储能技术在电气工程领域中的应用与展望

本文由tianye32866898贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。圜ｔ×０｛：Ｕｆｒ８ＩｏＦｌ＝！第２５卷第２期２００９年２月文章编号：６４３１２００—０１０１７—８４（０９）２００—８电网与清洁能源ＰｗｅｙｔｍｎｌａｅｇｏｒＳｓｅａｄＣｅｎＥｎｒｙＶ０－５Ｎｏ２ｌ２．Ｆｂ２０ｅ．０９中图分类号：Ｋ２Ｔ６Ｔ０；Ｍ０文献标志码：Ａ储能技术在电气工程领域中的应用与展望程时杰李刚，，孙海顺文劲宇，（．中科技大学电气与电子工程学院，１华武汉４０７；．电网有限公司，３０４２西北西安７０４）１０８ＡｐｐｌａｉｎａｄＰｒｓｃｆＥｎｒｙＳｏａｅｉＥｌｃｒｃｌｉｔｏｎｏｐｅｔｏｅｇｔｒｇｎｅｔｉａｃＥｎｇｎｅｒｎｉｅｉｇＣＮｈ－ｉ，Ｉａｇ，Ｕａ－ｈｎ，ＮＪ－ｕＨＥＧＳｉｊＬｎＳＮＨｉｓｕＷＥｉｙｅＧｎ（．ｏｅｅｏｌｃｃｌｎｌｔｎｃｎｉｅｒｇＨａｈｎｎｖｒｉｆｃｅｃｎｅｈｏｇ，ｈｎ４０７，ｈｎ；１ｌｇｆｅｔａａｄＥｅｒｉＥｇｎｅｎ，ｕｚｏｇＵｉｓｙｏＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｙＷｕａ３０４ＣｉａＣｌＥｒｉｃｏｉｅｔｏ２ＮｒｗｓＣｉａＧｉＣｍａｙＬｍｉｄＸ’ｎ７０４，ｈｎ）．ｏｈｅｔｈｒｏｐｎｉｔ，ｉａ１０８ＣｉｔｎｄｅａＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｅｆｔｒｅｄｎｒｉａｓｕｓｏｌｃｒａｈｕｅｔｎｓａｄｃｔｌｓｅｆｅｔｉｌｕｒｉｃｉｅｃｅｇｎｅｉｇａｅｄｓｕｓｄｉｈｓｐｐｒｉｃｏｄｎｅｗｉｈｎｉｅｒｒｉｃｓｅｎｔｉａｅｎａｃｒａｃｔｔｅｎｈａｔａｏｄｔｎｆｈｎ．ｉｇＥｅｇｔｒｇｅｉｖｄｔｅｃｕｌｎｉｏｓｏｉａＵｓｎｎｒｙｓａｅｉｂｌｅｏｂｃｉＣｏｓｅｐｏｐｅｔｙｆｒｓｌｉｕｃｓｕｓｒｓｃｉｗａｏｏｖｎｇｓｈｉｓｅ．Ｔｈｔｔ－ｆｒｆｅｒｙｖｅｅｓａｅｏ－ａｔｏｎｅｇｓｏａｅａｔｐｉａｉｎｓｉｌｃｒｃｌｇｎｅｒｎｇａｅｒｖｅｄｔｒｇｎｄｉａｐｌｃｔｓｏｎｅｅｔａｉｅｉｅｎｉｒｅｉｗｅ．ＴｈｅｅｅａｔｅｅｒｈｗｏｋｎｒｌｖｎｒｓａｃｒｉＨｕｚｏＵｎｖｒｉｙｆＳｉｎｅａｈｎｇｉｅｓｔｏｃｅｃａｃｏｏｅｂｒｅｙｉｔｏｃｄ．ｎｄＴｅｈｎｌｇａｒｉｆｎｒｄｕｅｙｌ题，是值得认真考虑的问题。１未来电气工程学科面临的新问题及储能技术的作用１１电力系统安全高效运行问题更加突出．ＫＥＹＯＲＤＳｅｅｇｔｒｇ；ｒｎｗａｌｎｒｙｒｓｕｃ；Ｗ：ｎｒｙｓｏａｅｅｅｂｅｅｅｇｅｏｒｅｅｅｔｉｐｏｒａｅｙ；ｍｉｒｇｄｓ；ｅｒｙｓｖｎｌｃｒｃｗｅｓｆｔｃｏｒｉｎｅｇａｉｇ；ｓｐｅｕｒ—ｃｎｄｃｉｉｙｏｕｔｖｔ现代电力系统正在向大机组、电网的方向发大展．持电网的稳定性对于电力系统的安全运行来保说变得越来越重要。