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1、第1章习题答案1-1简述广义的储能方式与狭义的储能方式的联系与区别。解：联系：广义的储能方式包含狭义的储能方式。区别：广义的储能方式包括基础燃料（煤、石油和天然气等）、二次燃料（氢、煤气和 太阳能燃料等）、电能和热能等各种形式的能量的存储；而狭义的储能方式通常指储电和储 热。1-2简述能量密度与功率密度的区别。解：能量密度是指单位质量或体积的储能系统所具有的有效储存能量，又称比能量，包括质 量能量密度（质量比能量）与体积能量密度（体积比能量），常用单位分别为Wh/kg或Wh/Lo功率密度功率密度是指单位质量或体积的储能系统所能输出的最大功率，又称比功率, 包括质量功率密度（质量比功率）与体积功
2、率密度（体积比功率），常用单位分别为W/kg或 W/Lo1-3简述储能技术在三个历史时期的发展特点。解：根据各历史阶段储能使用的不同特点，可以把整个储能发展历史大致分为三个时期，即 初步探索期、多元发展期和高速发展期。初步探索期：以电力储能技术为代表的多种储能技术逐渐登上了历史舞台。其中，电化 学储能和抽水蓄能的发展相对较快，并得到了一定程度的应用；氢储能也得到了初步的探索, 并在少数领域中得到了使用。多元发展期：电化学储能、抽水蓄能等多种储能技术进入了新的发展阶段，一些新的储 能技术，如压缩空气储能、超导磁储能和热储能逐渐登上了储能的历史舞台。高速发展期：新能源的推广使用和科学技术的发展大大
3、推动了储能技术的推广与应用。 其中，抽水蓄能储能技术发展较为成熟，装机容量大幅提升；电化学储能逐步实现大规模产 业化，具有广泛的应用前景；超级电容储能、超导磁储能、飞轮储能、压缩空气储能发展迅 速，并得到了一定的应用；热储能和氢储能也展示了良好的发展态势和应用前景。1-4简要对比分析抽水蓄能与压缩空气储能的工作特性。解：抽水蓄能电站具有上、下游两个水库。负荷低谷时段抽水蓄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；负荷高峰时抽水蓄能设备工作于发电机状态，利用储存 在上游水库中的水发电。压缩空气储能是利用压缩空气作为载体来实现能量存储和利用的一种能源系统。储能时, 电能或机械能驱动
4、压缩机由环境中吸取空气将其压缩至高压状态并存入储气装置，电能或机 械能在该过程中转化为压缩空气的内能和势能；释能时，储气装置中存储的压缩空气进入空 气透平中膨胀做功发电，压缩空气中蕴含的内能和势能在该过程中重新转化为电能或机械 能。1-5简要对比分析铅炭电池与传统铅酸电池的特性。解：传统铅蓄电池的电极由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液。在充电状态下，铅蓄电 池的正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；在放电状态下，正负极的主要成分均为 硫酸铅。铅炭电池将活性炭按一定比例混入铅负极板活性物质中，有效改善了铅蓄电池的倍率放 电性能、脉冲放电寿命和接收电荷的能力。铅炭电池继承了传统铅酸电池的安全
5、优势，本身 没有易燃材料，不燃不爆。但是，铅炭电池较传统铅酸电池的析氢量有所增加，需要注意电 池排气的问题及其带来的安全隐患。1-6简要对比分析锂离子电池、液流电池和钠流电池的特性。解：锂离子电池主要由电极材料（正极、负极）、电解液、隔膜、导电剂、粘结剂和极耳等 组成。锂离子电池以含锂的化合物作正极，如钻酸锂（LiC002）、镒酸锂（LiMn2O4）和磷 酸铁锂（LiFeP04）等二元或三元材料；负极采用锂碳层间化合物，包括石墨、软碳、硬碳 和钛酸锂等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成。充电时，锂原子变成的锂离子通过 电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存；放电时为充电时的
