储能系统的功能和类型解析

电力系统运行的特点是任何时刻电力系统发电设备生产的电能等于负载实时消费和电力系统损耗的电能。电力系统的负载用电量是时变的，如果装机容量按未来一定时期的最大负载设置，则在很长时间中发电设备投资利用率会很低；若装机容量不按最大负载设置，则负载满载或负载随时间增长后将缺电。“缺电”的确切定义是：电力系统负载在指令参数下（如额定电压、频率、有功功率、无功功率）运行时，若发电设备、输配电线路不能提供指令参数要求（如额定电压、频率）的负载有功和无功，则称之为“缺电”。电力系统稳态运行时，如果有功不足（有功不平衡）则系统频率会下降，无功不足，则系统电压下降，电力系统电能质量下降，影响甚至危害电力系统安全、经济运行。此外，电力系统中并网的风力发电机和太阳能光伏电站的发电功率也都是时变的，影响着电力系统有功功率的平衡和稳定运行。电力系统遭受扰动后的暂态中，即使很短时间的功率不平衡也有可能危害电力系统的安全运行。如果电力系统有储能设备，在负载低谷期，发电机仍高效的全额定功率运行，将多余的电能存在储能系统，在负载高峰期发电机全功率高效运行，储能设备也参与发电，与发电机共同承担高峰负载供电，则发电机的装机容量适当的情况下，既能经济地发电（发电机额定功率运行时效率高），又能平衡高峰与低谷用电期的功率需求，还节省了装机容量的投资。另一方面即使引入了储能量不大的储能系统，在很短的时期里输出或吸收较大的功率，也能使电力系统在遭受扰动后的暂态期间，减少系统功率不平衡，确保电力系统的暂态稳定性。因此，在电力系统中增加一个具有能吸收和输出电能的储能环节，使原来发电-输配电-负载用电完全“刚性”的电力系统变成发电-输配电-负载用电“柔性化”电力系统，其安全、经济、高效、优质运行能力会得到显著提高。

在电力系统中可用作储能系统的有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超级电容器储能和超导线圈磁储能。

1）抽水储能。利用水位位能抽水储能发电的基本原理已在本章3.2节中介绍。图3-16中抽水储能电站中功率的双向流动由大功率AC/DC-DC/AC变换器的控制实现。目前全球总共有90GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3%。抽水储能的最大特点是储存能量很大，因此适合于电力系统调峰和用作备用电源的长时间储能和供能。

2）压缩空气储能。压缩空气储能常用于调峰用的燃气轮机发电机组。对于相同的发电功率，采用压缩空气的燃气轮机所消耗的燃气要比常规燃气轮机发电机少40%，这是因为常规燃气轮机在发电时大约需要消耗输入燃料的60%用于空气压缩，而带压缩空气的燃气轮机则可利用电网负荷低谷时的廉价电能预先将空气压缩，然后根据需要释放已压缩的空气动能（量），再加上一些燃气进行发电。压缩空气可储存在合适的地下矿井或熔岩下的洞穴中。这种压缩空气储能系统于1978年已有一台290MW机组在德国建成，另有一台829MW的机组美国GE公司正在兴建中。

3）飞轮储能。飞轮储能系统大都是由一个圆柱形高速旋转质量块和通过磁悬浮轴承支撑的机构组成。采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高系统的寿命。为了保证足够高的储能效率，飞轮系统应该运行于真空度较高的环境中，以减少风阻损耗。飞轮与电动机/发电机机组相连，通过电力电子变换器及控制系统调控飞轮转速，实现储能装置与电网之间的功率交换。储存在飞轮中的电能E为E=Jω²/2，式中J和ω分别是飞轮的转动惯量和转动机械角速度。(www.xing528.com)

飞轮储能的突出优点是几乎不需要运行维护，设备寿命长，具有优良的循环使用性能以及负载跟踪性能，适用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。

4）蓄电池储能。近年来新型蓄电池如液流电池、钠流电池、动力锂电池等相继被开发成功并在电力系统中得到应用。普通铅酸电池作为储能电源的不间断电电源设备（UPS）在电力系统中的应用已有几十年的运行历史了，只是由于铅酸电池的储能密度小，允许使用的充放电次数不很多，充放电效率不很高，电池的生产污染等问题而限制了其在大容量储能工况下的应用。

5）超级电容器储能。超级电容器（Super Capacitor）也称为化学电容器，或电化学双层电容器（Electric Double Layer Capacitor，EDLC）。与常规电容器相比，超级电容器具有更高的介电常数、更大的表面积或者更高的耐压能力。例如，陶瓷超级电容器具有相当高的耐压水平和绝缘强度，它具有优良的充放电性能和大容量储能性能。因其功率密度大、质量轻、无污染、可多次充放电，其存储的能量为E=CV²/2。现今高至数千法拉的电容量，瞬时放电可达数千安培，使用安全可靠，适用温度范围也很宽。超级电容器在电动汽车，混合燃料汽车，通信、国防装备和消费性电子产品中都已有应用。在电力系统中，在电压跌落和瞬态闪变期间，短时提供大功率和脉冲功率等应用领域都有巨大的应用价值和市场潜力。

6）超导磁储能。载流线圈所具有的磁能E=LI²/2。为了增大电感L的储能，必须制作庞大的线圈（L大）承载极大的电流I。常温下线圈的损耗I²R将使其储能效率很低而无实际使用价值。如果将载流线圈的温度降至接近绝对零度（-273℃），则其电阻很小而成为超导线圈，即使线圈的电流密度比常温下使用的电流密度高两个数量级，其功耗发热也很少。将超导线圈短接时由于R很小，电流也衰减很慢，储存的能量可长期保存。当电网负荷用电功率小于发电机额定容量时，发电机仍全额定功率（高效）运行，除承担负载供电外，剩余的发电功率经电力电子变换器变为直流电对超导线圈电感L_sc供电，使其电流I_sc增大，磁能E=L_scI²_sc/2增大，将电能变为磁能存储在超导线圈中。在电力系统高峰负荷期，发电机额定功率不足以承担全部负载功率时，控制电力电子变换器使超导线圈的磁能变为直流电能，再经变流器逆变为交流电返回电网，与发电机共同承担高峰负载。