德創(chuàng)新 Devoting+Innovating=100 18 是，風(fēng)能是一種隨機(jī)變化的能源，風(fēng)速變化會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量會產(chǎn)生影響。 目前， 風(fēng)電有功功率波動多采用直接調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法來平緩其輸 出功率，但是該方法的功率調(diào)節(jié)能力有限；無功功率波動通常采用并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，但無功補(bǔ)償裝置無法平抑有功功率波動。