本科毕业论文-储能技术在电力系统中的应用研究.doc

毕业论文（设计）储能技术在电力系统中的应用研究系 别： 电气工程系 专 业：电气工程及其自动化摘 要储能技术是一项可能对未来电力系统发展及运行带来革命性变化的技术，必须立足长远从整个电力系统的角度来考虑，明确储能技术的发展定位，要全面分析储能技术应用对整个电力系统和社会带来的综合效益和价值。目前各类技术正处于快速发展阶段，应当采取鼓励多元发展的路线，加快各类技术的小规模试点和示范应用，通过实践检验、筛选出有前景的技术，在电力系统目前应重点加快在新能源发电和用户侧的试点应用。而且针对性的政策法规对储能技术的发展至关重要，应当积极研究储能相关的法规，清晰界定相关方面的责任义务，出台包括峰谷电价、投资补贴在内的激励机制。本文介绍了国内外各种储能技术的发展现状，并从电力系统安全高效运行的角度论述了电能储存技术的重要性。本文对抽水储能、蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、压缩空气储能、超级电容器储能等几种储能技术的原理和实现方法作了介绍，并对其在电力系统中的应用情况以及可实施性作了说明。关键词：储能技术，电力系统，安全，高效，稳定性AbstractEnergy storage technology is a possible future development and operation of power systems brought about revolutionary changes in technology, you must take a long-term perspective from the point of view of the entire power system, clear energy storage technology development, comprehensive analysis of energy storage technology for the entire power system and comprehensive benefit and value to the community.At present, all kinds of technology is in a stage of rapid development, should be taken to encourage pluralistic development of route, speed up all kinds of technical application of small scale pilot and demonstration, by practice, filtering out the promising technologies, in the power system should now be focused on speeding up the pilot application of new energy power generation and customer side. And targeted policies and regulations is essential to development of energy storage technologies, should actively study on energy-related regulations, clearly define the responsibilities, introduced, including peak-Valley electricity price subsidies, investment incentives.This article describes the development of various energy technologies at home and abroad, and from the angle of the safe and efficient operation of power systems discusses the importance of energy storage technology. Article on pumped-storage, battery storage, flywheel energy storage, superconducting magnetic energy storage, compressed air energy storage, super capacitor energy storage principle and realization method of energy storage technologies, such as made a presentation and its application in electric power system, and can be implemented as described.Keywords: Energy storage, Power system, Safety, High, Efficiency, StabilityIII目 录摘 要IIAbstractIII1 