6、逆反应。 与其他化学电池相比，锂电池具有显著的优点，主要有：高能量密度、长寿命、低自放电率、 无记忆效应、易快充快放等。液流电池全称为氧化还原液流电池，由电解液罐、电堆、泵体、功率转换器以及热交换 器构成。与以固体作为电极的一般电池不同，液流电池的活性物质是具有流动性的电解质溶 液。液流电池的输出功率与电池容量互相独立（功率大小取决于电堆，而容量大小取决于电 解液容量），因此可通过增加电解液量或提高电解液浓度达到增加电池容量的目的。由于电 解液分别存储于两个储液罐中，一般不存在电池自放电和电解液变质问题。钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成。与一般二次电池不同，钠硫电池是 由熔融电极和
7、固体电解质组成，负极的活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多 硫化钠熔盐。钠与硫通过化学反应，将电能储存起来；当电网需要电能时，再将化学能转化 成电能并释放出去。钠硫电池具有体积小、容量大、寿命长和效率高等优点。此外，钠硫电 池的“蓄洪”性能突出，即可使输入的电流突然达到额定功率5-10倍，它也能稳定地进行能 量存储与释放。但是，钠硫电池需要在300-350C的高温下工作，其安全性能相对较差。1-7为什么说储能是促进规模化新能源应用的前提？解：由于风能、太阳能等新能源的波动性、随机性以及反调峰、极热无风、晚峰无光等特性， 新能源的规模化并网消纳极为困难，轻则产生“弃风、弃光”现象，重则
8、诱发大规模连锁脱网 事故，给安全运行带来严重威胁。储能技术是支撑高比例新能源并网的关键技术。一方面, 通过引入储能系统，可以实现太阳能、风能等新能源发电功率的平滑输出，降低新能源并网 给系统带来的冲击，提高并网消纳率。另一方面，通过引入储能系统，还可有效调控新能源 发电所引起的电网电压、频率及相位变化，提高新能源电力系统的安全性及电能质量，从根 本上促进新能源的开发利用。1-8为什么说储能是构建能源互联网的支撑技术？解：能源互联网通过电能、热能和化学能等多种能源的相互转换和互补,使能量可以在电网、 气网、热力网和交通网等能源网络之间流动，提升能源的综合利用率。储能包括电化学储能、 压缩空气储能
9、、储热和储氢等不同形式的能源储存方式，可以建立多种能源之间的耦合关系, 发挥能量中转、匹配和优化等作用，是构建能源互联网的关键支撑技术。第2章习题答案2-1试阐述抽水蓄能电站的定义。答：抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放 水至下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。2-2试阐述抽水蓄能电站的基本结构。答：抽水蓄能电站，一般由上水库、输水系统、厂房和下水库等组成。2-3试从能量转换的角度阐述抽水蓄能电站的工作原理及其本质。答：抽水蓄能电站的工作原理是利用电力系统负荷低谷时过剩的电能，通过电动机水泵 将低处的下水库的水抽到高处的上水库中，从而将过剩的电能转换为水
10、的势能并加以储存, 待电力系统负荷转为高峰时，再将这部分水从上水库放到下水库，推动水轮发电机发电。本 质是采用水作为能量载体，实现能量存储，跨时空转移和利用的一种储能技术。2-4试阐述抽水蓄能电站在电力系统中所承担的功能，以及这些功能对维持电力系统运行 起到的作用。答：抽水蓄能电站集储能与发电两大功能于一体，可有效调节电力系统的供需，使其达 到动态平衡，大幅度提高电网的运行安全和供电质量。具体功能包括削峰填谷、调频(快速 跟踪负荷)、调相(调压)、事故备用和黑启动等。2-5试阐述抽水蓄能电站的主要分类方式，以及各分类方式对应的具体抽水蓄能电站类型。答：抽水蓄能电站主要有7种分类方式：按开发方式
