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1、人之为学，不日进则日退，独学无友，则孤陋而难成；久处一方，则习染而不自觉。顾炎武丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 1 目 录 前 言.2 1 储能概述.4 1.1 储能的定义及分类.4 1.2 储能产业的发展背景.4 1.3 储能产业发展的意义.6 1.4 储能的应用.6 2 电力储能方式和发展现状.8 2.1 抽水蓄能电站.8 2.2 压缩空气储能电站.9 2.3 飞轮储能.9 2.4 超导磁储能系统.10 2.5 超级电容器储能.10 2.6 电池储能
2、系统.11 3 电力储能技术在电力系统中的应用实例.13 3.1 抽水蓄能系统.13 3.2 压缩空气储能电站.13 3.3 飞轮储能系统.14 3.4 超导磁储能系统.14 3.5 超级电容器储能系统.15 3.5.1 超级电容器最大的优点：短时间高功率输出.15 3.5.2 新能源发电系统：采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性.17 3.5.3 分布式储能系统：超级电容器能大幅优化电能暂态响应性能.18 3.5.4 智能分布式电网系统：超级电容器组储能系统必不可少.23 3.6 电池储能系统.24 3.6.1 铅酸蓄电池系统.24 3.6.2 钠硫电池系统.24 3.6.3 液流电池
3、系统.25 3.7 各种储能技术的研究及应用现状对比一览表.26 4 我国电力系统储能技术的应用状况、研发方向和重点.27 4.1 储能技术应用现状.27 4.2 我国电力储能技术的发展方向和研发重点.27 5 储能技术在坚强智能电网中的作用.30 5.1 储能技术在电力系统稳定中的作用.30 5.2 储能技术在新能源发电中的作用.30 5.3 储能技术在分布式发电中的作用.31 5.4 储能技术在电动汽车中的作用.31 6 储能产业挑战及政策分析.32 6.1 储能产业面对的主要挑战.32 6.2 中国储能产业政策.33 6.3 政策框架探讨.34 7 结论.36 志不强者智不达，言不信者行
4、不果。墨翟人不知而不愠，不亦君子乎？论语知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 2 前 言 随着对环境的关注和能源体系的变革，各种新技术将加速应用到电力体系中。在全球范围内，电力公司、高科技公司、政府和电力用户都已开始关注电力储存技术的潜力。在过去20 年中，储能技术已经从一个概念发展成为未来智能电网规划的必要组成部分。全球各国的电网都在积极参与推动这一领域的技术发展，目前在全球已经有十几种技术的超过 400个大型储能项目应用在不同领域。随着可再生能源发展，2009 年起各种 MW 级储能电池项目在全球范围的建设，
5、储能产业已成为全球新一轮投资热点。中华全国工商联新能源商会储能专业委员会（CNESA，以下简称储能专委会）作为中国第一个专注在储能领域的专业组织成立于 2009 年底，发起成员包括国内国外各类储能技术、电力领域的企业及专业人士。他们曾参与全球多个储能项目的实施，对整个储能产业链有深入理解，在储能技术研发、产品设计、应用解决方案实施、储能项目评估、以及产业政策发起和推动等方面具有丰富的经验。储能专委会希望通过聚集全球储能专业人士，加强业内交流，为储能产业争取更多关注，为政府制定储能产业政策献计献策，共同推动储能产业发展。储能产业在技术、市场、政策等方面均处在高度变化的过程中，这增加了产业发展的不
6、确定性。面对这种状况，需要专业人士为储能产业参与者提供准确的信息与客观的分析。为向各界人士提供一个参考，并帮助推进国家出台储能产业政策，储能专委员会组织部分专家撰写了这份储能产业研究白皮书，希望能够抛砖引玉，为各方提供一个沟通工具并进形成业界观点。储能技术已被视为电网运行过程中“采发 输配用储”六大环节中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大
7、变革。近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能包括超导、超级电容和高勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 3 能密度电容储能；电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能；相变储能包括冰蓄冷储能等。本文着重介绍 MW
8、 级大规模电力储能技术的研发状况和应用实例，并基于我国能源布局和电力系统需求，从技术和经济的层面加以分析，探讨储能技术的未来发展方向和研究重点。非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 4 1 储能概述 1.1 储能的定义及分类 从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。从狭义上讲，针对电能的存储，储能是指利用化
9、学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。表 1 储能技术分类 按照储能的狭义定义，燃料电池与金属-空气电池虽然不具备“充电”的特性，不等同于狭义上的储能，但就其特点和应用领域又与储能产品相近，因此在本报告中，也把它们收录在其它储能类别中。1.2 储能产业的发展背景 （一）新能源发电规模快速扩大，电网与新能源的矛盾突出 近年来，我国以风电、光伏发电、核电、生物质能发电为主的新能源发电规模迅速攀升。根据我国新能源规划草案，一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新