绪论1.1 课题背景11.2 课题研究的目的及意义11.3 国内外研究的现状12 基于储能技术的解决方案2.1能量存储技术的历史及发展前景42.2能量存储系统分布式储能系统53 储能技术的发展现状3.1抽水储能（Pumped Hydro Storage）63.2采用不同化学物质的先进蓄电池储能（Battery Storage）83.3飞轮储能（Flywheels Storage）93.4超导磁储能（Superconductive Magnetic Energy Storage, SMES）113.5超级电容器储能（Super Capacitor Storage, SCS）143.6 压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）163.6.1 压缩空气储能技术的应用前景183.6.2 压缩空气储能技术相比于其他储能技术在电力系统中的优势204 关于储能的热点研究问题235 总结语及展望24致 谢25参考文献26附 录281 绪论1.1 课题背景安全、优质、经济是对电力系统的基本要求。近年来，随着全球经济的发展对电力需求的增长和电力企业市场化革命的推行，电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化，一些新的矛盾日显突出，主要问题有:（1）系统装机容量难以满足峰值负荷的需求；（2）现有电网在输电能力方面落后于用户的需求；（3）复杂的大电网受到扰动后的安全稳定问题日益突出；（4）用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高；（5）电力企业市场化促使用户侧，需要能量管理技术的支持；（6）必须考虑环境保护和政府政策因素对电力系统发展的影响。2000年到2001年初，美国加州供电系统由于用电需求的增长超过电网的供电能力，出现了电力价格大范围波动以及多次停电事故；我国自2002年以来，已经连续十年出现多个省市拉闸限电的状况；在世界上的其他国家和地区，也不同程度地出现了电力短缺的现象1。系统供电能力，尤其是在输电能力和调峰发电方面的发展已经落后于用电需求的增长，估计这种状况还会在一段时间内长期存在，对电力系统的安全运行将带来潜在的威胁。1.2 课题研究的目的及意义加强电网建设（新建输电线路和常规发电厂），努力提高电网输送功率的能力，可以保证在满足系统安全稳定的前提下向用户可靠地输送电能。但是，由于经济、环境、技术以及政策等方面的制约，电网发展难以快速跟上用户负荷需求增长的步伐，同时电网在其规模化发展过程中不可避免地会在一段时间甚至长期存在结构上的不合理问题；另一方面，随着电力企业的重组，为了获取最大利益，企业通常首先选择的是尽可能提高设备利用率，而不是投资建设新的输电线路和发电厂2。因此，单靠上述常规手段难以在短时间内有效地扭转电力供需不平衡的状况。在现代电力系统中，用户对于电能质量和供电可靠性的要求越来越高。冲击过电压、电压凹陷、电压闪变与波动以及谐波电压畸变都不同程度地威胁着用电设备特别是敏感性负荷的正常运行。电力市场化的推行也促使电力供应商和用户一起共同寻求新的能量管理技术支持，以提高电网运行的安全性和经济性。1.3 国内外研究的现状长期以来，世界各国电力系统一直遵循着一种大电网、大机组的发展方向，按照集中输配电模式运行。在这种运行模式下，输电网相当于一个电能集中容器，系统中所有发电厂向该容器注入电能，用户通过配电网络从该容器中取用电能。对于这种集中是输配电模式，由于互联大系统中的电力负荷与区域交换功率的连续增长，远距离大容量输送电能不可避免，这在很大程度上增加电力系统运行的安全性。近日，国家电监会发布输配电成本监管暂行办法，其中针对电网企业输配电成本核算提出一系列监管措施。此举被认为是搁置多年的电网输配电分离改革进程重新进入融冰期的政策信号3。国务院2002年下发的电力体制改革方案（即“5号文”），定下了“厂网分开、主辅分离、输配分开、竞价上网”的电力体制改革的四大步骤。截至目前，厂网分开已完成，主辅分离也在今年实现实行突破。在此背景下，输配分离改革也渐渐进入决策者视野。分析指出，电网输配电成本厘清后，决策部门就可根据成本构成科学核定独立的输配电价，进而可依据市场原则理顺“煤电网”价格联动机制，这对于目前“久病难治”的煤电矛盾将起到实际疏导作用。长期以来，电网输配电成本的核算和支出一直是电网企业最“神秘”的领地之一4。而这也被认为是打破电网垄断的核心突破口，推行输配电分离改革，则成为实现这一突破的主要着力点。所谓输配分开，就是将输电和配电环节从资产、财务和人事上分拆，输电环节有电网管理，而售电环节则地方供电局改组为多个独立的法人实体，再辅之以购电的大户与电厂签订直供合同，把配电网的建设运行下放到地方。国家发改委价格司副司长刘振秋此前在媒体上撰文也指出，输配环节虽然形成国家电网和南方电网两大电网公司，但由于输配没有分开，实际上还是寡头垄断，配电环节竞争并没有形成，电网公司是一个绝对的垄断实体，合理合法地挡在供需双方之间，成为唯一的“总卖家”和“总买家”。电力用户没有选择权，基本上只能向一家垄断的电网公司买电，销售电价环节仍存在卖方垄断。电网企业既不需要为“拉闸限电”对用户进行赔偿，也不需要为电厂发不出电承担经济连带责任，缺乏真正市场竞争的动力。