随着电网规模的不断扩大，互联电网的稳定性问题将表现出许多与原有电力系摘要：结合我国实际情况，提出了未来电气工程学科所面临的各种新问题，述了储能技术在解决这些问题时所能发挥论的作用，讨论了目前几种常用储能技术的特点和现状，以及储能技术发展的热点问题。介绍了作者及华中科技大学在储能技术及其应用方面的研究成果。关键词：能技术；再生能源；安全；型电网；能；导储可电力微节超统不同的特点。中．种动态过程的强耦合性、其各系统运行条件的随机性、系统固有的非线性对系统稳定性的影响会更加突出。此外，大型互联电网稳特定性丧失带来的影响也越来越大。传统的电力系统稳定控制装置所通过的控制环节较多．制效果受系统运行状态变化的影响较控大。时难以达到满意的效果，且还缺乏使用的有并０引言电能的广泛应用被认为是２世纪人类最伟大０灵活性和难于在同一个控制装置中同时实现有功和无功功率协调控制的缺点。将储能技术应用于电力系统稳定控制．以实现一种更有效的电力系统可的成就之一。电能的应用已逐步深入到国民经济、Ｔ农业生产、民生活的各个方面。为人类社会人成稳定控制装置ｌ＿】。＿２电力生产过程是连续进行的，发一一用电输配一必须时刻基本保持平衡，电网中用户对电力的需而求在白天和黑夜、不同的季节之间存在较大的差别，这使得电力系统必须留有很大的备用容量，系赖以生存的物质基础。电力工业也成为国家最重要的基础产业之一。电气工程学科是在研究电能生产、输、用传应等相关科学的基础上发展起来的一门学科。２世纪１人类社会的发展将向电Ｔ学科提出什么样的新问统设备运行效率低。应用储能技术可以达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。目前抽水蓄能技术—譬蜀翟隧一》ｆ８Ｆｏｒ￣（１秘ｕＦ０２程时杰等：储能技术在电气工程领域中应用与展望的Ｖ１５ｏｏ２．Ｎ．２已经实用化，但是其应用必须具有合适的地理条件，电站往往远离负荷中心，因此具有一定的局限性ｌ３ｌ。电化学储能（电池储能）蓄可能是解决这一问题的更有效方法。１２可再生能源的规模化利用和分布式能源系统．的建立势在必行２７％。电能质量不仅对电网的安全经济运行有重．５要的意义，且有时质量的好坏还直接影响到用户而侧设备能否正常工作。储能技术可以为降低电网损耗和提高电能质量提供新技术措施Ｉ５ｌ。１４环境保护刻不容缓．大气污染是环境污染中一个非常重要的方面，由于交通和运载运输工具尾气排放引起的环境污煤炭、油等化石能源由于大量的使用日渐枯石竭，致全球范围内的能源危机，须寻求新的替导必代能源。风能、太阳能、海洋潮汐能、地热能等可再生能源的规模化利用可以为这一问题的解决提供条有效的途径。是这些能源普遍具有能量密度但一染问题越来越受到人们的重视。传统的交通运输工具使用燃烧化石燃料的热机作为其动力源，了减为少大量运载工具尾气排放带来的环境污染问题，提出了“色出行”绿的概念，运载工具的电力驱动就是在这种情况下提出来的［６１。低和平稳性差的特点，给可再生能源的规模化利这用带来一定的困难，需要寻求解决这一问题的方法。在这方面，何大幅度地提高蓄电池的储能密如度和实现蓄电池的快速充电是需要认真研究的问另一方面，统的集中式大电网供电方式难以传灵活应对灾难性事故的发生，因此，一事故引起单的连锁反应．