1.2　典型儲能技術(shù)

1.2.1　典型儲能技術(shù)的分類

能量存儲技術(shù)的發(fā)展隨著電力工業(yè)發(fā)展中的問題而發(fā)展，不能存儲電能本身，但可以通過將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、機(jī)械能或電磁能來存儲。不同的儲能方式可分為機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和電蓄熱儲能等，其中：機(jī)械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，電化學(xué)儲能主要包括鋰離子電池儲能、全釩液流電池儲能、鈉硫電池儲能等，電磁儲能主要包括超導(dǎo)儲能（SMES）、超級電容器儲能等，電蓄熱儲能主要包括顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學(xué)蓄熱等。電力系統(tǒng)儲能的具體應(yīng)用見表1-2。

由表1-2得到各種儲能技術(shù)的功率等級及額定功率下可放電時間，如圖1-8所示。

多種類型儲能技術(shù)特點(diǎn)不同，如儲能規(guī)模、儲存自耗散率、運(yùn)行周期、儲能循環(huán)效率等都存在差異性，具體如下：

（1）儲能規(guī)模。儲能規(guī)模指標(biāo)包括功率等級和持續(xù)放電時間/響應(yīng)時間，功率等級越高、放電時間越長，儲能系統(tǒng)的規(guī)模越大。根據(jù)各種類型電力儲能系統(tǒng)的功率和放電時間進(jìn)行比較，抽水儲能和壓縮空氣存儲適用于超過100MW的應(yīng)用，并且能夠持續(xù)提供日產(chǎn)量，可用于大規(guī)模能源管理，例如負(fù)載平衡、輸出功率斜坡及負(fù)載跟蹤等情況；液流電池、大型電池、燃料電池、太陽能電池及蓄熱適用于偏中等規(guī)模能量管理。

（2）運(yùn)行周期與能量自耗散率。兩者是儲能系統(tǒng)性能的具體體現(xiàn)指標(biāo)。運(yùn)行周期分為短期（小于1h）、中期（1h至1周）和長期（大于1周）。能量自耗散率等于儲能系統(tǒng)自身的能量消耗除以儲能總量，通過比較可知，壓縮空氣儲能、金屬-空氣電池、抽水蓄能、燃料電池、太陽能電池和液流電池等的自耗散率很小，因此均適合長時間儲存；鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、電蓄熱儲能等具有中等自放電率，儲存時間以不超過數(shù)十天為宜；超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能每天有較高的自充電比率，只能用在最多幾個小時的短循環(huán)周期。

（3）儲能循環(huán)效率。儲能循環(huán)效率是體現(xiàn)儲能系統(tǒng)技術(shù)性能最重要的指標(biāo)之一。儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率大致可以分為：①極高效率時，超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能和鋰離子電池的循環(huán)效率超過90%；②較高效率時，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池（鋰離子電池除外）、液流電池和傳統(tǒng)電容器的循環(huán)效率可以達(dá)到60%～90%；③低效率時，金屬-空氣電池、太陽能電池、電蓄熱儲能的效率低于60%。

基于熱力學(xué)第一定律的儲能循環(huán)效率的計(jì)算公式為

式（1-1）適用于能量以機(jī)械能或電磁能形式儲存的儲能系統(tǒng)。

1.2.2　典型儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.2.2.1　典型機(jī)械儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

抽水蓄能是機(jī)械儲能的典型代表，以抽水蓄能為代表介紹機(jī)械儲能技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)。抽水蓄能電站是一種特殊類型的水電站，它以一定量的水作為能量載體，通過能量轉(zhuǎn)換將水的重力勢能轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站是一種解決低負(fù)荷與峰值負(fù)荷之間供需矛盾的間接儲能方法。抽水蓄能電站可根據(jù)自然徑流條件或工廠單元的組成和功能、水庫的數(shù)量和位置、發(fā)電廠的形式、水頭的水位、單元的類型和規(guī)定進(jìn)行分類。抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、引水系統(tǒng)、車間、抽水蓄能機(jī)組等部分組成。抽水蓄能電站有抽水和發(fā)電兩種工況。可逆單元通常是雙機(jī)器單元，即水輪機(jī)和泵合并成機(jī)器單元，操作條件的變化取決于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向：當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低或水量充足時，下水庫中的水通過剩余電能被泵送到上水庫，并以勢能的形式儲存；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較高或水量較低時，上水庫中的水被釋放，驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電并將其送至電力系統(tǒng)，只要地理?xiàng)l件合適，抽水蓄能電站就可以建造相對較大的容量。抽水蓄能電站工作原理圖如圖1-9所示。

1.抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展歷程

歐洲最大的抽水蓄能電站是英國的Dinoring電站，建于1984年，是世界上第一個能夠在短時間內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行的抽水蓄能電站。Dinoring電站的年度經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，年利潤可保持在1億多英鎊。抽水蓄能電站在電網(wǎng)設(shè)備中占有很高的競爭地位，具有價格低、性能高的優(yōu)點(diǎn)。法國最大的抽水儲能電站是GrandMaison，建于1987年。它不僅可以調(diào)整法國電網(wǎng)系統(tǒng)的峰值負(fù)荷、填谷和儲備，而且可以與國外交換10%的電力，不僅可以穩(wěn)定法國的電網(wǎng)，而且可以實(shí)現(xiàn)國際交流。