10、 Devoting+Innovating=100 5 预计未来十年将迎来新能源产业的发展高峰。2020 年，风电、光伏发电、核电、生物质能发电装机容量将分别达到 1.5 亿、2000 万、8600 万和 3000 万千瓦，分别占全国电力装机总容量的 7.8%、1.2%、4.6%和 1.4%。表 2 新能源发电装机容量发展目标 但风电、太阳能发电具有随机性、间歇性，核电的控制难度较大，其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来较大的影响。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网，是构建智能电网的重要环节。（二）新能源汽车开始兴起
11、，对储能产业的需求愈加迫切 按照 2009 年 3 月份公布的 汽车产业调整和振兴规划，到 2011 年“形成 50 万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的 5%左右”。新能源汽车发展规划 也已上报国务院，预计 2010 年 3 月将正式颁布，密集的扶持政策大大加速了新能源汽车的产业化进程。车用储能装置（大容量动力电池、超级电容器等）是新能源汽车的核心技术之一，新能源汽车的规模化发展必将大大激发车用储能装置的市场需求，推动车用储能产业的率先发展。（三）环保与节能概念不断深化，储能产业潜在市场巨大 近年来，我国对环境保护与节能减排的投入不断加
12、大，并取得了良好的效果。2009 年上半年，我国单位 GDP 能耗累计下降 3.35%，规模以上工业单位增加值能耗同比降低 11.35%。到 2020 年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005 年下降 40%50%。随着环保与节能概念的不断深化，集中发展和使用清洁能源成为未来的主要趋势。而储能装置百学须先立志。朱熹好学近乎知，力行近乎仁，知耻近乎勇。中庸知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 6 特别是大容量储能装置作为清洁能源的主要载体之一，既能够提高能源的利用效率，又能节约国家投资，有着庞大的潜在市场
13、需求。另外，储能设施占地少、无排放，其节地、节能、减排效果非常好。1.3 储能产业发展的意义 储能行业的存在和发展，有着如下几方面的重要意义：储能是未来电网的一个必要组成部分。有利于促进可再生能源的大规模应用。削峰填谷，节约能源。有利于提高电网效率，减少或延缓电力建设的投资。提高突发事故的应对能力，保证电力系统安全运行。推进新能源汽车等产业的发展，有利于节能环保。1.4 储能的应用 电力系统 储能在电力系统可以应用于以下几个方面：发电系统、辅助服务、电网应用、用户端、可再生能源并网。（详见下表）表 3 储能在电力系统中的应用 万两黄金容易得，知心一个也难求。曹雪芹天行健，君子以自强不息。地势坤
14、，君子以厚德载物。易经知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 7 电动汽车 电池及其他形式的储能设备能够为电动汽车提供动力并起到制动能量回收的作用。同时，电动汽车也可被看作为一种储能设施，这是由于，轻型车辆在使用中平均有 90%的时间处于停泊状态。处于停泊状态的电动汽车可以看作是储能设备，主要有两种应用形式：车辆电网（V2G）：这是一种车载电池与电网间充电、放电为双向的应用，车载电池不仅仅作为负荷从电网充电，同时作为一种储能设备为电网提供电能。车辆电网，单向（V1G）：在这种应用中，车辆仅从电网充电，并不向电网提供
15、电能，但在充电过程中可以改变其充电速率，从而调节电网频率，提高电能质量。因为电池放电对电池的使用寿命影响很大，所以在目前的电池发展阶段，V1G 是发展重点。轨道交通 机车制动时，制动转矩带动发电机给储能设备充电，启动时，储能设备放电，节省了能量，提高了能量的利用效率。同时，减少了机车启动和制动时引起的电压波动，降低轨道机车启动和制动环节对电网带来的冲击。UPS 在计算机系统和网络应用或其它电力电子设备中，储能设备主要起到两个作用：一是应急使用。储能设备储备电能，在电网失电的情况下，向用电设备提供电能；二是提高用电设备的电能质量。储能设备可以瞬间提供足够的有功和无功支持，改善电源质量。电动工具
16、电动工具，是由电池提供动力驱动的工具。它使使用者不受插座电源的约束，具体的应用包括电钻、电动螺丝刀、锤子和电锯等，取代了传统依靠插座的类似的电动工具。因此电池为电动工具提供了驱动能量，使电动工具更便于使用。电子产品 可充电电池为电子产品提供能量，例如数码相机、手机、笔记本等。非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 8 2 电力储能方式和发展现状 2.1 抽水蓄能电站 抽水储能电站投入运行时必须配备上、下游两个水库(
17、上、下池)，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，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。按上水库有无天然径流汇入分为纯抽水、混合抽水和调水式抽水蓄能电站，建站地点力求水头高、发电库容大、渗漏小、压力输水管道短、距离负荷中心近。抽水储能电站可以按照一定容量建造，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率在 70%85%之间。抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率。表 4 储能技术应用场合和技
18、术要求 设备类型 用户类型 功率等级 能量等级 便携式设备-1100 W Wh 运输工具 汽车 25100 kW 100 kWh 火车、轻轨列车 100500 kW 500 kWh 潜艇 120 MW 10 MWh 静止设备 家庭 1 kW 5 kWh 小型工业和商业设施 10100 kW 25 kWh 配电网 MW MWh 输电网 10 MW 10MWh 发电站 10100 MW 10100 MWh 目前，抽水蓄能电站的设计规划已形成规范。机组由早期的四机、三机式机组发展为水泵水轮机和水轮发电电动机组成的二机式可逆机组，极大地减小了土建和设备投资。施工已采用沥青混凝土面板防渗、HT-100