范必表示，从近期“电荒”现象背后暴露出的一系列问题来看，煤电价格关系理顺是一方面，但上网价格与销售电价之间关系的理顺也是关键所在。“近期电监会公布的大容量机组发电小时数与常规机组倒挂现象就直接说明，电网龙垄断导致的调度不合理问题也是电荒的罪魁之一5。而要打破这种垄断，必须从打破输配电一体化经营开始。”刘振秋也表示，在目前已取得实质性进展的主辅分离、主多分离基础上，应及早按成本加上收益办法核定电网企业输配电价，同时加强输配电成本监管，未来还要推进大用户直供试点，以各省级电网现行平均输配电费用为基础，分电压等级核定输配电价。目前，电力系统还缺乏高效的有功功率调节方法和设备，当前采用的主要方法是发电机容量备用（包括旋转备用和冷备用），这使得有功功率调控点很难完全按系统稳定和经济运行的要求布置。某些情况下，即使系统有充足的备用容量，如果电网发生故障导致输电能力下降，而备用机组又远离负荷中心，备用容量的电力就难以及时输送到负荷中心，无法保证系统的稳定性。因此，在传统电力系统中，当系统中出现故障或者大扰动时，同步发电机并不总是能够足够快地响应该扰动以保持系统功率平衡和稳定，这时只能依靠切负荷或者切除发电机来维持系统的稳定。但是，在大电网互联的模式下，局部的扰动可能会造成对整个电网稳定运行的极大冲击，严重时会发生系统连锁性故障甚至崩溃。美国和加拿大2003年8月14日发生的大停电事故就是一个惨痛的教训。如果具有有效的有功和无功控制手段，快速地平衡掉系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减少甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。中国电网发展至今，已进入了全国联网、西电东送的时代，迄今尚未发生像美、加“8.14”大停电那样的大事故。但是否不存在类似的危险？从中国电网的结构及其发展、现有的运行管理方式、继电保护与安全稳定控制等自动控制技术的水平等各方面因素看，中国电网是否足以防止发生类似的灾难性大停电事故？对于这些问题，迄今没人给出肯定性的回答，恐怕也难于给出肯定性的回答，但却迫使我们去寻找答案。2 基于储能技术的解决方案 2.1能量存储技术的历史及发展前景能量存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法。这种方法在早期的电力系统中已经有所应用，例如在19世纪后期纽约市的直流供电系统中，为了在夜间将发电机停下来，采用了铅酸蓄电池为路灯提供照明用电。随着电力技术的发展，抽水储能电站被用来进行电网调峰。抽水储能电站在夜晚或者周末等电网负荷较小的时间段，将下游水库的水抽到上游水库，在电网负荷峰值时段，利用上游水库中的水发电，补充峰值负荷的需求。在美国，抽水蓄能机组容量约占总装机容量的3%，而在日本则超过了10%。储能技术目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量。各种形式的储能电站可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时刻改为发电机方式运行，向电网输送电能，这种方式有助于减少系统输电网络的损耗，对负荷实施削峰填谷，从而获取经济效益。另一方面，和常规的发电机和燃气轮机相比，这种方式在成本方面具有很大的优势。它在电网低谷时使用电能，用电成本较低，不像柴油发电机或者燃气轮机那样需要消耗高成本的燃料。为了实现效益最大化，合理选择储能电站的位置非常重要。储能装置用于电力调峰，需要装置具有较大的储能容量。显然，容量越大，制造和控制越困难。但是，如果将储能装置用于系统稳定控制，就有可能采用小容量的储能，通过快速的电能存取，实现较大的功率调节，快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”，从而提高电力系统的运行稳定性，目前的研究包括频率控制、快速功率响应、黑启动等。将储能电站用于用户侧，可以提高电能质量，增强系统的供电可靠性。从技术上来说，现在已经可以利用储能装置为每一个用户（家用、商用或者工业用户）提供不间断的高质量供电电源，而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。储能电站工程通常都是有各自的投资企业全权负责运行管理。实际经验表明，这种电站的工程设计与制造、现场安装以及运行维护等费用都超过了预想值。因此，储能系统制造商转而寻求另外一种系统解决方案，即分布式储能（DES）系统。对于供电紧张的电力系统来说，分布式储能技术可望提供最佳的解决方案，这是因为：（1）分布式储能系统是模块化的，可以快速组装，现场安装费用低；（2）由于模块化的灵活性，当某一地区负荷需求增加时，采用分布式储能系统代替建设地区发电厂效果更好；（3）分布式储能系统不会增加电力系统在环境保护方面的压力，而且有助于减少主力电厂以及分布式发电设备的化石燃料消耗和废气排放；（4）分布式储能系统一般具有更高的能力转换效率以及更快的响应速度；（5）采用分布式储能系统可以提高现有发电和输配电设备的利用率和运行经济性；（6）大多数采用新技术的分布式储能系统都能很容易地实现多功能。2.2能量存储系统分布式储能系统分布式储能系统可以有以下三种方式可以帮助实现对用户可靠供电：（1）在关键时刻辅助供电或者传输电能；（2）将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻；（3）在强制停电或者供电中断的情况下向用户提供电能。