美國地域遼闊，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，電力需求很大，因此對抽水蓄能電站的投入巨大。在已建成的眾多發(fā)電站中，有超過20個裝機(jī)容量大于20萬kW的抽水蓄能電站。1984年，美國最大的抽水蓄能電站正式投入運(yùn)營，即Bathcoanty電站，它使用起來非常靈活，不僅可以調(diào)峰填谷，還可以降低抽水成本，是美國電網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的一部分。

20世紀(jì)90年代以后，日本抽水蓄能電站的發(fā)展超過了美國。日本周邊海域?yàn)槌樗钅茈娬镜陌l(fā)展提供了強(qiáng)有力的條件。隨著日本電力需求的快速增長和科技的進(jìn)步，日本已建成大量抽水蓄能電站，抽水蓄能電站技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、管理和投資方面均位居世界第一。2016年，日本安裝了11個抽水儲能電站，裝機(jī)容量超過100萬kW。

與日本、美國、法國等發(fā)達(dá)國家相比，我國的抽水蓄能電站起步較晚，經(jīng)過多年的努力，我國的抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，趨向成熟，富有成效。截至2017年年底，我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量已居世界第一，在運(yùn)規(guī)模2849萬kW，在建規(guī)模3871萬kW，預(yù)計(jì)到2020年，運(yùn)行總?cè)萘繉⑦_(dá)4000萬kW。

由于利用火力進(jìn)行調(diào)峰不利于系統(tǒng)的節(jié)能和減排，在當(dāng)前新能源消納難的背景下，國內(nèi)外學(xué)者積極研究以抽水蓄能電站聯(lián)合風(fēng)電場協(xié)同調(diào)控，提高風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源的消納能力，減少棄風(fēng)、棄光率。在風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化的小型仿真系統(tǒng)中，日本學(xué)者對風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)與普通風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)可有效降低風(fēng)電場棄風(fēng)電量。

目前，我國對風(fēng)儲聯(lián)合優(yōu)化的研究尚處于起步階段，國外學(xué)者對此進(jìn)行了較為深入的研究。從電力系統(tǒng)規(guī)劃的角度，荷蘭學(xué)者對抽水蓄能電站和風(fēng)電場聯(lián)合運(yùn)行的裝機(jī)容量進(jìn)行了初步研究。通過優(yōu)化風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，確定了一定風(fēng)電裝機(jī)容量下抽水蓄能電站裝機(jī)容量的優(yōu)化方法。丹麥學(xué)者建立了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，優(yōu)化了抽水蓄能電站的裝機(jī)容量，最大限度地提高了風(fēng)電利用率，降低了單位電價的成本。歐洲國家提出了六種不同的風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行模式，并建立了相應(yīng)的運(yùn)行模式和經(jīng)濟(jì)評價，該模型利用抽水蓄能電站存儲多余的風(fēng)電，并在高峰負(fù)荷期開始抽水蓄能。

隨著電力工業(yè)改革的深入，電力工業(yè)逐漸進(jìn)入市場環(huán)境，風(fēng)電存儲系統(tǒng)已經(jīng)將越來越多的市場經(jīng)濟(jì)因素考慮在內(nèi)。在電力市場環(huán)境下，有學(xué)者建立了優(yōu)化模型，旨在優(yōu)化風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。該模型將綜合運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與兩個系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了比較，并考慮了峰谷價格差異和電網(wǎng)的傳輸限制，優(yōu)化了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，分析了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的電網(wǎng)穩(wěn)定性和風(fēng)電滲透率，以及潮流分布的改善效果和經(jīng)濟(jì)效益，建立了峰谷電價下風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效益評估模型。通過對風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的分析，指出峰谷價格差異可以用來提高組合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用

抽水蓄能裝置具有運(yùn)行速度快、響應(yīng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，既可以用作電源也可以用作負(fù)載。它在電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、改善電網(wǎng)運(yùn)行狀況和提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益方面的作用得到了充分驗(yàn)證，技術(shù)成熟可靠。

抽水蓄能電站不僅是在低谷時吸收電能的用戶（抽水條件），而且是在峰值負(fù)荷下提供電力的水電站（發(fā)電條件）。利用抽水蓄能電站的蓄電功能可以作為風(fēng)電的調(diào)節(jié)電源，可以充分發(fā)揮抽水蓄能和風(fēng)能之間的互補(bǔ)性，可以有效解決風(fēng)電運(yùn)行中的消納問題，減少電網(wǎng)連接難度、電力限制和市場難度等問題。

（1）調(diào)峰功能。在白天電網(wǎng)負(fù)荷高峰時，抽水蓄能電站存儲在上水庫的水驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，將電能快速輸送給電網(wǎng)，而抽水蓄能機(jī)組從停止到滿負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行一般僅需2min。另外相比于傳統(tǒng)煤電的單向調(diào)峰，抽水蓄能調(diào)峰是雙向調(diào)峰，就解決棄風(fēng)問題而言，其調(diào)峰彈性要遠(yuǎn)勝煤電。且煤電只能在其自身裝機(jī)能力范圍內(nèi)通過增減負(fù)荷來調(diào)峰，抽水蓄能電站卻可以吸收過剩風(fēng)電，調(diào)峰更具靈活性。

