【正文】 布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有以下三種方式可以幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶可靠供電：（ 1）在關(guān)鍵時(shí)刻輔助供電或者傳輸電能；（ 2）將對(duì)供電負(fù)荷需求從峰值時(shí)刻轉(zhuǎn)移到負(fù)荷低谷時(shí)刻；（ 3）在強(qiáng)制停電或者供電中斷的情況下向用戶提供電能。 表 總結(jié)了儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用領(lǐng)域 [6]。以下簡(jiǎn)要介紹各種儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天，其效率在 70%至 85%之間。目前，全世界共有超過(guò) 90GW 的抽水儲(chǔ)能機(jī)組投入運(yùn)行，約占全球總裝機(jī)容量的 3%。在負(fù)荷低谷時(shí)，發(fā)電廠的發(fā)電量可能超過(guò)了用戶的需要，電力系統(tǒng)有剩余電能 。建設(shè)抽水蓄能電站能夠較好地解決這個(gè)問(wèn)題。抽水蓄能電站在應(yīng)用時(shí)必須配備上、下游兩個(gè)水庫(kù)。在負(fù)荷高峰時(shí)，抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作與發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電。利用礦井或者其他洞穴實(shí)現(xiàn)地下抽水儲(chǔ)能在技術(shù)上也是可行的，海洋有時(shí)也可以當(dāng)作下游水庫(kù)用， 1999 年日本建成第一座利用海水的抽水蓄能電站 (Yanbaru,30MW)。在電力系統(tǒng)的低谷負(fù)荷時(shí)，抽水蓄能電站的機(jī)組作為水泵運(yùn)行，在上池蓄 水 。建設(shè)抽水蓄能電站的關(guān)鍵是選好站址 [11]。大多在已有水庫(kù)的地方尋找山頭建設(shè)上池，以原有水庫(kù)作為下池。站址選對(duì)了可大量節(jié)約建設(shè)資金。初期的機(jī)組是水泵與水輪機(jī)分開(kāi)的組合式水泵水輪機(jī)組。正轉(zhuǎn)是水輪機(jī)，反轉(zhuǎn)即是水泵。水泵變?yōu)樗啓C(jī)時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)也就成為發(fā)電機(jī) [12]。 機(jī) 組水 輪 機(jī)水 泵正 轉(zhuǎn)反 轉(zhuǎn)電 動(dòng) 機(jī)驅(qū) 動(dòng)發(fā) 電 機(jī)受 電放 水 圖 抽水儲(chǔ)能的基本框圖 抽水蓄能電站除調(diào)峰、填谷之外，也可用作調(diào)頻、調(diào)相和事故備用。抽水蓄能電站的效益除峰谷電價(jià)差之外，更重要的是改善了電網(wǎng)的供電 質(zhì)量，提高了火電機(jī)組，特別是核電機(jī)組的負(fù)荷率，降低了這些機(jī)組的發(fā)電成本。目前在建的抽水儲(chǔ)能電站達(dá) 座，在建規(guī)模 1250 萬(wàn)千瓦。國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)劃 2020 年公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)抽水儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到 2692 萬(wàn)千瓦。 抽水蓄能在世界范圍應(yīng)用較早，日、美、歐等國(guó)家 和地區(qū)早在上世紀(jì) 6070 年代就進(jìn)人抽水蓄能建設(shè)的高峰期 [13]。世界發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)的抽水蓄能裝機(jī)容量及發(fā)展情況，見(jiàn)表 。 表 2021 年全球抽水儲(chǔ)能裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)及 2021 年裝機(jī)預(yù)測(cè) 國(guó)家 2021 年裝機(jī)容量 2021 年預(yù)計(jì)裝機(jī)容量 歐盟 41GW 50GW 日本 25GW 26GW 美國(guó) 22GW 22GW 中國(guó) 17GW 30GW 世界其他地區(qū) 30GW 60GW 采用不同化學(xué)物質(zhì)的先進(jìn)蓄電池儲(chǔ)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(dān)負(fù)著為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保繼 電保護(hù)、通信設(shè)備的正常運(yùn)行 [14]。在美國(guó)、歐洲以及亞洲，正在組建生產(chǎn)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能用的高性能蓄電池企業(yè)。 鉛酸電池是最古老、也是最成熟的蓄電池技術(shù)。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。 英國(guó) 的 Regenesys Technologies 正在 采 用PSB(Polysulfide Bromide Flow Battery)電池建設(shè)一座 15MW/120MW NaS 電池具有較高的儲(chǔ)能效率（約 89%），同時(shí)還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖可在 30s 內(nèi)達(dá)到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使 NaS 電池可以同時(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)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(jì)性 [16]。 全釩液流電池（ VRB）是一種新型清潔能源存儲(chǔ)裝置，其研究始與 20 世紀(jì)80 年代的澳大利亞新南威爾士大學(xué)。被認(rèn)為是太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電裝置配套儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車供電、應(yīng)急電源系統(tǒng)、電站儲(chǔ)能調(diào)峰、再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ) 9 能、遠(yuǎn)程供電、 UPS 系統(tǒng)等領(lǐng)域的優(yōu)先選擇。此外，它還可應(yīng)用于電信的通訊基站、國(guó)家重要部門的備用電站等。電池正負(fù)電極之間以離子交換膜分隔成彼此相互獨(dú)立的兩室，通常情況下 VRB 正極活性電對(duì)為 VO2+/VO2+，負(fù)極為 V2+/V3+,電極上所發(fā)生的電池總反應(yīng)如下： VO2++H2O+V3+錯(cuò)誤 !未找到引用源。另外，電池組及系統(tǒng)的集成度及優(yōu)化設(shè)計(jì)也有待進(jìn)一步提高。 