容易导致局部事故在全系统范围的扩散，形成大面积的停电事故。国能源部吸取８１大美．４停电事故的惨痛教训，从保证国家安全的高度出发。对其未来电网制定了著名的“ｒ００计￣［Ｇｉ２３”ｌ１ｄＪ。４在这个计划中，仅确定了“不主干网（ａｋｏｅ＋Ｂｃｂｎ）区域电网（ｅｉｎｌＩｔｒｏｎｃｏ）微型电网（称Ｒｇｏａｎｅｃｎｅｔｎ＋ｉ也“网”微，Ｍｉｒｒｓ”ｃｏＧｉ）的未来美国电网基本构架，ｄ题。另外，能源系统的特性看，从热机的能量密度大于蓄电池，功率密度却小于通常的蓄电池，其如果将这两种动力源结合起来，其优势互补，可构使则成混合动力推进系统。在这样的系统中，能装置储如何提高充电效率、长放电时间、高输出比功延提率等都是未来交通运输和推进系统必需解决的关键技术问题。１国防建设需要高性能的武器装备。５国防现代化需要开发新概念武器装备，这类现代武器一般都要求通过某一独立电力系统为之提供高能量密度和灵活机动的动力保障。和大型电力系统相比，独立电力系统受重量和空间等因素的限制，电源容量有限，须根据负荷优先等级必还确定了建设未来电网所采用的新技术，超导电力、储能技术和电力电子技术是其中最重要的３项技术，日本、欧盟、拿大等也在积极开展这方面的加研究。特别是欧盟制定了“ｕｅＧｎ计划，核心也Ｓｐｒｅ”其是建立充分利用可再生能源的新型电网。更重要的是，将分布式发电与可再生能源利用相结合的微型电网可在一定程度上解决能源危机问题。但是由于“型电网”量相对较小，微容系统的正常运行容易受发电和用电双方随机变化因素的考虑能量的高效利用和分配问题。另一方面，新型高能量密度的武器装备，如电磁／电热炮、激光武器、功率微波武器、子束武器、高粒电磁脉冲弹等武器装备普遍具有小型化、轻型化和高功率脉冲（冲功率系统）特点，求电源系统在某一瞬脉的要时所能提供的负荷功率大大超过系统的额定容影响，系统的运行能力和供电质量难以得到保证，因此，必须研究可以提高这种电网运行水平和供电质量的方法。将大电网与分布式发电（ｉｒｕｅｅｅａｉｎＤｓｉｔｄＧｎｒｔ，ｔｂｏＤ相结合的新供电方式是一种灵活、效、Ｇ）高安全的量，同时还要保证系统的稳定性和供电质量。储能技术的应用是解决新型高能量密度武器装备问题和实现系统能量合理分配、高效利用的唯一有效途径。１６极端电磁物理条件的建立离不开储能技术的。支撑供电方式。储能技术将在其中发挥重要作用。１３节能降耗和电能质量优化任重道远．电力节能问题是关系到我国经济社会可持续发展的一个重大战略问题。２０年我国万元ＧＰ０６Ｄ能为了应对国家问的高科技竞争，我国正在建设和发展多项重大科学工程及重大科技基础设施建耗虽然下降了１３．％，但是万元ＧＰ３Ｄ电耗却上升了设项目，脉冲强磁场、如加速器、正负离子对撞机、＿ｘ黪０ｒ８｝０ｒ莲匿盈■第２卷５第２期电网与清洁能源０３磁约束核聚变、性约束核聚变点火工程等，些惯这复杂的电磁物理装置的运行都必须在极端的电磁条件下进行。