（2）填谷功能。在夜間的用電低谷，抽水蓄能電站借助多余電能，如火電站、核電站和風(fēng)電場產(chǎn)生的電能，將水抽送到上水庫儲存起來，等到負(fù)荷量比較大時再進(jìn)行發(fā)電。它具有啟動靈活、爬坡速度快的特點(diǎn)，能夠很好地緩解穩(wěn)定性和連續(xù)性差的風(fēng)電給電力系統(tǒng)帶來的不利影響。

（3）調(diào)頻功能。在設(shè)計(jì)上，抽水蓄能機(jī)組就考慮了迅速啟動和跟蹤負(fù)荷狀態(tài)的效果。一般的抽水蓄能機(jī)組從靜止到滿載所花的時間很短，調(diào)節(jié)出力的速度也非常快，達(dá)到10000kW/s，而且允許轉(zhuǎn)換的次數(shù)也很多。

1.2.2.2　典型電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

電化學(xué)儲能系統(tǒng)可以快速調(diào)節(jié)接入點(diǎn)的有功功率和無功功率，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電源質(zhì)量。當(dāng)容量足夠大時，它甚至可以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰。隨著大功率逆變技術(shù)的不斷成熟和電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電化學(xué)儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景越來越廣泛。

1.電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展歷程

目前，發(fā)達(dá)國家都把電化學(xué)儲能技術(shù)作為能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行支持，并取得相應(yīng)成果：由于政府政策支持和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的激勵，日本從20世紀(jì)70年代即開始投入大量人力和物力支持電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展；在歐洲，西班牙馬德里20世紀(jì)90年代后期建造了1MW/（4MW·h）的大型鉛酸電池儲能系統(tǒng)，德國Herne市建造了1.2MW/（1.2MW·h）的用于減少電網(wǎng)波動的鉛酸電池儲能電站；在美國，南加利福尼亞州于2009年8月建立了32MW·h的當(dāng)時世界上最大的鋰離子電站。

我國的儲能技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，2006年年底，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所成功研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大容量儲能用鈉硫單體電池；2010年，上海世博會上展示運(yùn)行了100kW/（800kW·h）的鈉硫電池儲能裝置，并建設(shè)了三個儲能示范電站（漕溪站、前衛(wèi)站、白銀站）；2011年6月，中國國際清潔能源博覽會上展示了新型能源發(fā)電儲能電站系列產(chǎn)品；2011年9月，南方電網(wǎng)整合比亞迪環(huán)保鐵電池技術(shù)在深圳龍崗建立了3MW×4h儲能電站，同時比亞迪同國家電網(wǎng)合作在河北省張北縣建成投產(chǎn)一座140MW的可再生能源電站，是集風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、智能輸電于一體的新能源綜合利用平臺。

電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展非常迅速，鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)是一種比較成熟的儲能系統(tǒng)，包括由鉛及其氧化物制成的電極和由硫酸溶液構(gòu)成的電解質(zhì)，鉛酸蓄電池商業(yè)應(yīng)用較為廣泛，例如德國柏林DEWAG電廠使用的8.5MW×1h儲能系統(tǒng)，以及西班牙馬德里Evidelderola技術(shù)示范中心的4MW×1h系統(tǒng)，PREPA在波多黎各采用的20MW×0.7h機(jī)組。目前最大的鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)是美國加利福尼亞州建造的10MW×4h系統(tǒng)，見表1-3。

硫化鈉電池具有高效率和大容量的特點(diǎn)，是一種新型有前途的大容量電能儲能電池，具有廣闊的發(fā)展前景。它的體積可以減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，便于運(yùn)輸、安裝和模塊化制造。其效率可達(dá)80%以上，循環(huán)壽命可超過6000次。在鈉硫電池的研究和應(yīng)用方面，日本的相關(guān)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

鋰離子電池對于電能的存儲取決于陰極和陽極材料中鋰離子的嵌入和脫嵌。鋰離子電池儲能技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，表1-4列出了國內(nèi)外鋰離子電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用情況。目前，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池儲能技術(shù)正成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。2008年，Altaimano開發(fā)出1MW鈦酸鋰電池系統(tǒng)；2010年，東芝使用鈦酸鋰作為負(fù)極材料來開發(fā)超級鋰電池并已成功商業(yè)化。

2.電化學(xué)儲能技術(shù)的應(yīng)用

隨著各種電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，儲能電池將應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個方面，如發(fā)電、輸電、配電、使用和調(diào)度等，改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用方式，有助于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向“互聯(lián)互通、智能化、互動性、靈活性、安全性和可行性”的新一代電力系統(tǒng)改造。

