【正文】 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。 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)。正所謂：天下無難事，只要肯攀登。 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。我們應(yīng)該充分利用我國(guó)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(guó)電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。國(guó)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。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。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。 （ 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。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。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。 任何儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能過程都是要損失能量的。據(jù)悉，這套技術(shù)一旦獲得成功，將使我國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)后來居上，并掃清其在我國(guó)發(fā)展的障礙。 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(guó)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)。目前 2 兆瓦級(jí)液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)已在英國(guó)示范運(yùn)行。 為解決常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的主要問題，從 2021 年起，工程熱物理所和英國(guó)高瞻公司、英國(guó)利茲大學(xué)等單位共同開發(fā)了液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。 ”今年 2 月，工程熱物理所成立了燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室。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)。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。直到 2021 年，儲(chǔ)能才在我國(guó)成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。而在國(guó)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。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。這使得壓縮空氣儲(chǔ)能電站的應(yīng)用大受限制。第三，需要大容量的儲(chǔ)氣裝置。首先，我國(guó)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(guó)家嚴(yán)格保密的技術(shù)。不過，我國(guó)起步較晚，還沒有實(shí)際運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。另外，日本、意大利、以色列等國(guó)也分別有壓縮空氣儲(chǔ)能電站正在建設(shè)。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(chǎng)的組成部分，該風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電能力將達(dá)到 3000 兆瓦。美國(guó)在建的壓縮空氣儲(chǔ)能電站達(dá)到 6 吉瓦。壓縮空氣儲(chǔ)能適合用于大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)閮烧哂刑烊坏慕Y(jié)合優(yōu)勢(shì)：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。 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。首先，壓縮空氣儲(chǔ)能在規(guī)模上僅次于抽水蓄能，如德國(guó)一座電站的規(guī)模達(dá)到 290 兆瓦。 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。針對(duì)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。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(guó)國(guó)情的新型壓縮空氣儲(chǔ)能電站。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(guó)很難推廣。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。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(jí)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(jí)別或更小。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(zhǎng)的就是壓縮空氣儲(chǔ)能。但美國(guó)能源部高級(jí)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(zhǎng)的時(shí)間，才能證明其經(jīng)濟(jì)性，并找到廣泛用途。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。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。 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。 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。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。據(jù)《技術(shù)評(píng)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。 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?；钊梢栽诟蟮膲毫Ψ秶ぷ鳎⑶矣捎诳諝饪梢詨嚎s得更多，這種系統(tǒng)就可以儲(chǔ)存更多的能量。 Sustain X 采用的也是這種方法。而苛刻的地理?xiàng)l件就成為限制其推廣的主要因素。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。 Kepshire 表示，這項(xiàng)廢熱發(fā)電的專利為公司拓展了市場(chǎng)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。 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。 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。 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。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。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)。因此，整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率在65%左右，最高可到 70%。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。 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。 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]。 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(shì)能并貯存于貯氣室中。美國(guó) 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)。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。這是因?yàn)椋Ｒ?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。超級(jí)電容作為新生儲(chǔ)能元件，憑其優(yōu)勢(shì)，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。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。系統(tǒng)一方面通過場(chǎng)效應(yīng)管 Q1實(shí)現(xiàn) PWM，對(duì)超級(jí)電容最大程度地充電；另一方面為防止超級(jí)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(duì)充電電路的通斷。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。控制器通過對(duì)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(duì)超級(jí)電容和系統(tǒng)的安全進(jìn)行管理；超級(jí)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。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。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(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。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(chǎng)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(chǎng)的輸出，降低風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。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。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(duì)變換器的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。 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。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)。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。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)。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)。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(cè)到信號(hào)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)）。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。使用高超導(dǎo)體可以降低儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于低溫和制冷條件要求，從而使 SMES的成本進(jìn)一步降低。h）和中型（ ～ 100MW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。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。 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。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。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。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。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。 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