19、高强度钢结构、斜井全断面隧洞掘进机开挖、钢岔管考虑围岩分担为压、上水库和地下厂房信息化施工等先进技术。为进一步提高整体经济性，机组正向高水头、高转速、大容量方向发展，现已接近单级水泵水轮机和空气冷却发电电动机制造极限，今后的重点将立足于对振动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究，着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。提高机电设备可靠性和自动化水平，建立统一调度机制以推广集中监控和无人谋事在人，成事在天！增广贤文非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devotin
20、g+Innovating=100 9 化管理，并结合各国国情开展海水和地下式抽水蓄能电站关键技术的研究。2.2 压缩空气储能电站 压缩空气储能电站(compressed air energy storage，CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%，同时可以降低投资费用、减少排放。CAES 建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能 量密度低，并
21、受岩层等地形条件的限制。CAES 储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制分布式储能和发电系统备用。目前，地下储气站采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，从而保障燃气轮机稳定运行。100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至 1014 MPa 的需要，812 MW 微型压缩空气蓄能系统(micr
22、o-CAES)已成为人们关注的热点。2.3 飞轮储能 飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能机械能的转换过程；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能电能转换的释放能量过程。飞轮 储能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超过 20 Wh/kg，效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20 a，工作温区为-4050，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现 M
23、W 级，输出持续 时间为数 min/数 h，主要用于不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)/应急电源(emergency power system，EPS)、电网调峰和频率控制。其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语先天下之忧而忧，后天下之乐而乐。范仲淹知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 10 近年来，人们对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转换系统进行了深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发 展。机
24、械式飞轮系统已形成系列产品，如 Active Power 公司 1002000 kW CleanSource 系列、Pentadyne 公司 651000 kVA VSS 系列、Beacon Power 公司的 25 MWSmart Energy Matrix 和 SatCon Technology 公司 3152200 kVA 系列。高温超导磁浮轴承摩擦系数达到 10-7 量级，在此基础上，1 MWh 超导飞轮已于 1997 年研制成功。随着磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化和轴承载荷密度的进一步提高，飞轮储能的应用将更加广泛。2.4 超导磁储能系统 超导磁储能系统(supercon
25、ducting magnetic energy storage，SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快(ms 级)，转换效率高(96%)、比容量(110 Wh/kg)/比功率(104105kW/kg)大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。SMES 在技术方面相对简单，没有旋转机械部件和动密封问题。目前，世界上 15 MJ/MW 低温 SMES 装置已形成产品，100 MJ SMES 已投入高压输电网中实际运行，5 GWh SMES 已通过可行性分析和技术论证。SMES 可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高
26、系统稳定性和功率输送能力的要求。SMES 的发展重点在于基于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的 MJ 级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本，结合实际系统探讨分布式 SMES 及其有效控制和保护策略。2.5 超级电容器储能 超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。由于电荷层间距非常小(一般 0.5 mm 以下)，加之采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增加，从而产生极大的电容量。但由于电介质耐压低，存在漏