（1）發(fā)電側(cè)。鋰離子電池和液流電池將成為支持新能源大規(guī)模開發(fā)的重要儲能技術(shù)，推動新能源成為新一代電力系統(tǒng)的主要電源。截至2017年年底，國內(nèi)風(fēng)電和光伏并網(wǎng)容量已達(dá)2.93億kW，占全部裝機(jī)容量的17%。根據(jù)國家非化石能源發(fā)展目標(biāo)和碳減排目標(biāo)，減緩水電和核電裝機(jī)容量，截至2030年年底，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電總裝機(jī)容量應(yīng)至少達(dá)到8.8億kW，新能源作為主要電源將成為我國新一代電力系統(tǒng)的主要特征。為此，鋰離子電池和液流電池必須在短期大功率輸出和快速響應(yīng)性能方面取得進(jìn)一步突破，有效抑制大規(guī)模新能源發(fā)電輸出的波動，靈活跟蹤發(fā)電計(jì)劃的輸出曲線，實(shí)現(xiàn)新能源電廠的可衡量與可控。

（2）電網(wǎng)側(cè)。液流電池因其可作為大容量電網(wǎng)級儲能電站而備受青睞，可為電網(wǎng)提供各種輔助服務(wù)，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)度控制的靈活性和安全性。液流電池具有循環(huán)壽命長、容量大、響應(yīng)速度快、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)將取代目前投入運(yùn)行的鋰離子儲能電站，并在未來發(fā)展成10萬kW以上的電網(wǎng)級儲能電站。液流電池電網(wǎng)級儲能電站可提供多種輔助服務(wù)，如調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓。同時，圍繞大型能源基地、變電站、負(fù)荷中心、電網(wǎng)終端等領(lǐng)域建設(shè)大容量液流儲能電站，可以充分發(fā)揮儲能電站在促進(jìn)電力平衡中的重要作用。

（3）用戶側(cè)。鋰離子電池將成為推動分布式小型電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的主要技術(shù)，而新型電池可作為鋰離子電池的輔助應(yīng)用。未來，鋰離子電池技術(shù)將進(jìn)一步突破，能量密度將接近600W·h/kg，充電時間將縮短至30min，使用壽命將達(dá)到15年，滿足小型分布式儲能、移動電源的性能要求。新型電池可與鋰離子電池組合，實(shí)現(xiàn)電動汽車、家用分布式儲能等領(lǐng)域的融合應(yīng)用。在未來，可以選擇分布式光存儲系統(tǒng)以獨(dú)立地供電，以便為具有大潛力、電力需求小和對電網(wǎng)依賴性低的一些用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.2.3　典型電磁儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.電磁儲能技術(shù)的發(fā)展歷程

近幾年，超導(dǎo)儲能的研究一直是超導(dǎo)電力技術(shù)的熱點(diǎn)之一。超導(dǎo)儲能的概念在20世紀(jì)70年代一經(jīng)提出，其能量存儲能力便受到關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)儲能不僅可作為一種儲能裝置以平衡電力系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線，還可以作為一種可以參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制的有源和無功電源，通過積極參與電力系統(tǒng)的電力補(bǔ)償提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、輸電能力和電能質(zhì)量。

1969年，F(xiàn)errier提出了使用超導(dǎo)電感來存儲電能的概念。20世紀(jì)70年代早期，威斯康星大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)中心（USC）使用超導(dǎo)電感線圈和三相AC/DCGraetz橋電路來分析和研究Graetz橋在儲能單元和儲能單元之間相互作用中的作用。為了有效地抑制波動，電力系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用超導(dǎo)儲能。20世紀(jì)70年代中期，LASL和BPA（Bonneville電力管理局）聯(lián)合開發(fā)了30MJ/10MW超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，并將其安裝在華盛頓州塔科馬市，以解決從西北太平洋到南加州的雙回路500kV交流輸電線路的低頻振蕩問題。BPA電網(wǎng)為了提高輸電線路的輸電能力，采用30MJ超導(dǎo)儲能系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，超導(dǎo)儲能可以有效地解決BPA電網(wǎng)中從西北太平洋到南加州的雙回路500kV交流輸電線路的低頻振蕩問題。

1987年，美國核防御辦公室啟動了SMES-ETM計(jì)劃，開展了大容量（1～5GW·h）超導(dǎo)儲能的方案論證、工程設(shè)計(jì)和研究。到1993年年底，R.Bechtel團(tuán)隊(duì)建成了500MW/（1MW·h）的示范樣機(jī)，并將其安裝于加利福尼亞州布萊斯，可將南加利福尼亞輸電線路的負(fù)荷傳輸極限提高8%。

1999年，德國ACCEEL、AEG和DEW聯(lián)合開發(fā)了2MJ/800kW超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，以解決DEW實(shí)驗(yàn)室敏感負(fù)載供電質(zhì)量問題。日本九州電力公司已開發(fā)出30kJ和3.6MJ/1MW超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，日本中央電力公司、關(guān)西電力公司、國際超導(dǎo)研究中心也開展了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)研究工作。

