儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì)

孔令時(shí)

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

1 概述儲(chǔ)能技術(shù)方式

1.1 抽水儲(chǔ)能技術(shù)

抽水蓄能是當(dāng)前規(guī)模較大的最成熟的儲(chǔ)能方式，它需要在上下游配建兩個(gè)水庫(kù)。在負(fù)荷較低時(shí)，抽水儲(chǔ)能設(shè)備由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作，把下游水庫(kù)中的水抽至上游水庫(kù)保存，而在負(fù)荷高峰時(shí)段由發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，通過(guò)對(duì)在上游水庫(kù)中儲(chǔ)存的水的利用進(jìn)行發(fā)電，可達(dá)70%～75%的能量轉(zhuǎn)換效率。但是受建設(shè)周期較長(zhǎng)、選址有較高要求、動(dòng)態(tài)調(diào)解不能快速響應(yīng)等因素的制約，一定程度限制了抽水儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前全球抽水儲(chǔ)能電站達(dá)到9×108kW的總裝機(jī)容量，在全球發(fā)電裝機(jī)容量中約占3%。

1.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量塊和軸承。軸承采用的技術(shù)為磁懸浮，可使因旋轉(zhuǎn)摩擦而產(chǎn)生的能量損耗有效減少，通過(guò)儲(chǔ)能效率的提升，達(dá)到延長(zhǎng)其是使用年限的目的。因?yàn)橥饨缫蛩貙?duì)其有較大的影響，所以飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的推廣與抽水儲(chǔ)能的推廣相比還有一定的差距。從理論上分析，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)只有在真空環(huán)境中才能達(dá)到較高的儲(chǔ)能效率，但是在實(shí)際生活中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空的。在真空環(huán)境下風(fēng)不會(huì)對(duì)飛輪產(chǎn)生阻力，旋轉(zhuǎn)模塊通過(guò)連接發(fā)電機(jī)組，利用電子遙控設(shè)備對(duì)飛輪的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行有效控制，最終對(duì)電力資源實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備。運(yùn)用飛輪技術(shù)對(duì)人工操作的要求較低，日常維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)花費(fèi)較多的成本，而且還更加環(huán)保，與我國(guó)科學(xué)發(fā)展的思想相符合。飛輪技術(shù)主要對(duì)短時(shí)間的儲(chǔ)能應(yīng)用比較適用。

1.3 空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能方式也是一種工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的方式。利用該儲(chǔ)能方式，在電網(wǎng)低谷負(fù)荷期可通過(guò)對(duì)富余電能的運(yùn)用對(duì)空氣壓縮機(jī)起驅(qū)動(dòng)作用，在過(guò)期油氣井、報(bào)廢礦井、山洞等高壓密封空氣；在電網(wǎng)使用高峰期把壓縮空氣釋放出來(lái)促進(jìn)燃汽輪機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備比較適用。在輸出相同電力的情況下，與傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)相比，空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)資源的消耗會(huì)減少40%。傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)工作中與燃料配合的空氣約需60%，而空氣壓縮技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)可先壓縮空氣一定的時(shí)間，然后根據(jù)實(shí)際需求一并輸出燃?xì)夂湍芰?。因?yàn)槠漭^快響應(yīng)、壽命較長(zhǎng)、效率較高等特征，且存在較高的能源轉(zhuǎn)化效率（約75%），所以壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展?jié)摿^大[1]。但該技術(shù)也存在較大的局限性，所以主要在采礦中應(yīng)用。

2 在電氣工程領(lǐng)域中對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的典型應(yīng)用

2.1 在大型互聯(lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用

在現(xiàn)代化社會(huì)不斷發(fā)展中，儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)改變了穩(wěn)定控制電力系統(tǒng)的思維方式，而且隨著電氣工程領(lǐng)域越來(lái)越廣泛地運(yùn)用到儲(chǔ)能技術(shù)，也為現(xiàn)代化建設(shè)創(chuàng)造了有利條件。而在電氣工程領(lǐng)域中比較典型的對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，是其在大型互聯(lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用。使用傳統(tǒng)的PSS，通過(guò)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的附加磁對(duì)抑制系統(tǒng)的局部震蕩可起到良好的控制效果，但是如果對(duì)大型復(fù)雜互聯(lián)電力系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的區(qū)域間多模式低頻振蕩問(wèn)題，利用傳統(tǒng)的PSS發(fā)動(dòng)機(jī)附加磁對(duì)其進(jìn)行控制可能會(huì)得不到預(yù)期效果。究其原因主要是PPS發(fā)揮其作用離不開(kāi)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制，但是可能在某一條輸電線(xiàn)路中最有效的控制部位和控制點(diǎn)之間存在較大的距離，因此得到的效果不盡人意。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電力系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組間出現(xiàn)震蕩，動(dòng)態(tài)功率可能會(huì)因?yàn)槿魏我粋€(gè)微小的干擾而出現(xiàn)不平衡，但是如果儲(chǔ)能裝置的容量足夠且具有較快的響應(yīng)速度，便可以主動(dòng)對(duì)其進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)功率在任何情況下都能實(shí)現(xiàn)平衡。假如在系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置產(chǎn)生作用，便能對(duì)其最有效的部位實(shí)現(xiàn)最方便的運(yùn)用。而該控制裝置產(chǎn)生的控制量可以對(duì)系統(tǒng)震蕩的源頭直接發(fā)生作用，因此大型互聯(lián)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制中對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的有效應(yīng)用，是現(xiàn)代化科技進(jìn)一步發(fā)展的重要推動(dòng)力量[2]。