从增强系统运行稳定性和提高电能质量的角度看，分布式储能具有更大优势，按照系统运行的要求来布置储能装置，可以得到更好的控制效果。表2.1总结了储能系统中的应用领域6。表2.1 储能系统在电力系统中的应用应用领域发电功能辅助供电功能输配电系统应用主要方式能量管理频率调节响应、旋转备用电源提高系统可靠性负荷调节冷备用电源、长期备用电源与再生能源结合峰值发电无功功率控制主要作用提高发电设备利用率，减少对系统总装机容量的要求降低辅助设备成本提高系统设备利用率，延缓新增投资3 储能技术的发展现状储能技术在包括电力系统在内的多个领域中具有广泛的用途，近年来世界范围内的电力工业重组给各种各样的储能技术带来了新的发展机遇，采用这些技术可以更好地实现电力系统的能力管理，尤其是在可再生能源和分布式发电领域，这种作用尤为明显，在传统的发电和输配电网络中，这些技术同样可以得到应用。以下简要介绍各种储能技术的基本原理及其发展现状。3.1抽水储能（Pumped Hydro Storage）抽水储能最早于19世纪90年代在意大利和瑞士得到应用，1933年出现了可逆机组（包括泵水轮机和电动机与发电机），现在出现了转速可调机组以提高能量的效率7。抽水蓄能电站可以按照任意容量建造，储存能量的释放时间可以从几个小时到几天，其效率在70%至85%之间。抽水储能是在电力系统中得到最为广泛应用的一种储能技术，其主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量8。目前，全世界共有超过90GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3%。限制抽水蓄能电站更为广泛应用的一个重要制约因素是建设工期长，工程投资较大。在负荷低谷时，发电厂的发电量可能超过了用户的需要，电力系统有剩余电能;而在负荷高峰时，又可能出现发电满足不了用户需要的情况10。建设抽水蓄能电站能够较好地解决这个问题。抽水蓄能电站有一个建在高处的上水库(上池)和一个建在电站下游的下池。抽水蓄能电站在应用时必须配备上、下游两个水库。在负荷低谷时段，抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。在负荷高峰时，抽水储能设备工作与发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。一些高坝水电站具有储水容量，可以将其用作抽水蓄能电站进行电力调度。利用矿井或者其他洞穴实现地下抽水储能在技术上也是可行的，海洋有时也可以当作下游水库用，1999年日本建成第一座利用海水的抽水蓄能电站(Yanbaru,30MW)。抽水蓄能电站的机组能起到作为一般水轮机的发电的作用和作为水泵将下池的水抽到上池的作用。在电力系统的低谷负荷时，抽水蓄能电站的机组作为水泵运行，在上池蓄水;在高峰负荷时，作为发电机组运行，利用上池的蓄水发电，送到电网。建设抽水蓄能电站的关键是选好站址11。一般要求上、下池之间的落差愈高愈好。大多在已有水库的地方寻找山头建设上池，以原有水库作为下池。也可选择已有水库附近的谷地建设下池，以原有水库作为上池。站址选对了可大量节约建设资金。抽水蓄能电站的关键设备是水泵、水轮、电动发电机组。初期的机组是水泵与水轮机分开的组合式水泵水轮机组。以后才发展为可逆水泵水轮机，把水泵与水轮机合为一台机器。正转是水轮机，反转即是水泵。电动发电机也是一台特殊的电机，受电时是电动机驱动水泵抽水，为上池放水;水泵变为水轮机时，电动发电机也就成为发电机12。抽水储能的基本原理框图如3.1所示。图3.1抽水储能的基本框图抽水蓄能电站除调峰、填谷之外，也可用作调频、调相和事故备用。抽水蓄能电站能提高电力系统高峰负荷时段的电力(功率)，但它抽水和发电都有损耗，俗称用4kwh换3kwh，即低谷时段如以4kWh的电量去抽水，换来高峰时段放水发电只有3kWh。抽水蓄能电站的效益除峰谷电价差之外，更重要的是改善了电网的供电质量，提高了火电机组，特别是核电机组的负荷率，降低了这些机组的发电成本。抽水储能在我国发展现状：截止2005年年底，我国抽水储能电站投产规模已达62.5万千瓦，约占全国总发电装机容量的1.2%。目前在建的抽水储能电站达1、座，在建规模1250万千瓦。其中国家电网公司经营区域内在建抽水储能项目达到1010万千瓦。国家电网公司规划2020年公司经营区域内抽水储能规模达到2692万千瓦。抽水储能电站有日本的新高濑川抽水蓄能电站、浙江省安吉县境内的天荒坪抽水蓄能电站等。抽水蓄能在世界范围应用较早，日、美、欧等国家和地区早在上世纪60-70年代就进人抽水蓄能建设的高峰期13。欧美等发达国家的抽水蓄能占系统总装机的比重一般在3% -10 % 之间，而我国抽水蓄能系统截止2009年底只占全国总装机容量的1.6 % ， 低于世界发达国家的水平。世界发达国家和中国的抽水蓄能装机容量及发展情况，见表3.1。中国的抽水蓄能发展起步较晚，发展历程曲折，但发展成绩巨大截止2010年底，我国抽水蓄能电站装机容量达17GW的抽水蓄能电站在我国电力系统中不仅发挥了调频、调相、削峰填谷、事故备用等作用，还为优化电源结构、减少线路投资等产生了巨大的经济效益。