中國科學(xué)院電氣工程研究所和中國科學(xué)院合肥分院等離子體物理研究所很早就開始研究超導(dǎo)磁體。在超導(dǎo)磁體分離、磁流體推進(jìn)、核磁共振甚至磁約束核聚變托卡馬克磁體方面做了大量工作。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，清華大學(xué)開發(fā)了3.45kJBi-2223中小型企業(yè)超導(dǎo)磁體和150kVA的低溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，并用它來提高實(shí)驗(yàn)室研究的電能質(zhì)量。2005年，華中科技大學(xué)開發(fā)出35kJ/7.5kW直冷HTS超導(dǎo)儲能系統(tǒng)原型，開發(fā)了基于超導(dǎo)儲能的限流器方案和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并于2006年啟動了1MJ/0.5MVA高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研究項(xiàng)目。

超級電容器的開發(fā)始于20世紀(jì)80年代。Helmholz于1879年發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)雙層界面的電容特性，并提出了雙層理論。1957年，貝克爾獲得了第一個高比表面積活性炭電化學(xué)電容器作為電極材料的專利（提出小型電化學(xué)電容器可用作儲能裝置）。1962年，標(biāo)準(zhǔn)石油公司生產(chǎn)了一種以活性炭作為電極材料和硫酸水溶液作為電解質(zhì)的6V型超級電容器。1979年，NEC開始為電動汽車的啟動系統(tǒng)生產(chǎn)超級電容器，并開始大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用電化學(xué)電容器，并由此提出了超級電容器的概念。幾乎同時，松下研究了使用活性炭作為電極材料和有機(jī)溶液作為電解質(zhì)的超級電容器。此后，隨著材料和關(guān)鍵技術(shù)的突破，超級電容器的質(zhì)量和性能穩(wěn)步提高，超級電容器已大規(guī)模工業(yè)化。

超級電容器的工業(yè)化始于20世紀(jì)80年代。20世紀(jì)90年代，Econd和ELIT推出了適用于大功率啟動應(yīng)用的電化學(xué)電容器。松下、NEC、愛普科斯、麥克斯韋、NESS等公司都非常積極地開展超級電容器研究。目前，美國、日本和俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，每個國家在產(chǎn)品性能和價格方面都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。自問世以來，超級電容器已被世界上許多國家廣泛接受，全球的需求快速擴(kuò)張，已成為化學(xué)電源領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。根據(jù)美國能源管理局的數(shù)據(jù)，超級電容器的市場容量從2007年的40億美元增加到2013年的120億美元。2013年我國超級電容器的市場容量達(dá)到31億元。

2.電磁儲能的應(yīng)用

電磁儲能主要是指利用電磁超導(dǎo)現(xiàn)象、超級電容器進(jìn)行能量的存儲和釋放的技術(shù)，主要包括超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能，性能對比見表1-5。

超導(dǎo)儲能是一種使用超導(dǎo)線圈直接存儲電磁能量并在需要時將其返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的電力設(shè)施。它通常由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、轉(zhuǎn)換器和測量與控制系統(tǒng)組成。

超導(dǎo)儲能可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰值和谷值（例如，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時存儲多余的能量，并在電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到峰值時將存儲的能量發(fā)送回電網(wǎng)）減少甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，以改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性。同時，它還可用于調(diào)節(jié)無功功率和功率因數(shù)，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超導(dǎo)儲能因其快速響應(yīng)特性而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。其主要功能是提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量。為提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)可以抑制電網(wǎng)的低頻振蕩，提高電網(wǎng)的輸電能力。此外，通過向電網(wǎng)提供有功和無功功率，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)可以防止由發(fā)電機(jī)故障或連接到電網(wǎng)的重負(fù)載引起的電壓降，從而穩(wěn)定電壓。提高供電質(zhì)量主要體現(xiàn)在：①提高FACTS設(shè)備的性能；②補(bǔ)償負(fù)載波動；③提高電網(wǎng)的對稱性；④作為備用電源；⑤保護(hù)重要負(fù)荷。

超級電容器具有高功率密度和快速充放電的特點(diǎn)，特別適用于脈動功率操作和快速響應(yīng)。超級電容器還可以與蓄電池混合使用，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，大大擴(kuò)展應(yīng)用范圍，提高經(jīng)濟(jì)性。

超級電容器在電動汽車領(lǐng)域備受矚目，并逐漸擴(kuò)展到低功率電子設(shè)備、消費(fèi)電子和軍事領(lǐng)域。超級電容器還廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，如電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電并網(wǎng)，以及大規(guī)模儲能等場合。超級電容器可有效調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，緩解電壓驟降、跳變和失真，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓動態(tài)穩(wěn)定，確保系統(tǒng)波動時敏感負(fù)載的穩(wěn)定性，典型應(yīng)用是動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）。ABB開發(fā)的基于超級電容器的DVR已成功應(yīng)用于新加坡的4MW半導(dǎo)體工廠，可實(shí)現(xiàn)160ms的低電壓穿越。由中國科學(xué)院電氣工程研究所和無錫力豪科技有限公司共同開發(fā)的基于超級電容器的DVR可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償輸出，大大降低DVR的運(yùn)行成本。超級電容器儲能系統(tǒng)也可用于控制非線性輸出發(fā)電系統(tǒng)的有功功率波動，有效抑制直流側(cè)過電壓，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率支持，減少對電網(wǎng)的影響，提高故障后機(jī)組的穩(wěn)定性。因此，超級電容器可用于調(diào)節(jié)和控制風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出。2005年，美國加利福尼亞州為950kW風(fēng)力渦輪機(jī)建造了450kW超級電容器儲能系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)從機(jī)組到電網(wǎng)的電力傳輸波動。

