【正文】 最后要感謝我的大學所有給予我關心和幫助的老師和同學，正是這個溫馨的大家庭讓我四年的學習生活盛滿感動，留下許多令人 難忘的美好回憶。 感謝我的大學班主任李紹武，感謝教育我，關心我的所有老師。 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。正所謂：天下無難事，只要肯攀登。 雖然，在這個過程中我也曾遇到了不少困難，但是，在老師和同學們的熱情幫助和我自己的不懈努力下，所有的難題都 被我逐個解決，我也從中獲得了勝利的喜悅。我們應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，積極開展這一領域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運行提供新的技術支持。國內(nèi)外的研究結果表明，各種各樣的儲能系統(tǒng)技術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，提高供電質量提供了新的思路和有效的技術支持。例如，必須在能夠向儲能裝置的擁有者連續(xù)提供實時電價信息，如當日電 價或者供電費等的前提下，才能使儲能裝置的作用得到充分的發(fā)揮。必須在充分理解含儲能裝置的電力系統(tǒng)的動態(tài)特性的基礎上，研究在電力系統(tǒng)的各類動態(tài)條件下儲能裝置內(nèi)部的復雜非線性電磁問題，以及儲能裝置和現(xiàn)有電力系統(tǒng)元件之間的相互作用。 （ 2）儲能系統(tǒng)在輸配電系統(tǒng)中應用研究，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、先進的控制調節(jié)技術以及儲能系統(tǒng)與FATCTS、再生能源等相結合的技術研究。成本過高是限制目前各種儲能技術推廣應用的共同問題之一，提高能量轉換效率和降低成本是儲能技術研究的一個重要方向。因此，要保證壓縮空氣儲能電站不虧損，至少需要抽水蓄能電站的容量電價、電量電價政策。 任何儲能方式的儲能過程都是要 損失能量的。據(jù)悉，這套技術一旦獲得成功，將使我國的壓縮空氣儲能技術后來居上，并掃清其在我國發(fā)展的障礙。 為了掌握自主知識產(chǎn)權的儲能系統(tǒng)， 2022 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)權的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該技術利用超臨界狀態(tài)下空氣的特殊性質，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。目前 2 兆瓦級液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)已在英國示范運行。 為解決常規(guī)壓縮空氣儲能系統(tǒng)面臨的主要問題，從 2022 年起，工程熱物理所和英國高瞻公司、英國利茲大學等單位共同開發(fā)了液化空氣儲能系統(tǒng)。 ”今年 2 月，工程熱物理所成立了燃氣輪機實驗室。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。此外，華北電力大學、西安交通大學、華東科技大學等也開展了相關研究工作，但主要集中在理論研究和小型實驗層面。直到 2022 年，儲能才在我國成為研究和開發(fā)的熱點。而在國內(nèi)，有關專家在湖北、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地進行過地質調查，暫時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氣罐的話，成本將大大增加。這使得壓縮空氣儲能電站的應用大受限制。第三，需要大容量的儲氣裝置。首先，我國并未掌握燃氣輪機的核心技術，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。不過，我國起步較晚，還沒有實際運行的壓縮空氣儲能電站。另外，日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設。愛荷華州的壓縮空氣儲能電站也正在 規(guī)劃建設中，它是世界上最大風電場的組成部分，該風電場的總發(fā)電能力將達到 3000 兆瓦。美國在建的壓縮空氣儲能電站達到 6 吉瓦。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合優(yōu)勢：風能產(chǎn)生的機械功可以直接驅動壓縮機旋轉，減少了中間轉換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率。 電池、電容、超導、 飛輪等主要用于提高電網(wǎng)質量，防止發(fā)生突然斷電。首先，壓縮空氣儲能在規(guī)模上僅次于抽水蓄能，如德國一座電站的規(guī)模達到 290 兆瓦。 表 給出了各種儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀及適合的應用范圍。針對這種現(xiàn)象， Sustain X 的這項專利技術能夠將一部分廢熱重新轉化為電能，實現(xiàn)儲能和廢熱發(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示范的創(chuàng)新型壓縮空氣儲能裝置，在設計上有別于現(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能電站。究其原因，是壓縮空氣儲能自身的技術特性使得其在我國很難推廣。但很多地區(qū)并不具備建設抽水蓄能電站的自然條件，這就需要其他的儲能手段。在各種儲能技術中，抽水蓄能在規(guī)模上最大，達到上千兆瓦，技術也最成熟；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。除了抽水蓄能的 “霸主 ”地位無法撼動，最有希望實現(xiàn)大幅增長的就是壓縮空氣儲能。但美國能源部高級研究計劃局能源項目主任 Mark Johnson 認為，可能需要五年或更長的時間，才能證明其經(jīng)濟性，并找到廣泛用途。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 電力公司合作建設一個示范項目。此前還獲得了包括階段性壓縮與膨脹以及與熱井或環(huán)境進行熱交換的 專利。 Sustain X 由 Dartmouth 學院和賽爾工程學院的工程師們于 2022 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。據(jù)《技術評論》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。 就在不久前，今年 3 月， Sustain X 剛剛獲得了恒溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)的專利。