2.2 在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用

在脈沖功率系統(tǒng)中對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，也比較典型。脈沖功率系統(tǒng)主要包括開(kāi)關(guān)、負(fù)載、儲(chǔ)能單元、低功率能源、波形調(diào)制等，而開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)能單元、低功率能源、波形調(diào)制都是脈沖功率源，要求脈沖功率源向高輸出功率、高儲(chǔ)能密度、高功率密度、高重復(fù)率的方向發(fā)展。

合理的減小儲(chǔ)能期間的體積、重量對(duì)脈沖系統(tǒng)的意義重大。為進(jìn)一步提升存儲(chǔ)功率，應(yīng)有效的結(jié)合傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件、設(shè)備與新型的儲(chǔ)能技術(shù)深入研究，當(dāng)前已經(jīng)投入使用的儲(chǔ)能器主要有慣性、靜電、電感等儲(chǔ)能型儲(chǔ)能器。

3 電氣工程領(lǐng)域儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 可再生能源的規(guī)模化利用和分布式能源系統(tǒng)構(gòu)建

隨著當(dāng)前生產(chǎn)生活中對(duì)石油能源的運(yùn)用越來(lái)越多，煤炭和石油資源表現(xiàn)出嚴(yán)峻的短缺問(wèn)題，出現(xiàn)全球性的能源危機(jī)，因此對(duì)新型的可再生能源的研究和開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。如太能能、風(fēng)能和潮汐能的可再生資源的大規(guī)模運(yùn)用可使能源短缺的問(wèn)題有效解決，還使環(huán)境污染減少。但是可再生資源密度較小，且穩(wěn)定性較差，想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的運(yùn)用相對(duì)較難，所以還應(yīng)該對(duì)于可再生能源構(gòu)建規(guī)?；\(yùn)用和分布式的能源系統(tǒng)。此外，在電網(wǎng)供電原有模式下，電網(wǎng)比較集中，無(wú)法有效的處理相關(guān)事故，也是電力事故連鎖反應(yīng)情況經(jīng)常發(fā)生的重要誘因，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大、蔓延電力系統(tǒng)的局部事故影響力，進(jìn)而導(dǎo)致有重大的斷電故障出現(xiàn)。美國(guó)的能源機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)以往事故經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，從安全角度出發(fā)，并綜合未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展情況制定了“Grid2030”計(jì)劃，該計(jì)劃中限定了美國(guó)日后的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)“主干網(wǎng)+區(qū)域電網(wǎng)+微型電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為微網(wǎng)）”，還明確提出了電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中運(yùn)用的儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)；另外加拿大、歐盟等國(guó)家也深入研究了電能儲(chǔ)能技術(shù)。歐盟制定的“SuperGen”計(jì)劃，提出通過(guò)對(duì)可再生能源的利用構(gòu)建電網(wǎng)，并通過(guò)有效的結(jié)合分布式發(fā)電和可再生能源，利用微型電網(wǎng)對(duì)資源短缺的情況進(jìn)行彌補(bǔ)[3]。但是該類(lèi)微型電網(wǎng)在容量方面相對(duì)較小，且受用電、發(fā)電等因素的制約，整體供電質(zhì)量會(huì)相應(yīng)降低，對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行造成影響，所以亟需研究改善電網(wǎng)運(yùn)行水平和系統(tǒng)供電質(zhì)量的方式。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)發(fā)展途徑和分布式發(fā)電的有效整合，以及儲(chǔ)能技術(shù)作用和優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，可達(dá)到有效的轉(zhuǎn)變供電方式的目的，促進(jìn)供電更加高效、穩(wěn)定。

3.2 加強(qiáng)節(jié)能降耗和電能質(zhì)量的優(yōu)化

電力能源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)起著重要的決定作用。盡管我國(guó)的萬(wàn)元GDP能耗一定程度降低，但是卻提升了萬(wàn)元GDP電耗，因此需相關(guān)部門(mén)重視電能的節(jié)約。要保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電能質(zhì)量，可對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行充分的利用，達(dá)到有效控制電網(wǎng)損耗和改善電能質(zhì)量的目的。

4 結(jié) 論

在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中電能的地位非常重要，既對(duì)人們生活水平的提高產(chǎn)生影響，又潛移默化的影響著社會(huì)的發(fā)展。本文對(duì)電氣行業(yè)中儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展進(jìn)行分析，以供參考。