超級電容器作為備用電源和直流電源可應(yīng)用于發(fā)電廠和變壓器/配電站中的控制、保護(hù)、信號和通信設(shè)備。例如，超級電容器開關(guān)裝置可克服電解電容器儲能硅整流器開關(guān)裝置的缺點(diǎn)，如容量有限、漏電流大、可靠性差等，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻繁操作，并可通過電路浮充快速充電。超級電容器還可以用作風(fēng)電機(jī)組和FTU的備用電源，以實(shí)現(xiàn)快速充電和放電。使用大容量超級電容器儲能元件的DVR設(shè)備甚至可以取代不間斷電源（UPS），作為電網(wǎng)中短期電壓中斷的補(bǔ)救措施。清華大學(xué)與漳州科華聯(lián)合開發(fā)的儲能超級電容器不間斷電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙輸出電壓的高精度控制，允許負(fù)載輸出100%不平衡，實(shí)現(xiàn)輸出電壓精度達(dá)2%。

超級電容器還可以應(yīng)用于大容量能量管理，例如調(diào)峰和大規(guī)模儲能。特別是超級電容/電池混合儲能由于投資少、運(yùn)行成本低，被認(rèn)為是未來儲能的發(fā)展方向。在混合儲能系統(tǒng)中，超級電容器充當(dāng)濾波器，可在負(fù)載短時突變和短路的情況下提供高功率接入，平滑電池的充電和放電電流，避免大電流對電池的影響，減少充放電循環(huán)，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。通過改進(jìn)算法和優(yōu)化容量，混合儲能系統(tǒng)還可以有效地降低投資和運(yùn)營成本。

1.2.2.4　典型電蓄熱儲能技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

1.典型電蓄熱技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展

大規(guī)模蓄熱技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代初。由于全球油價上漲，美國、法國、英國等發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)了嚴(yán)重的能源危機(jī)，從而意識到了能源合理化利用的緊迫性和重要性。因此，美國率先開展了電蓄熱技術(shù)研究，并開始在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究和開發(fā)。

我國電蓄熱裝置主要分布在電力系統(tǒng)和電力充足的地區(qū)。近年來，由于水電和核電的快速崛起，以及煤炭、石油等傳統(tǒng)能源價格的上漲，電熱蓄熱裝置在市場上具有很強(qiáng)的競爭力。隨著電力峰谷之間的差距逐年擴(kuò)大，為了進(jìn)一步改善生活環(huán)境，國家電力部門已經(jīng)出臺了各種優(yōu)惠政策，將電蓄熱裝置轉(zhuǎn)變?yōu)楦玫墓┡问剑@是提高能源效率和保護(hù)環(huán)境的重要手段。

2.典型電蓄熱鍋爐的應(yīng)用

電蓄熱儲能技術(shù)主要包括顯熱儲能（油、液態(tài)金屬、固體非金屬類等）、相變潛熱儲能（有機(jī)材料、無機(jī)鹽等）、水蒸氣蓄熱、吸附蓄熱、熱化學(xué)蓄熱等。從對比上看，顯熱儲能容易做到大容量，且儲能周期長，技術(shù)成熟度高。在高溫500℃以上的，儲能周期達(dá)到1d以上的電蓄熱儲能方式只有熔鹽類、熱化學(xué)類儲能。水蒸氣蓄熱雖也可做到大容量，儲能周期也較長，但需要熱水溫度達(dá)到120～300℃，且占地面積龐大。熱化學(xué)蓄熱在可行性上可以滿足大容量、長周期儲能的需求，但是目前正在研發(fā)過程中，沒有商業(yè)化應(yīng)用。

電蓄熱儲能的典型代表為電極水蓄熱鍋爐系統(tǒng)，主要由電極鍋爐、儲水罐、循環(huán)水泵、恒壓供水設(shè)備、換熱器等設(shè)備組成。其工作過程是將電能轉(zhuǎn)換為熱能，并將熱能轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中，介質(zhì)（水）從低溫加熱至高溫，然后通過循環(huán)水泵送至供熱用戶，釋放能量，之后介質(zhì)（水）從高溫下降到低溫，進(jìn)入電極鍋爐，并保持熱平衡往復(fù)運(yùn)動。