脉冲功率技术能够提供极端电磁物理条件，在任何微小扰动引起的动态不平衡功率都会导致机组问的振荡：只要储能装置容量足够大而且响应而速度足够快，可以实现任何情况下系统功率的完就全平衡，是一种主动致稳电力系统的思想。由于这工业领域也具有广泛的应用前景，如等离子体应用、技术、械加工、核机材料处理、电磁推进、高速超碰撞力学等诸多领域。在形成极端电磁条件的过程中，电磁能量的高效存储与转换是其中关键问题。这种电力系统稳定控制装置不必和发电机的励磁系统共同作用，因此，以方便地使用在系统中对可于抑制振荡来说最有效的部位。同时，由于这种控制装置所产生的控制量可直接作用于导致系统振荡的源头。不平衡功率进行“确”对精的补偿，以可较少甚至不考虑系统运行状态变化对控制器控制效果的影响，因此，置的参数整定非常容易，制装控器对于系统运行状态变化的鲁棒性也非常好。图１给出了基于储能技术电力系统稳定控制装置的工作原理２储能技术在电气工程领域的两类典型应用本文中的储能技术是指。电能通过某种装置将转换成其他便于存储的能量高效存储起来，在需要时，以将所存储的能量方便地换成所需形式能量可的一种技术。它包括两个方面的内容，是高效大一容量存储能量的方法，二是快速高效的能量转换。传统电力系统遵循电能生产一传输一使用的模式运行，能技术的应用可以在这个系统中增加一储个具有“存储”电能的环节，使原来几乎完全“刚性”的系统变得“性”来，网运行的安全性、济柔起电经性、活性也会因此得到大幅度的提高。灵图１基于储能原理的互联电力系统稳定控制２２储能技术在脉冲功率系统中的应用．脉冲功率系统主要包含低功率能源、储能单元、关、形调制（缩与成形）元、开波压单负载五个部分；中，四部分为脉冲功率源。图２出了采用其前给脉冲功率技术实现时空压缩和功率放大的原理。尸在用户侧使用储能技术，以充分发挥电能的可许多优良特性，洁净、于收集、易高效地转换如便容成多种其他形式的能源等特性，现用传统能源系实统很难实现，至不能实现的功能。甚２１储能技术在大型互联电力系统稳定控制中的．应用储能技术的应用可以改变传统电力系统稳定控制的思维方式，助人们从一个新的角度认识电帮力系统的稳定性问题。寻求一种可能会彻底解决并电力系统稳定性的方法。传统的ＰＳＳ通过发电机附加励磁控制可以有效地抑制系统发生的局部振荡，是对于大型复杂互但联电力系统中出现的区域间多模式低频振荡问题．最有效控制点可能位于远离发电机组的某条输电线路上，Ｓ必须通过发电机组的励磁控制才能起ＰＳ图２脉冲功率技术实现时空压缩和功率放大脉冲功率源的发展趋势可以归纳为：输出功高作用，远离系统的最有效控制部位，常常难以达到满意的控制效果。储能技术的应用可以为这个问题的解决提供条非常简捷有效的途径。在传统的电力系统中，率、高储能密度、高功率密度、高重复频率和高可靠性。减小储能器件的体积和重量、提高输出功率对于脉冲功率系统意义重大。储能器件主要有三种类型．即静电储能（电容器储能）、性储能型和电型惯一—誓｛》尊趱嚣０鞭程时杰等：能技术在电气工程领域中的应用与展望储感储能型。为实现小型化高功率储能，要研究新需型的储能方式和技术，以及将不同储能方式相结合的技术，应用超级电容器