11、分类、按天然径流条件分类、按水 库座数分类、按发电厂房形式分类、按水头高度分类、按机组型式分类和按水库调节周期分 类。(1)按开发方式分类，抽水蓄能电站可分为引水式抽水蓄能电站和抬水式抽水蓄能电站 两类。(2)按天然径流条件分类，抽水蓄能电站可分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站 两类。(3)按水库座数及位置分类，抽水蓄能电站可分为两库式抽水蓄能电站和三库式抽水蓄 能电站。(4)按发电厂房形式分类，抽水蓄能电站可分为地面式、地下式和半地下式抽水蓄能电 站三种。(5)按水头高低分类，抽水蓄能电站可分为低水头抽水蓄能电站、中水头抽水蓄能电站 和高水头抽水蓄能电站。(6)按机组型式分类，抽水蓄能电
12、站可分为分置式(四机式)抽水蓄能电站、串联式(三 机式)抽水蓄能电站和可逆式(两机式)抽水蓄能电站。(7)按水库调节周期分类，抽水蓄能电站可分为日调节、周调节、季调节和年调节等类型。2-6试解释以下抽水蓄能电站专有名词：(1)正常蓄水位；(2)死水位；(3)水头特性；(4) 能量特性。答：(1)正常蓄水位和死水位是水库的特征水位。正常蓄水位指抽水蓄能电站正常运行情况 下，水库蓄水能达到的最高水位。(2)死水位指抽水蓄能电站正常运行情况下，水库蓄水的最低工作水位。(3)抽水蓄能电站的水头特性是指电站的水头值与上水库的放水量间的关系。(4)蓄能水库的能量特性是指抽水蓄能电站的发电量与上水库蓄能库容
13、的放水量之间 的关系。2-7已知某抽水蓄能电站上水库正常蓄水位Zun = 800m,上水库死水位Zud = 780m,下水 库正常蓄水位Zln = 300m,下水库死水位Zld = 260m。求此抽水蓄能电站的最大水头”max、 最小水头”min值。解：由公式(2-1)和(2-2)可得此抽水蓄能电站的最大水头“小= Zun - ZLD = 800 - 260 = 540m此抽水蓄能电站的最小水头Hmin = Zg - ZLN = 780 - 300 = 480m2-8某抽水蓄能电站的蓄能库容为2.3x101。n?,按最大的容量进行削峰填谷。在抽水工 况下，变压器、电动机、水泵和输水系统的运行效
14、率分别为99%、97%、92%和98%；在发 电工况下，输水系统、水轮机、发电机和变压器的运行效率分别为97%、90%、97%和99%； 水库表面蒸发、水库渗漏和事故库容等因素引起的损失系数为1.2；发电运行5个小时。假 定运行时段的平均水头为600m。试求：(1)抽水蓄能电站的抽水工况运行效率、发电工况运行效率、综合效率；(2)发电运行状态下的调峰容量(功率)和调峰电量(能量)。解：(1)由公式(2-8)和式(2-9)可知：抽水工况运行效率为 tt = 0.99 x 0.97 x 0.92 x 0.98 x 100% = 86.6%发电工况运行效率为 TP = 0.97 x 0.90 x 0
15、.97 x 0.99 x 100% = 83.8%由公式(2-7)可知：综合效率为 T = TTXTp = 0.866 x 0.838 x 100% = 72.6%(2)由公式(2-3)可知：调峰容量为 N = 9,81z?tH Vs =x 2.3 x IO10 = 5.4277 x IO9 (kW)3600/iK 33600x5x1.2调峰电量为 Et = Vs = x 2.3 x IO10 = 2.71362 x 1010(kWh 367K367 X 1.22-9试阐述抽水蓄能机组调相基本原理。答：电机的空载电势与励磁电流正相关。假设初始时机组输出电流为零。(1)在此基础上增加励磁电流，此
16、时空载电势增加，由相量图可知机组此时输出滞后的 无功电流，机组输出感性无功功率。(2)在此基础上减少励磁电流，此时空载电势减少，由相量图可知机组此时输出超前的 无功电流，机组消耗感性无功功率。2-10试阐述抽水蓄能机组发电调相和抽水调相在运行时的区别。答：抽水蓄能机组的发电调相工况和抽水调相工况主要存在以下三点区别(1)转子不同。对于可逆式机组来说，发电调相工况和抽水调相工况下转子转向相反。(2)继电保护配置不同。由于可逆式机组的转向不同，一些与相位相序有关的双向配置 的保护就会设置得不一样，如负序过流保护、相序保护、失磁保护和失步保护等。(3)使用频率不同。抽水调相工况是机组由静止工况切换至