電極水蓄熱鍋爐系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

（1）電極水蓄熱鍋爐效率高達(dá)99.8%，加熱速度快。

（2）10kV高壓電直接供電，可減少變壓器的初投資。

（3）可根據(jù)用戶負(fù)荷變化自動實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。

（4）蓄熱模式可儲能高壓熱水，但熱水罐的體積龐大，熱散失率高。

電極水蓄熱鍋爐通常配備有兩個電極板。將電極板浸入水中并通電后，可利用水電阻發(fā)熱將水轉(zhuǎn)化為高溫水，高溫水可以通過鍋爐的外部熱交換器儲存，也可以直接用于加熱用戶。電極水蓄熱鍋爐利用水的電導(dǎo)直接加熱，因此所有的電能都轉(zhuǎn)化為熱能，這與傳統(tǒng)的鍋爐不同。通過調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)水位，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)運(yùn)行負(fù)荷的效果。當(dāng)鍋爐缺水時，電極板之間的電流通道自然切斷，高壓電極鍋爐通過調(diào)節(jié)電阻相應(yīng)地調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，與傳統(tǒng)鍋爐相比，電極水蓄熱鍋爐系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍更廣，其結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。

電極水蓄熱鍋爐可分為噴射式和浸沒式兩種。具體如下：

（1）噴射式電極水蓄熱鍋爐通過將爐水直接噴射到電極上進(jìn)行加熱。交流電流從相電極流出，使用水作為導(dǎo)體，通過中性點(diǎn)流向另一相電極。由于水具有電阻，電流可直接在水中產(chǎn)生熱量。噴射式電極水蓄熱鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。

根據(jù)中央水室承壓方式的不同，噴射式電極水蓄熱鍋爐分為承壓和不承壓兩種類型，其中承壓型的射流遠(yuǎn)且水流形狀不變，可保護(hù)鍋爐不受電弧放電損傷、出力控制范圍更廣，具體的結(jié)構(gòu)對比如圖1-12所示。

（2）浸沒式電極水蓄熱鍋爐采用電極直接浸沒入爐水的方式加熱，通過電極加熱爐水、爐內(nèi)水循環(huán)、爐外給水3個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1-13所示。

這兩種電極水蓄熱鍋爐型式具有不同的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，噴射式電極水蓄熱鍋爐利用水的電阻特性加熱，電能轉(zhuǎn)化熱能的效率高達(dá)100%；浸沒式電極水蓄熱鍋爐對水質(zhì)要求較高，電極浸泡于爐水中，使用壽命比噴射式電極水蓄熱鍋爐短。

3.電蓄熱儲能技術(shù)的應(yīng)用

熱電廠通過安裝電蓄熱設(shè)施來解決“以熱定電”的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模調(diào)峰。熱電廠配置電蓄熱系統(tǒng)示意如圖1-14所示。在此方案下，參與調(diào)峰的熱電廠的運(yùn)行機(jī)制為：①在低谷期間蓄熱，并在此期間減少（甚至關(guān)閉）電力輸出，參與調(diào)峰；②用電高峰時，需要配備備用鍋爐，以確保在正常供暖的情況下火電機(jī)組的供熱能力充足。分析表明，通過配置蓄熱可以實(shí)現(xiàn)電-熱解耦，提升系統(tǒng)調(diào)峰能力，增加新能源并網(wǎng)空間。

通過分配蓄熱量來參與調(diào)峰，可以保證熱電廠的熱負(fù)荷要求，同時在低負(fù)荷期間可以降低功率輸出。通過靈活操作，可以提高機(jī)組的調(diào)峰能力，并可以為新能源并網(wǎng)提供額外空間。蓄熱可以很好地抑制熱負(fù)荷峰值期間的熱負(fù)荷波動，減輕熱負(fù)荷的壓力，避免使用昂貴的熱源，如尖峰鍋爐；也可以在低熱負(fù)荷期間儲存多余的熱量，以避免加熱電源的關(guān)閉。

熱電機(jī)組的工作原理和蓄熱器的配置方案可以改變熱電機(jī)組的運(yùn)行特性，通過配置蓄熱實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行，增加電力輸出的可調(diào)范圍，為新能源并網(wǎng)提供空間，將帶有蓄熱的熱電機(jī)組納入當(dāng)前的電力調(diào)度系統(tǒng)，可以形成電力和熱力綜合調(diào)度系統(tǒng)，提高系統(tǒng)對新能源的接受程度。

通過使用蓄熱可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)和蓄熱器的組合運(yùn)行。根據(jù)功耗，一天的電力負(fù)荷期可分為高峰期（16：00—21：00）、低谷期（23：00—5：00）和平峰期（其他時間）。汽輪機(jī)與蓄熱器配合供熱原理示意如圖1-15所示。

圖1-15中，在一天的電力負(fù)荷平峰期，通過增加汽輪機(jī)供熱量可以使蓄熱器蓄熱，然后通過在蓄熱器中釋放熱量來減少汽輪機(jī)的熱量供應(yīng)。夜間電力負(fù)荷低，具體的組合操作策略取決于蓄熱器的最大存儲和釋放能力。如果蓄熱器在電負(fù)荷平峰期可以存儲足夠的熱量，則可以根據(jù)電負(fù)荷的低谷期的特定峰值需求來減小功率輸出。蓄熱器的補(bǔ)償加熱可以在電負(fù)荷的高峰期釋放多余的熱量。如果蓄熱器的蓄熱能力不足，可以在平峰期和高峰期（平峰期在高峰期之前）一起儲存，然后滿足低谷期的調(diào)峰需求。