飛輪儲(chǔ)能的 特點(diǎn)： 飛輪儲(chǔ)能具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)、高儲(chǔ)能、充放電快捷、充放電次數(shù)無(wú)限以及無(wú)污染等有點(diǎn)。 80年代以來(lái)，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(guò)1000m/s，大大增加了飛輪的儲(chǔ)能密度 [20]?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為解決飛輪電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)問(wèn)題以及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問(wèn)題創(chuàng)造了條件。我國(guó)在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究起步較晚，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制方面的研究也比較少。逆變器 B負(fù)責(zé)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(dòng)異步電動(dòng) /發(fā)電機(jī)；逆變器 A負(fù)責(zé)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)。 10 傳 感 器電 機(jī) / 飛 輪微 控 制 器逆 變 器 B逆 變 器 A整 流 器開(kāi) 關(guān) 用 戶電 網(wǎng)電 能轉(zhuǎn) 換系 統(tǒng) 圖 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖 ，主要由四部分組成，分別為儲(chǔ)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(dòng)／發(fā)電機(jī)組和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。軸承采用永磁吸力和油浮軸承組成準(zhǔn)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]。三相異步電機(jī)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(dòng)、發(fā)電和待機(jī)狀態(tài)。在充電時(shí) ,它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速 。而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ,整個(gè)裝置則以最小損耗運(yùn)行。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，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(jī)電振蕩穩(wěn)定問(wèn)題，其振蕩頻率分布在 — 之間，如果在系統(tǒng)振蕩上沒(méi)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。電力工程界多年的研究和實(shí)踐表明在某些發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(jì)有效的方法。如圖 所示。但是對(duì)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(yuǎn)。 PSS 必須通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置才能使用，其使用地點(diǎn)有時(shí)會(huì)受到限制，而且， PSS 的參數(shù)整定與需要補(bǔ)償?shù)南辔挥嘘P(guān)，而這常常是因系統(tǒng)而異的，這些缺點(diǎn)也會(huì)在一定程度上限制它的靈活使用。 超導(dǎo)磁儲(chǔ)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(jì) 70 年代，才有人 12 首次提出將超導(dǎo)磁儲(chǔ)能作為一種一種儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng) [25]。 超導(dǎo)磁儲(chǔ)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(chǔ)能裝置 [26]。 SMES 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負(fù)荷均衡、動(dòng)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。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(duì)儲(chǔ)能線圈進(jìn)行充放電 [27]。 和其他的儲(chǔ)能技術(shù)相比，目前 SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。已有的研究結(jié)果表明，對(duì)輸配電應(yīng)用而言，微型（﹤h） SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟(jì)。 將超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（ Superconducting Magic Energy Storage， SMES）用于風(fēng)電系統(tǒng)，配以恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，從而改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出穩(wěn)定問(wèn)題和與電網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)化配合的問(wèn)題，是一種理想的提高風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的手段 [28]。 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(chǔ)能體系包括超導(dǎo)線圈、低溫容器和制冷裝置。冷卻裝置保證了超導(dǎo)線圈的工作環(huán)境。 13 變 壓 器變 換 器 超 導(dǎo) 線 圈無(wú) 功補(bǔ) 償門 極 觸 發(fā) 電 路線 圈 保 護(hù)控 制 器冷 卻 裝 置控 制 信 號(hào) 去 或 來(lái) 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(chǔ)能裝置的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)如圖 。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)， SMES處于限制狀態(tài)，風(fēng)電場(chǎng)輸入的機(jī)械功率與輸出的電功率相等，處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。