17、抽水工况的一个过渡状态, 而发电调相工况只有在电网遇到紧急情况时才会使用，因此抽水调相工况的使用频率要远高 于发电调相工况。2-11试列举常见的抽水蓄能机组的基本工况及切换方式。答：(1)抽水蓄能机组有静止、抽水、发电、抽水方向调相和发电方向调相五种基本工况。 (或：抽水蓄能机组有静止、抽水、发电、调相四种基本工况)(2)常见的工况切换共有12种，包括：1)静止至发电；2)发电至静止；3)静止至发 电方向调相；4)发电方向调相至静止；5)静止至抽水；6)抽水至静止；7)静止至抽水方 向调相；8)抽水方向调相至静止；9)发电至发电方向调相；10)发电方向调相至发电；11) 抽水至抽水方向调相；1
18、2)抽水方向调相至抽水。2-12试列举二机可逆式机组的起动方式，并进一步细分异步起动方式和同步起动方式的区 别。答：二机可逆式机组的起动方式包括起动电动机起动、异步起动、同步起动和半同步起 动共四种。异步起动方式包括全压起动、降压起动和部分定子绕组起动三种。同步起动包括 背靠背同步起动和静止变频器起动两种。2-13试阐述抽蓄机组制动时转子所受的制动力及其与转速的对应关系。答：制动时机组受到的制动力有水流制动力、空气阻力、轴承阻力、铜损等效阻力和外 接电阻等效阻力五种。阻力与转速关系如下表所示：阻力与转速n关系水流制动力OC九2空气阻力0cli L8轴承阻力oc铜损等效阻力0c 九-1外接电阻等
19、效阻力0c几T2-14试阐述机组运行可用率指标和起动成功率指标之间的内在关系。答：主要体现在可用率和起动成功率这两个指标。两个指标之间的联系是：(1)追求高可用率会减少机组停运检修的时间，当机组木身存在隐患而无法排除时，会 造成机组起动成功率降低。当隐患进一步扩大，机组将会损坏而反作用于可用率，导致其下 降。(2)随着技术的不断发展，带有一定盲目性的计划检修会逐步减少，取而代之的是更为 先进的在线维护和状态检修。在这种情况下，在保障高可用率的同时也可以维持机组的可靠 运行，提高起动成功率。2-15今有一抽水蓄能机组运行调相工况，定子绕组Y接。初始时机组的励磁电流1门= 1000A,输出感性无功
20、功率为200MVaro现接到调度指令需要增发50MVar感性无功功率。 假定其空载电势与励磁电流成正比，电网线电压U = 18kV保持不变，机组每相同步电抗Xs = 0.5Q,不计电阻压降。试求此时的励磁电流。解：由线电压可求解得到相电压U = U/g = 18/6 = l 0.4(kV)200调相状态下机组与电网无有功功率交换，因此61 = 52 = 0。，01 = 82 = 90。故电枢电 流可由无功功率求解得到十=7.4(kA) 旦2250250CUL V3X18X十=9.2(kA) 2进而可求解得到空载电势= U +1 a,Xs = 10.4 + 7.4*0.5 = 14.1(kV)品
21、2 = U + I(l2Xs = 10.4 + 9.2*0.5 = 15(kV)由空载电压与励磁电流成正比可得JE。21fl14.12-16今有一抽水蓄能机组，其故障率;1 =点修复率为=点试求其故障密度函数，修复密 度函数和可用率。解：依题意，机组的故障率入和修复率均为常数，由2.3. 3节中关于故障率的相关推导可 知机组的故障密度函数为：1修复密度函数为：1r(t) = e 99故障率A为：A = - = = = 0.4375丸 + 4167 92-17抽水蓄能电站中有机组1和机组2两台抽水蓄能机组，其中机组1的故障率入1 =修复率1=点机组2的故障率入2 =%修复率上=%忽略其他因素的影响。试求:(1)当机组1和机组2串联组合时，抽水蓄能电站的可用率；(2)当两台机组并联组合时，抽水蓄能电站的可用率。解：根据定义求得机组1的可用率A1，机组2的可用率A2分别为当机组1和机组2串联组合时，根据定义可求解得到抽水蓄能电站的可用率为:4 = 4 4 = 0.33*0.67 p 0.22当两机组并联组合时，根据定义可求解得到抽水蓄能电站的可用率为：4 = 1一（1一4）（1-4）= 1一。.67*03320.78