當(dāng)采用蓄熱方案時，熱電機(jī)組可以在低谷期降低其最小功率輸出，由于此時正是新能源發(fā)電中風(fēng)力發(fā)電高峰期，可以增加風(fēng)電的消納。采用蓄熱方案前后系統(tǒng)消納風(fēng)電空間變化示意如圖1-16所示。

考慮到限電負(fù)荷的不穩(wěn)定性和供暖用戶對穩(wěn)定熱源的需求，應(yīng)選擇具有足夠容量的蓄熱裝置，以確保在提升風(fēng)電場功率限制期間穩(wěn)定的熱源輸出。因此，風(fēng)電供暖方式一般包括大容量蓄熱裝置、配電裝置、加熱管道等部件，大容量蓄熱的電熱結(jié)合系統(tǒng)是棄風(fēng)供暖加熱的有效形式之一。

（1）電-熱聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)峰。當(dāng)在電-熱聯(lián)合系統(tǒng)中考慮能量存儲時，存儲能量輸入和輸出的形式不一定都是電能。在廣義能量存儲（熱存儲/冷卻）中，輸入是電能，輸出是終端消耗所需的熱能，技術(shù)更簡單，更容易滿足大容量、高可靠性和低價格的大規(guī)模新能源消納的要求。成熟的水、耐火磚等介質(zhì)的顯熱蓄熱和相變蓄熱的儲能效率很高，在大容量蓄熱中廣泛應(yīng)用，電-熱聯(lián)合系統(tǒng)可以通過更簡單、更經(jīng)濟(jì)的方式解決我國能源發(fā)展中新能源發(fā)電效率及能源消納提升的關(guān)鍵問題，其機(jī)理如圖1-17所示。

（2）棄風(fēng)電蓄熱供熱調(diào)峰。電網(wǎng)峰值負(fù)荷調(diào)節(jié)能力不足是制約風(fēng)電消納的重要因素，儲能是緩解風(fēng)電熱儲存問題的有效措施。與飛輪儲能、鋰電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能等儲能方式相比，電蓄熱儲能在功率和容量方面具有更大的經(jīng)濟(jì)效益，成本為300～1000美元/kW，30～100美元/（kW·h）。因此，如果以熱能的形式使用能量，則熱量儲存是最佳選擇。

我國政府在北方推廣應(yīng)用電蓄熱技術(shù)并開展了項(xiàng)目試點(diǎn)，一些歐洲國家也開展了相應(yīng)的研究。從電網(wǎng)年度棄風(fēng)規(guī)律及電網(wǎng)蓄熱運(yùn)行特性可以看出，由于峰值負(fù)荷調(diào)節(jié)能力不足，低谷期，風(fēng)電與電蓄熱用電規(guī)律是相匹配的，導(dǎo)致棄風(fēng)嚴(yán)重，如何將電蓄熱供熱應(yīng)用于棄風(fēng)消納成為研究的重點(diǎn)，棄風(fēng)用于電蓄熱-供熱電量匹配如圖1-18所示，省級電網(wǎng)的電力負(fù)荷由省內(nèi)發(fā)電①提供，在發(fā)電①側(cè)，由于調(diào)峰能力不足，棄風(fēng)將在③和④產(chǎn)生，可間斷的電蓄熱用戶⑤切斷連續(xù)加熱電源，結(jié)合分時電價，合理利用風(fēng)能。

在蓄熱式電采暖端設(shè)置了一種新型的蓄熱設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，運(yùn)行安全水平高，投資成本低，并且在整個過程中平移了負(fù)荷高峰時期。按負(fù)荷運(yùn)行方式調(diào)節(jié)熱量的釋放，建立了一個可調(diào)度、靈活的蓄熱裝置，可以改善電網(wǎng)接受間歇電熱輸入，是一種連續(xù)輸出的新型儲能裝置。在省級電網(wǎng)調(diào)度端建立聯(lián)合熱電調(diào)度控制平臺，在調(diào)度和蓄熱之間建立信息交互網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息交互。在非高峰電力負(fù)荷，無風(fēng)電接納能力的情況下，需要控制風(fēng)電輸出，由調(diào)度端向蓄熱站提供蓄熱的信息，在很大程度上保證蓄熱來自棄風(fēng)電量，考慮到蓄熱設(shè)備的熱效率和電網(wǎng)風(fēng)電棄風(fēng)頻率，蓄熱設(shè)備滿負(fù)荷儲存的熱量應(yīng)保證連續(xù)供暖需求1.5～2d，具體的電蓄熱示范工程示意圖如圖1-19所示。

電熱-相變蓄熱系統(tǒng)使用10kV高壓電直接加熱蓄熱體內(nèi)的相變蓄熱材料，加熱功率30MW，蓄熱容量120MW·h，使用空氣作為導(dǎo)熱交換介質(zhì)，同時利用循環(huán)風(fēng)機(jī)控制換熱系統(tǒng)的換熱，保證供熱出水口熱功率。整個系統(tǒng)占地面積約270m2（高度約4m）。蓄熱系統(tǒng)熱輸出功率為3.3MW，可供10萬m2區(qū)域供熱。