表3.1 2010 年全球抽水储能装机容量统计及2015年装机预测国家2010年装机容量2015年预计装机容量欧盟41GW50GW日本25GW26GW美国22GW22GW中国17GW30GW世界其他地区30GW60GW3.2采用不同化学物质的先进蓄电池储能（Battery Storage）蓄电池是电力电源系统中直流供电系统的重要组成部分，它作为直流供电电源，主要担负着为电力系统中二次系统负载提供安全、稳定、可靠的电力保障，确保继电保护、通信设备的正常运行14。据估计，全球每年对蓄电池15的市场需求大约为150亿美元，在工业用蓄电池方面，如：用于UPS、电能质量调节、备用电池等，其市场总量可达50亿美元。在美国、欧洲以及亚洲，正在组建生产电力系统储能用的高性能蓄电池企业。在过去的12至18个月里，已有生产能力达每年300MW的蓄电池生产线投入运行。铅酸电池是最古老、也是最成熟的蓄电池技术。它是一种低成本的通用储能技术，可用于电能质量调节和UPS等。然而，由于这种蓄电池寿命较短，因此限制了其在能量管理领域的应用。近年来，各种新型的蓄电池被相继开发成功，并在电力系统中得到应用。英国的Regenesys Technologies正在采用PSB(Polysulfide Bromide Flow Battery)电池建设一座15MW/120MWh的储能电站，其净效率约为75%。NaS电池具有较高的储能效率（约89%），同时还具有输出脉冲功率的能力，输出的脉冲可在30s内达到连续额定功率值的六倍，这一特性使NaS电池可以同时用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节两种目的，从而提高整体设备的经济性16。在日本，目前采用NaS电池技术的储能示范工程有30多处，总储能容量超过20MW，可用于8h的日负荷峰谷调节。全钒液流电池（VRB）是一种新型清洁能源存储装置，其研究始与20世纪80年代的澳大利亚新南威尔士大学。在美国、日本、澳大利亚等国家有应用验证，鉴于钒电池具有功率大、寿命长、可靠性高、操作和维修费用少、支持频繁大电流充放电等明显技术优势17。被认为是太阳能、风能发电装置配套储能设备、电动汽车供电、应急电源系统、电站储能调峰、再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统等领域的优先选择。由于全钒液流电池可以保持连续稳定、安全可靠的电力输出，用于风能、太阳能等可再生资源发电系统，解决其发电不连续、不稳定特性；用于电力系统，可调节用户端负载平衡，保证智能电网稳定运行；用于电动汽车充电站，可避免电动车大电流充电对电网造成冲击；用于高耗能企业，谷电峰用，可减低生产成本18。此外，它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站等。电池原理：VRB以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负电极反应活性物质。电池正负电极之间以离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室，通常情况下VRB正极活性电对为VO2+/VO2+，负极为V2+/V3+,电极上所发生的电池总反应如下：VO2+H2O+V3+ VO2+V2+2H+ (3.1)目前VRB相关研究已取得较大进展，但其真正实现商业化还需在高性能低成本专用离子交换膜、高稳定性高活性专用电极材料及电极制备等关键技术方面取得进一步的突破，并形成批量生成能力。另外，电池组及系统的集成度及优化设计也有待进一步提高。3.3飞轮储能（Flywheels Storage）飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来19。飞轮储能的特点：飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点。适用于电网调频和电能质量保障。80年代以来，新型复合材料碳素纤维的发展使得飞轮的周边线速度可以超过1000m/s，大大增加了飞轮的储能密度20。高温超导磁悬浮轴承技术的研究使得飞轮轴承的摩擦力大幅度减小，再配以空气抽真空技术，飞轮机组的效率可以达到80%以上，高于抽水蓄能电站21。现代电力电子技术的发展为解决飞轮电机的高速旋转驱动问题以及能量的转换和传递问题创造了条件。目前经济发达国家的研究机构已经研制了千瓦级高速飞轮储能系统模型，正在进行各种试验测试。我国在飞轮储能技术的研究起步较晚，在飞轮储能系统运行控制方面的研究也比较少。飞轮储能系统的原理如3.2所示，其中电能转换系统主要由逆变器A、逆变器B 和微控制器组成22。逆变器B负责将整流器输出侧的直流电能转换成电压和频率可变的三相交流电驱动异步电动/发电机；逆变器A负责将直流电能转换为频率50Hz、电压和相位分别可调的三相交流电，经变压器与电网相联。由80C196MC芯片等组成的微控制器实时监测电网的运行状态，连续不断地向逆变器A、B发出控制脉冲信号，协调控制飞轮储能系统的运行状态。图3.2 飞轮储能系统试验原理图飞轮储能系统的基本构成如图3.3所示，主要由四部分组成，分别为储存能量用的转子系统、支撑转子的轴承系统、异步电动发电机组和电能转换系统。