27、电流，储能量和保持时间受到限制，必须串联使用，以增加充放电控制回路和系统体积。超级电容器历经三代及数十年的发展，已形成电容量 0.51000 F、工作电压 12400 V、吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 11 最大放电电流 4002000 A 系列产品，储能系统最大储能量达到 30 MJ。但超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质高峰值功率场合，如大功率直流电机的
28、启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。目前，基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代超级电容器正在开发中。2.6 电池储能系统 电池储能系统主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电，表 2、3 分别显示了一些种类电池的基本特性和由它们构成的储能系统目前已达到的性能指标。表 5 电力储能系统可利用的主要电池 吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 12 表
29、 6 部分电池储能系统的性能比较 铅酸电池在高温下寿命缩短，与镍镉电池类似，具有较低的比能量和比功率，但价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电力系统，目前储能容量已达 20 MW。铅酸电池在电力系统正常运行时为断路器提供合闸电源，在发电厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用，为继保装置、拖动电机、通信、事故照明提供动力。然而，其循环寿命较短，且在制造过程中存在一定的环境污染。镍镉等电池效率高、循环寿命长，但随着充放电次数的增加容量将会减少，荷电保持能力仍有待提高，且因存在重金属污染已被欧盟组织限用。锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素
30、的影响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍。大容量集成的技术难度和生产维护成本使得这些电池在相当长的时间内很难在电力系统中规模化应用。钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。钠硫电池储能密度为 140 kWh/m3，体积减少到普通铅酸蓄电池的 1/5，系统效率可达 80%，单体寿命已达 15 a，且循环寿命超过 6 000 次，便于模块化制造、运输和安装，建设周期短，可根据用途和建设规模分期安装，很适用于城市变电站和特殊负荷。液流电池已有钒溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体系，高性能离子交换膜的出现促进了其发展。液流电池电化学极化小，能够
31、 100%深度放电，储存寿命长，额定功率和容量相互独立，可以通过增加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池容量的目的，并可根据设置场所的情况自由设计储藏形式及随意选择形状。目前，钠硫和液流电池均已实现商业化运作，MW 级钠硫和 100 kW 级液流电池储能系统已步入试验示范阶段。随着容量和规模的扩大、集成技术的日益成熟，储能系统成本将进一步降低，经过安全性和可靠性的长期测试，有望在提高风能/太阳人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗丹青不知老将至，贫贱于我如浮云。杜甫知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=10
32、0 13 能可再生能源系统的稳定性、平滑用户侧负荷及紧急供电等方面发挥重要作用。3 电力储能技术在电力系统中的应用实例 3.1 抽水蓄能系统 日、美、西欧等国家和地区在 20 世纪 6070 年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量 55%以上，其中：美国约占 3%，日本则超过了 10%，中国、韩国和泰国 3 个国家在建抽水蓄能电站 17.530 GW，加上日本后达到 24.650 GW，表 4 显示了近十年来投入运行的 8 个大型抽水蓄能电站的情况。表 7 国外 8 个大型抽水蓄能电站的情况 3.2 压缩空气储能电站 世
33、界上第一个商业化 CAES 电站为 1978 年在德国建造的 Huntdorf 电站，装机容量为 290 MW，换能效率 77%，运行至今，累计启动超过 7 000 次，主要用于热备用和平滑负荷。在美国，McIntosh 电站装机容量为 100 MW，Norton 电站装机容量为 2.7 GW，用于系统调峰；2005年由Ridge和EI Paso能源公司在 Texas开始建造 Markham电站，容量为540 MW。在日本，1998 年施工建设北海道三井砂川矿坑储气库，2001 年 CAES 运行，输出功率 2 MW。在瑞士，ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站，输出功率 442
34、 MW，运行时间为 8 h，贮气空洞采用水封方式。此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也在长期致古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 14 力于 CAES 的开发。3.3 飞轮储能系统 1999 年欧洲 Urenc Power 公司利用高强度 碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速为 42 000 rad/min，2001 年 1 月系统投入运行，充当 UPS，储能量达到 18 MJ。美国波音公司 Phantom
