简析储能技术的应用研究：作者：郑天一 （炘安为智能科技(天津)有限公司）
1、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。
2、储能技术特性
2.1 抽水储能
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。抽水储能的基本原理如图 1 所示：
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。
2.2 化学储能
电化学储能是通过电池所完成的能量储存、释放与管理过程。电化学储能应用场景包括电力系统中的发电侧、输配电测和用户侧以及由 5G基站建设带动的通信储能应用。电化学储能在电力系统领域的需求主要体现为对可再生能源的储能需求和提升电网调峰调频能力的需求。为促进能源产业优化升级，实现清洁低碳发展，近年来，我国大力发展清洁能源，风电、光伏实现跨越式大发展，新能源装机容量占比日益提高。然而，在清洁能源高速发展的同时，波动性、间歇式新能源的并网给电网从调控运行，安全控制等诸多方面带来了不利影响，极大地限制了清洁能源的有效利用。电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一，将随着新能源发电规模的日益增大以及电池储能技术的不断发展，成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。
2.3 飞轮储能技术
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。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，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。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。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。
飞轮储能系统的原理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。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。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。飞轮储能系统的原理如图 2 所示：
2.4 压缩空气储能
压缩空气蓄能指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。该技术具备有调峰功能，适合用于大规模风场（因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率）；占地面积小、容量大、成本低等优点。同时存在的缺点包括：需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有限；需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于用作能量管理、负荷调平和削峰；以往开发的是一种非绝热的压缩空气储能技术，空气在压缩时所释放的热，并没有储存起来，通过冷却消散了，而压缩的空气在进入透平前还需要再加热。因此全过程效率较低，通常低于 50%。压缩空气储能的原理框架如图 3 所示：
2.5 超导储能
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。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。它的原理是把能量储存在一个磁场中，这个磁场是由超导线圈产生的，能量几乎不产生损耗。不过，超导线圈的超导现象要在极低的温度下才能实现，而维持这样的低温状态需要非常昂贵的费用。SMES 系统主要由超导磁体、功率变换装置和控制系统三部分组成，其中超导磁储能体系包括超导线圈、低温容器和制冷装置。SMES 系统的结构工作原理是 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。SMES 装置结构如图4所示：
4、储能应用方向对比
各种储能方式都有自己的优点和缺点，有不同的特性和应用方向。不同的储能设备有着不同的功率密度和反应时间，对于不同的储能设备，要想在电力系统中应用，也存在不同的技术上的要求，其外，它们的应用方向也不同。所以，根据不同的储能设备的特性，还有不同的应用环境，来选择最适合、最有经济性的储能设备是极其有必要的。各储能形式的应用方向见表1：
5、结论
随着电力需求和生产的不断增长，电网负荷的峰谷差不断扩大。电力蓄能系统迫切需要与之相匹配，平滑电力负荷，提高设备运行效率和经济性。此外，储能系统可以“拼接”间歇性可再生能源，提高电力系统的稳定性，从而解决可再生能源发展的瓶颈问题。本文通过对各类储能技术特性和应用对比，阐明了储能产业在电力建设中的重要作用和巨大发展前景，将储能技术用于提高电力系统稳定性时，电能存储和释放的速度将对控制性能起决定作用。
参考文献：
[1] 姬凌云.欧盟国家城市节能技术类型研究[D] . 同济大学，2007.
[2] 严俊,赵立飞。储能技术在分布式发电中的应用[J]。华北电力技术，2006,10(12A):703—707