在设计中，从现有条件出发，飞轮材料选用钢材，转速限制在10000r/min 以下。轴承采用永磁吸力和油浮轴承组成准磁浮混合轴承系统，飞轮重量的 90%被永磁铁的吸力卸载，从而减小了油浮轴承的摩擦力24。在电机的选择上，选择了三相笼式异步电机作为电动/发电机，这类电机不仅具有容量大和易于高速运行的优点，而且在控制其变速过程中不需要磁极位置检测器。三相异步电机和现代电力电子控制技术形成的电能转换系统相结合，可以工作在电动、发电和待机状态。图3.3 飞轮储能系统基本构成图飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动机也是发电机。在充电时,它作为电动机给飞轮加速;当放电时,它又作为发电机给外设供电,此时飞轮的转速不断下降;而当飞轮空闲运转时,整个装置则以最小损耗运行。 我国电力系统正在逐步实现全国联合大电网。根据国外的经验，这样的大型联合电力系统很容易发生弱阻尼低频机电振荡稳定问题，其振荡频率分布在0.2HZ2.5HZ之间，如果在系统振荡上没有合适的阻尼，振荡可能持续几分钟并发展直到系统解列。因此，研究电力系统稳定性问题，特别是小干扰稳定性问题是一个重大而迫切的课题。电力工程界多年的研究和实践表明在某些发电机的励磁系统上加装电力系统稳定器（PSS）是抑制低频振荡的一种经济有效的方法。其基本原理是采用适当的反馈信号，通过有效的相位补偿环节，产生与机组转子摇摆中的阻尼分量相位一致的阻尼转矩。如图3.4所示。图3.4 PSS的原理框图实践证明，PSS的使用，对电力系统中局部振荡模式的抑制非常有效。但是对于大型电力系统，存在非常复杂的振荡模式，有的振荡模式可能与局部振荡相差甚远。这些复杂的振荡模式有时会给传统的PSS的有效性带来不利影响，严重时甚至不能正常工作。PSS必须通过发电机励磁控制装置才能使用，其使用地点有时会受到限制，而且，PSS的参数整定与需要补偿的相位有关，而这常常是因系统而异的，这些缺点也会在一定程度上限制它的灵活使用。近年来利用飞能储能系统来抑制低频振荡受到研究者的广泛关注，利用飞能储能系统抑制低频振荡，提高小干扰稳定性，具有现实的意义。3.4超导磁储能（Superconductive Magnetic Energy Storage, SMES）尽管早在1911年人们就发现了超导现象，但直到20世纪70年代，才有人首次提出将超导磁储能作为一种一种储能技术应用于电力系统25。超导磁储能由于具有快速电磁响应特性和很高的储能效率（充放电效率超过95%），很快吸引了电力工业和军方的注意。超导磁储能装置（SMES）是将超导技术、电力电子技术、控制理论和能量管理技术相结合的一种新型储能装置26。在实时补偿系统中，由于各种原因会产生不平衡功率，SMES从这一新的角度出发考虑提高电力系统稳定性的问题。SMES在电力系统中的应用包括：负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、电压稳定、频率调整、输电能力提高以及电能质量改善等方面。SMES单元由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供的。功率变换调节系统将SMES单元与交流电力系统相连接，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电27。通常使用两种功率变换系统将储能线圈与交流电力系统相连：一种是电流源型变流器；另一种是电压源型变流器。和其他的储能技术相比，目前SMES仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。然而，如果将SMES线圈与现有的柔性交流输电装置（FACTS）相结合可以降低变流单元的费用，这部分费用一般在整个SMES成本中占最大份额。已有的研究结果表明，对输配电应用而言，微型（0.1MWh）和中型（0.1100MWh）SMES系统可能更为经济。使用高超导体可以降低储能系统对于低温和制冷条件要求，从而使SMES的成本进一步降低。将超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）用于风电系统，配以恰当的控制系统，可实现功率的双向流动，从而改善风力发电机的输出稳定问题和与电网并网优化配合的问题，是一种理想的提高风电系统动态性能和解决系统稳定性的手段28。因此，设计有效而恰当的控制系统对整个系统起着至关重要的作用，而其关键是如何合理地选择控制信号和相应的控制策略。SMES系统主要由超导磁体、功率变换装置和控制系统3部分组成，其中超导磁储能体系包括超导线圈、低温容器和制冷装置。图3.5给出SMES的结构框图，工作原理是：SMES系统预先在超导线圈中存储一定的能量（一般为最大存储磁能的25%-75%），当功率高于（或低于）基准功率（电网所要求的功率）时，控制器检测到信号并通过触发电路向变流器发出触发脉冲，使其工作于整流状态（或逆变状态），将多余的能量以磁能的形式存储在超导线圈中（或将超导线圈中的能量回馈到电网）。冷却装置保证了超导线圈的工作环境。失超保护针对失超时所引起的过热、高压放电和应力过载，对超导线圈进行保护。图3.5 SMES装置结构含有超导磁储能装置的风电场并网系统如图3.6所示。如果忽略各种损耗，风力发电机输入的机械功率将被转换成电功率，电功率经过变压器和输电线路后并到常规电网。