35、工厂研制的高温超导磁浮轴承 100 kW/5 kWh 飞轮储能装置，已用于电能质量控制和电力调峰。部分飞轮储能装置在电力系统中的应用情况见表 5。表 8 飞轮储能装置在电力系统中应用项目 3.4 超导磁储能系统 SMES 在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面发挥了极其重要的作用，表 6 显示了其中一些应用实例。志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 15 表 9
36、SMES 应用实例 3.5 超级电容器储能系统 西门子公司已成功开发出储能量达到 21 MJ/5.7 Wh、最大功率 1 MW 的超级电容器储能系统，并成功安装在德国科隆市 750 V 直流地铁配电网中，该系统由 4 800 支 2600 F/2.5 V 超级电容器组成，重量 2 t，体积 2 m3，超级电容器组储能效率为 95%。美国 TVA 电力公司成功开发了 200 kW 超级电容器储能系统，用于大功率直流电机的启动支撑。3.5.1 超级电容器最大的优点：短时间高功率输出 超级电容器是一种电化学元件，储能过程并不发生化学反应，且储能过程是可逆的，因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次，
37、且不会造成环境污染。另外，它具有非常高的功率密度，为电池的 10-100 倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快、模式简单，可以万两黄金容易得，知心一个也难求。曹雪芹良辰美景奈何天，便赏心乐事谁家院。则为你如花美眷，似水流年。汤显祖知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 16 采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，低温性能优越，超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，容量随温度的衰减非常小。超级电容器的特性
38、总结如下：（1）高功率密度。超级电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数 kW/kg，是任何一个化学电源所无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。（2）充放电循环寿命很长。超级电容器在充放电过程中没有发生碘化学反应，因而其循环寿命可达数万次以上，远比蓄电池的充放电循环寿命长。（3）充电时间短。超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，远快于蓄电池的充电时间。（4）妥善解决了贮存设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般来说，比能量高的贮能体系其比功率不高，而一个贮能体系的比功率高，则其比能量就不一定很高，许多电池
39、体系就是如此。超级电容器可以提供 1-5kW/kg 的高比功率的同时，其比能量可以达到 5-20Wh/kg。将它与蓄电池组结合起来，可构成一个兼有高比能量和高比功率输出的贮能系统。（5）贮存寿命长。超级电容器充电后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。（6）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因此超级电容器的可靠性非常高。一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文一寸光阴一寸金，寸金难买
40、寸光阴。增广贤文知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 17 表 10：超级电容器与静电电容器、电池的性能参数比较 超级电容器的用途非常广泛，既可以应用于消费类电子产品领域，又可以应用于太阳能能源发电系统、智能电网系统、新能源汽车、工业节能系统、脉冲电源系统等领域。3.5.2 新能源发电系统：采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性 太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前
41、景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电网系统中的电压骤降
42、或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，因此其使用寿命较短，成本较高。另外，风力发电作为当前发展最快的可再生能源发电技术，具有广阔的应用前景。但我尽一杯，与君发三愿：一愿世清平，二愿身强健，三愿临老头，数与君相见。白居易一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 18 是，风能是一种随机变化的能源，风速变化会导致风电机组输出功率的波动，对电网的电能质量会产生影响。目前，风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平缓其输出功率，但是该方法的功率调