此時(shí)，通 過(guò) SMES對(duì)功率的 “吞吐 ”作用（利用 SMES快速響應(yīng)和高儲(chǔ)能密度特點(diǎn)），使風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率達(dá)到平衡 [29]。將 SMES用于風(fēng)電系統(tǒng)，可以提高風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性，平滑功率輸出，降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊利用 SMES對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，從本質(zhì)上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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(wú)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(biāo)的多個(gè)控制器及其協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)組成 [30]?？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。以下研究風(fēng)電場(chǎng)中的控制策略和控制 信號(hào)的選取。 電 壓 穩(wěn) 定 控 制阻 尼 功 率 震 蕩秒 級(jí) 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(jí)電容器儲(chǔ)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。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(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，容值范圍可達(dá) 1～ 5000F，并且在使用時(shí)可以通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)以提高耐壓和容量 [31]。其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、免維護(hù)、綠色環(huán)保。在充放電時(shí)，電池具有較穩(wěn)定的輸出電壓，而超級(jí)電容器的輸出電壓隨電能容量減少而下降，必須通過(guò) DC/DC 轉(zhuǎn)換才能變成恒電壓輸出。 () 所以通過(guò)測(cè)量的電壓很容易計(jì)算超級(jí)電容器的存儲(chǔ)能量。 獨(dú)立供電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池板、超級(jí)電容和控制器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 38所示 [32]。 太陽(yáng)能電池板電 流 傳 感 器 D C / D C 變 換 器 穩(wěn) 壓 器 2直 流負(fù) 載場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電流傳感器超級(jí)電容組穩(wěn) 壓 器 1M C UC 8 0 5 1 F 3 2 0場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)DQ 1Q 2Q 3K 1K 2R 1R 2C 1C 2 圖 38 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 超級(jí)電容組的充放電設(shè)計(jì)總體思路是：利用 C8051F320的捕捉 /比較模塊產(chǎn)生PWM調(diào)節(jié)充電電流以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，以最大效率對(duì)超級(jí)電容組充電；控制MCU的 I/O口線，實(shí)現(xiàn)放電裝置的 通斷，以保證系統(tǒng)供電 [33]。為使系統(tǒng)在控制器關(guān)斷后能重新工作，設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān) K K2作為充電電路和控制器的接通開(kāi) 16 關(guān)。本設(shè)計(jì)是采用 C8051F320控制器完成了在太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)時(shí)的信號(hào)采集，最大效率地完成了超級(jí)電容的充電，并設(shè)置電壓門限， 保證了系統(tǒng)安全供電。 壓縮空氣儲(chǔ)能（ Compressed Air Energy Storage, CAES） 壓縮空氣儲(chǔ)能不是像電池儲(chǔ)能那樣的簡(jiǎn)單儲(chǔ)能系統(tǒng)，它是一種調(diào)峰用燃?xì)饧鞍l(fā)電廠，對(duì)于同樣的電力輸出，它所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少 40%。壓 縮空氣常常儲(chǔ)存在合適的地下礦井或者熔巖下的洞穴中。 第一個(gè)投入商用運(yùn)行的 CAES 是 1978 年建于德國(guó) Hundorf 的一臺(tái) 290MW機(jī)組。第三臺(tái)商業(yè)運(yùn)行 CAES，也是目前世界上最大容量的 CAES,計(jì)劃建在Ohio 州的 Norton，整個(gè)電站裝機(jī)容量為 2700MW，共有 9 臺(tái)機(jī)組，壓縮空氣儲(chǔ)存在一 個(gè)現(xiàn)有的位于地下 2200ft 深的石灰石礦井里。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電，滿足系統(tǒng)調(diào)峰需要。其原理圖如圖 所示。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，壓比高達(dá) 70 倍以上， 最大溫度高達(dá) 1000K 以上，這對(duì)于存儲(chǔ)空間來(lái)說(shuō)是不可接受的，因此必須把進(jìn)入存儲(chǔ)空間之前的高壓、高溫氣體降溫，所釋放熱量可以被熱能存儲(chǔ)設(shè)備保存起來(lái)，在利用壓縮空氣發(fā)電時(shí)用來(lái)加熱壓縮空氣。實(shí)際過(guò)程與理想過(guò)程相比，主要有以下幾方面的差異：一是空氣在壓氣機(jī)中壓縮不是理想的等熵過(guò)程，它們與理想循環(huán)的差異分別用壓氣機(jī)效率來(lái)衡量；二是實(shí)際循環(huán)中工質(zhì)不再視為比熱不變的理想 氣體，其比熱將隨溫度和組分的變化而改變；三是在工作的過(guò)程中進(jìn)、排氣過(guò)程有壓損，儲(chǔ)氣室中有壓損。 18 T1TT0T32 = 41 = 5S 圖 CAES 的氣體 TS 圖 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景 6 月 29 日，美國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)公司 Sustain X 在其網(wǎng)站上發(fā)布消息，對(duì)外宣布又獲得兩項(xiàng)美國(guó)專利。這兩項(xiàng)專利 再次提高了該公司產(chǎn)品的技術(shù)性能和應(yīng)用范圍，使之向市場(chǎng)化又邁進(jìn)了一步。 據(jù) S