当风速一定时，SMES处于限制状态，风电场输入的机械功率与输出的电功率相等，处于稳定的平衡状态。但在实际运行中，由于风速的随时性，引起风车输出机械功率的变化，从而导致风力发电机的输入与输出功率的不平衡。此时，通过SMES对功率的“吞吐”作用（利用SMES快速响应和高储能密度特点），使风电场的输出功率达到平衡29。从而改善风电系统的稳定性，降低风电系统成为常规电网大负荷的概率，为风电的并网提供可靠的理论依据。将SMES用于风电系统，可以提高风电场的稳定性，平滑功率输出，降低风电场对电网的冲击利用SMES对电力系统进行稳定控制，从本质上提高了电力系统的稳定性。图3.6 含SMES的风电场并网系统如图3.7所示，SMES的控制系统由上层控制和底层控制两部分组成。上层控制作为主控制器用于提供内环控制器所需要的有功功率和无功功率控制的参考值，它是由SMES 本身特性和系统要求决定的，由不同目标的多个控制器及其协调环节组成30。底层控制根据上层控制所提供的功率参考值（PSET、QSET），产生各相桥臂的触发脉冲序列，控制SMES与系统之间电流的大小和相位，完成对变换器的触发，实现了四象限运行。控制系统的任务是由系统提取信息，根据系统需要控制SMES 的功率输出。而控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效地实现控制目的。以下研究风电场中的控制策略和控制信号的选取。采用该控制策略的SMES不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性，而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的输出，降低风电波动对电网的冲击。图3.7 SEMS控制系统3.5超级电容器储能（Super Capacitor Storage, SCS）电容是电力系统中广泛应用的一种设备。超级电容器是一种高比能量的无源储能元件，主要是通过电极/电解质界面形成双电层中离子的吸附和脱附，来实现能量的储存与释放。即利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，大多数超级电容器可以做到法拉级，容值范围可达15000F，并且在使用时可以通过串联或者并联以提高耐压和容量31。超级电容的最大充放电性能是由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度决定的。其主要特点表现在：比功率高、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保。超级电容器作为能量储存器件具有与可充电电池不同的充放电特性。在充放电时，电池具有较稳定的输出电压，而超级电容器的输出电压随电能容量减少而下降，必须通过DC/DC 转换才能变成恒电压输出。超级电容器的存储能量与其输出电压的关系为： (3.2)所以通过测量的电压很容易计算超级电容器的存储能量。与传统蓄电池相比，超级电容对充/放电电流没有严格的限制，能更好地适应太阳电池发电能力波动范围较大的特点。独立供电系统由太阳电池板、超级电容和控制器组成。控制器通过对太阳电池板的电压及电流的采集，实现太阳电池最大功率点跟踪，最大效率地存储太阳能，并对超级电容和系统的安全进行管理；超级电容组作为储能设备，通过DC/DC电源芯片输出稳定的直流电压并为控制器本身供电。系统结构如图3-8所示32。设计主要为12V的直流负载供电，电流传感器选用MAX472，场效应管Q1、Q2、Q3选用IRF540，并由驱动芯片TC4427EPA驱动，稳压器U1、U2选用LM2576，DC/DC变换器选用MAX668。图3-8 系统结构图超级电容组的充放电设计总体思路是：利用C8051F320的捕捉/比较模块产生PWM调节充电电流以实现最大功率跟踪，以最大效率对超级电容组充电；控制MCU的I/O口线，实现放电装置的通断，以保证系统供电33。系统一方面通过场效应管Q1实现PWM，对超级电容最大程度地充电；另一方面为防止超级电容过充，特设置单片机内部预设电压U，由Q1执行对充电电路的通断。为使系统在控制器关断后能重新工作，设置手动开关K1、K2作为充电电路和控制器的接通开关。设计参数：超级电容组24V、175F，U=24V，Uref1=1.6 V，Uref2=1.5V，单晶硅太阳电池2W、18V。本设计是采用C8051F320控制器完成了在太阳能最大功率点时的信号采集，最大效率地完成了超级电容的充电，并设置电压门限，保证了系统安全供电。超级电容作为新生储能元件，凭其优势，更广应用领域的开发将使其具有更好的应用前景。3.6 压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）压缩空气储能不是像电池储能那样的简单储能系统，它是一种调峰用燃气及发电厂，对于同样的电力输出，它所消耗的燃气要比常规燃气轮机少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23进行空气的压缩，而CAES则可利用电网负荷低谷时的廉价电能预先压缩空气，然后根据需要释放储存的能量加上一些燃气进行发电。压缩空气常常储存在合适的地下矿井或者熔岩下的洞穴中。通过熔岩建造这样的洞穴大约需要一年半到两年的时间。