43、节能力有限；无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节，但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。通过附加储能设备，既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压，又能在较宽范围内调节有功功率。而风力发电研究表明位于 0.01Hz-1Hz 的波动功率对电网电能质量的影响最大，平抑该频段的风电波动对电网电能质量的影响最大，平抑该频段风电波动采用较短时间的能量储存就可以达到目的，因此能够实现短时能量存储的小容量储能设备对风力发电的应用价值很高。超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命、大电流充放电特性，能够适应风能、太阳能的大电流波动，它能在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量，在夜晚或风力较弱
44、时放电，从而能够熨平风电、太阳能光伏发电的波动，实现更有效的并网。因此，在新能源供应系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。表 11：超级电容器在太阳能能源供应系统中的应用 3.5.3 分布式储能系统：超级电容器能大幅优化电能暂态响应性能 20 世纪 80 年代以来，世界电力工业开始电力体制改革，其核心就是实现电力企业的勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备万两黄金容易得，知心一个也难求。曹雪芹知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 19 私有化和构建竞争性电力市场。电力市场是电力系统中的发电、输电、供电、
45、用电各部分组织协调运行并进行电力交易的综合体。1992 年，电力部正式提出建立国内的电力市场。随着中国电力体制改革的进一步深化，电力行业被重组为两大电网公司和五大发电公司，国家电力监管会正式挂牌运转，电力市场正在逐步形成。电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数。IEEE 给出电能质量问题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。目前，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典 ABB 公司等各大电力设备制造商都制
46、造出相应的产品。电压是电能质量的重要指标之一，影响电能质量的电压干扰，主要包括电压偏移、三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等。在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。根据容量大小的区别，储能系统的主要作用也各有不同。（1）大型储能系统：主要用作电力网的可调节发电电源，对电力网进行控制和调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。（2）中型储能系统：主要用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有提高输电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。（3）小型储能系统：主要用于调节电能质量和提高供电可靠性，其主要功能
47、有电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等。目前，可应用于配电网的储能系统主要有如下几类：超导储能系统、蓄电池储能系统、飞轮储能系统和超级电容器储能系统。谋事在人，成事在天！增广贤文老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 20 表 12：各种储能系统的性能比较 超导储能（SMES）是利用超导线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再送回电网或直接给负荷供电。由于超导储能存储的电磁能不经过其他形式的能量转换，且线圈在接近-27
48、3的低温环境下电阻很小，所以其能量损耗很少，转换效率可达 95%以上。此外，超导储能还有调节容易，不受地域限制，维护方便，无污染等优点。目前的问题在于冷却费用很高，对磁场环境和电流强度等很敏感。蓄电池储能系统（BESS）是最早的多次利用电源，由于各种原因在电力系统中一直没有受到重视。随着电力电子技术的发展，使蓄电池的直流形式的电能可以转变成交流电并入电网或供应交流用户。现在一般用蓄电池储能系统解决变电站操作电源问题，有时也用蓄电池储能来协助无功补偿装置，或用于抑制电压波动和闪变。然而蓄电池的充电电压不能太高，要求充电器具有稳压和限压功能。蓄电池的充电电流不能太大，要求充电器具有稳流和限流功能，
49、所以充电回路也比较复杂。另外，电池受充放电电流的限制，充电时间长，其使用寿命较短，维修费用较高。因此，蓄电池储能系统无法优化电力系统的暂态响应性能。飞轮储能（FES）技术是在 20 世纪 50 年代被提出的。90 年代以来，超导磁悬浮技术研究进展很快，配合真空技术，把电机的摩擦损耗和风损耗降到了最低限度。另外，高强度的碳素纤维合成材料的出现，大大增加了动能储量。这些都对飞轮储能的发展产生了重要的影响。飞轮储能与外界交换能量通过电动、发电机系统。当飞轮储存能量时，飞轮储能系统作为电动机运行，飞轮加速；当飞轮释放能量时，飞轮储能系统作为发电机运行，飞轮减速。目前，飞轮储能系统的组成和控制比较复杂，
50、且损耗较大。以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文知行合一 厚德创新 Knowing+Doing=1 知行合一 厚德创新 Devoting+Innovating=100 21 表 13：超级电容与主要储能设备的综合比较 超级电容器的电容量很大；与普通电容器相比具有很高的能量密度，一般可达 20-70MJ/立方米；漏电流很小，具有电压记忆功能，电压保持时间长；充放电性能好，且无需限流和充放电控制回路，不受充电电流的限制，可快速充电，通常十几秒即可；使用温度范围广，可达-40-85，而电池仅为 0-40。超级电容器的