活塞可以在更大的壓力范圍工作，并且由于空氣可以壓縮得更多，這種系統(tǒng)就可以儲存更多的能量。 Sustain X 采用的也是這種方法。而苛刻的地理條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)濟效益，同時簡化運行過程。 Kepshire 表示，這項廢熱發(fā)電的專利為公司拓展了市場機遇，如今，它既可以應用于可再生能源項目，也可以幫助化石燃料發(fā)電廠更 綠色的運行。 當常規(guī)火電廠安裝這套系統(tǒng)后，多余的電力將轉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。 Sustain X 恒溫壓縮空氣儲能技術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。 這項新專利改進了 Sustain X 此前獲得的恒溫壓縮空氣儲能技術專利。這家成立僅 3 年多的企業(yè)目前已經(jīng)在壓縮空氣儲能方面取得了 6 項專利，解決了很多制約技術推廣的關鍵問題。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)。因此，整個系統(tǒng)的存儲效率在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 發(fā) 電 機壓 氣 機 燃 氣 輪 機聯(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化：理想轉化過程是壓氣機壓縮空氣蓄能過程當作絕熱過程，空氣當作理想氣體，則此過程可逆，壓縮過程中工質的熵值為常數(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、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]。 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化成可儲存的壓縮空氣的氣壓勢能并貯存于貯氣室中。美國 1991 年在 Alabama 的 Mclntosh 建成了第二臺商用 CAES，機組功率為 110MW，整個建設耗時 30 個月，耗資 6500 萬美元，這臺機組能夠在 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間。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。超級電容作為新生儲能元件，憑其優(yōu)勢，更廣應用領域的開發(fā)將使其具有更好的應用前景。設計參數(shù)：超級電容組 24V、 175F， U=24V， Uref1= V， Uref2=，單晶硅太陽電池 2W、 18V。系統(tǒng)一方面通過場效應管 Q1實現(xiàn) PWM，對超級電容最大程度地充電；另一方面為防止超級電容過充，特設置單片機內(nèi)部預設電壓 U，由 Q1執(zhí)行對充電電路的通斷。設計主要為 12V 的直流負載供電，電流傳感器選用 MAX472，場效應管 Q Q Q3 選用 IRF540，并由驅動芯片 TC4427EPA 驅動，穩(wěn)壓器 U U2選用 LM2576， DC/DC 變換器選用 MAX668?？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，超級電容對充 /放電電流沒有嚴格的限制，能更好地適應太陽電池發(fā)電能力波動范圍較大的特點。超級 電容器的存儲能量與其輸出電壓的關系為： 15 錯誤 !未找到引用源。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。超級電容的最大充放電性能是由活性物質表面的離子取向和電荷轉移速度決定的。 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。采用該控制策略的 SMES不僅可以在網(wǎng)絡故障后有效地提高風電場的穩(wěn)定性，而且能夠在快速的風速擾動下平滑風電場的輸出，降低風電波動對電網(wǎng)的沖擊。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。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。 Z 1 Z 2S M E S 系 統(tǒng)V 1V 2 V 3V 3V 4風 電 場常 規(guī)電 網(wǎng) 圖 含 SMES的風電場并網(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。從而改善風電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低風電系統(tǒng)成為常規(guī)電網(wǎng)大負荷的概率，為風電的并網(wǎng)提供可靠的理論依據(jù)。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。如果忽略各種損耗，風力發(fā)電機輸入的機械功率將被轉換成電功率，電功率經(jīng)過變壓器和輸電線路后并到常規(guī)電網(wǎng)。失超保護針對失超時所引起的過熱、高壓放電和應力過載，對超導線圈進行保護。圖 SMES的結構框圖，工作原理是： SMES系統(tǒng)預先在超導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線圈中（或將超導線圈中的能量回饋到電網(wǎng)）。因此，設計有效而恰當?shù)目刂葡到y(tǒng)對整個系統(tǒng)起著至關重要的作用，而其關鍵是 如何合理地選擇控制信號和相應的控制策略。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。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。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。 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 冷設備提供的。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。超導磁儲能 由于具有快速電磁響應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。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。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。 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