第一个投入商用运行的CAES是1978年建于德国Hundorf的一台290MW机组。美国1991年在Alabama的Mclntosh建成了第二台商用CAES，机组功率为110MW，整个建设耗时30个月，耗资6500万美元，这台机组能够在14min之内并网。第三台商业运行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES,计划建在Ohio州的Norton，整个电站装机容量为2700MW，共有9台机组，压缩空气储存在一个现有的位于地下2200ft深的石灰石矿井里。压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。CAES电站工作原理：压气机、电动机、贮气室等组成的蓄能子系统中将电站低谷的低价电能通过压缩空气储存在岩穴、废弃矿井等储气室中，蓄能时通过联轴器将电动机/发电机和压气机耦合，与燃气轮机解耦合；电力系统峰荷时，利用压缩空气燃烧驱动燃气轮机发电，燃气轮机、燃烧室以及加热器等即发电子系统，发电时电动/发电机与燃气轮机耦合、与压气机解耦合34。其原理图如图3.9所示。图3.9 CAES电站工作原理图CAES蓄能热力过程中能量的转化：理想转化过程是压气机压缩空气蓄能过程当作绝热过程，空气当作理想气体，则此过程可逆，压缩过程中工质的熵值为常数不变，因此理想绝热压缩过程为等熵压缩过程。因为在实际应用中，压比高达70倍以上，最大温度高达1000K以上，这对于存储空间来说是不可接受的，因此必须把进入存储空间之前的高压、高温气体降温，所释放热量可以被热能存储设备保存起来，在利用压缩空气发电时用来加热压缩空气。气体在理想过程中的T-S图如图3.10所示，其中1-2为等熵压缩过程，2-3为等压冷却过程，冷却到贮气室温度，3-4为等压加热过程，4-5为等熵膨胀过程。实际过程与理想过程相比，主要有以下几方面的差异：一是空气在压气机中压缩不是理想的等熵过程，它们与理想循环的差异分别用压气机效率来衡量；二是实际循环中工质不再视为比热不变的理想气体，其比热将随温度和组分的变化而改变；三是在工作的过程中进、排气过程有压损，储气室中有压损。因此，整个系统的存储效率在65%左右，最高可到70%。图3.10 CAES的气体T-S图3.6.1 压缩空气储能技术的应用前景6月29日，美国压缩空气储能技术公司Sustain X在其网站上发布消息，对外宣布又获得两项美国专利。一项是通过它的恒温压缩空气储能系统收集废热重新发电，另一项是一套能保持储能系统内外能量恒定传动的控制系统。这两项专利再次提高了该公司产品的技术性能和应用范围，使之向市场化又迈进了一步。这家成立仅3年多的企业目前已经在压缩空气储能方面取得了6项专利，解决了很多制约技术推广的关键问题。据Sustain X公司副总裁、联合创始人Dax Kepshire介绍，若将Sustain X新专利储能系统配备到常规火电站，将使其兼具调峰电站的作用，并且比天然气调峰电站成本更低。这项新专利改进了Sustain X此前获得的恒温压缩空气储能技术专利。压缩空气储能的原理是空气压缩时储能，膨胀时发电。Sustain X恒温压缩空气储能技术从被压缩储存的空气中带走热量，然后将热量供给膨胀的空气。此次的新专利是将热量来源扩展到其他渠道，如常规发电站等。当常规火电厂安装这套系统后，多余的电力将转化为能量以压缩空气的方式储存，使得电厂的运行更为稳定、高效，从而减少排放和成本。当需要更大的电力输出时，如在用电高峰期，Sustain X系统就能够释放能量，同时收集低品位废热来提高发电量，从而实现削峰填谷。Kepshire表示，这项废热发电的专利为公司拓展了市场机遇，如今，它既可以应用于可再生能源项目，也可以帮助化石燃料发电厂更绿色的运行。另一项新专利是一个控制系统，可使Sustain X系统的水压动力传动系统保持在恒定的动力。此举可提高发电的经济效益，同时简化运行过程。传统的压缩空气储能通常需要将压缩空气储存在地下溶洞中。而苛刻的地理条件就成为限制其推广的主要因素。现代压缩空气储能技术的解决方法是用地面储气罐取代溶洞。Sustain X采用的也是这种方法。为了降低储气罐的尺寸和成本，Sustain X使用活塞而非涡轮机进行发电。活塞可以在更大的压力范围工作，并且由于空气可以压缩得更多，这种系统就可以储存更多的能量。活塞的使用也为Sustain X带来了更多创新的可能。就在不久前，今年3月，Sustain X刚刚获得了恒温压缩空气储能系统的专利。成为目前国际上开展这项技术研究最领先的企业。据技术评论杂志介绍，在传统系统中，需要燃料给冷的压缩空气加热使它膨胀，但另一方面压缩空气产生的热量又会散发到大气中。而Sustain X的恒温压缩空气专利技术大大降低了这种热损失。该技术采用喷水雾的办法吸收压缩过程中产生的热量，以热水的形式被储存，在膨胀过程中回喷进入气缸。该专利技术通过改变气缸内的温度、压力等条件，使得空气在整个过程中几乎保持恒温。据公司联合创始人Ben Bollinger介绍，该系统使能效从54提高到95，最重要的是不需要额外添加燃料。除了能大大降低运行成本，该方法使得很多油气资源不丰富的国家也能使用该技术。Sustain X由Dartmouth学院和赛尔工程学院的工程师们于2007年创立。在创立初期就获得了美国国家科学基金会小企业创新研究计划以及美国能源部储能计划的资金支持，后