储能技术在电气工程领域中的应用

摘要：储能技术的应用相当于在电力系统的发电和用电负荷之间增加一个具有电能“存储”效应的环节，它在电气工程领域中的应用就使得发电和用电负荷之间得到一定程度的解藕与缓冲。所以系统在稳定性、可靠性及电能质量等方面都可以得到显著的提升。本文就储能技术进行简要分析，同时也探讨了储能技术在电气工程领域中的应用。

关键词：储能技术；电气工程；应用

中图分类号：F407.6文献标识码： A

在能源结构调整的大背景下，随着电力系统对安全、高效、稳定运行等条件的要求愈来愈高，我国电网的发展逐渐歩入一个全新的阶段——智能电网。而智能电网要求我们提供适应21世纪需求的高品质电能质量，适应众多的电源种类和电能储存方式。而智能电网它是一个集合了多种当代先进技术的复合系统，这些技术包括电力、储能技术、信息技术、电子技术、传感测量技术等，而储能技术是其中至关重要的一环。这是因为储能技术不仅能保障电网系统稳定运行和提高系统安全性能外，还可以为电力系统调峰填谷，解决供用电矛盾。因此，研究储能技术在电气工程领域中的应用是非常有意义的。

1、储能技术的概述

目前储能方式主要分为三类：机械储能、电磁储能、电化学储能。储能技术主要分为物理储能、化学储能和电磁储能三大类。而机械储能包括：抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。其中目前最成熟的大规模储能方式是抽水蓄能；电磁储能包括：超导储能、电容储能和超级电容器储能；电化学储能包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等等。液流电池具有大规模储能的潜力，但目前使用最广泛的还是铅酸电池。目前根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合；而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。本文就目前最主要的抽水储能技术、空气压缩储能技术、飞轮储能技术和超级电容器储能在电气工程领域中的应用进行分析。

2、储能技术在我国智能电网建设中的作用

随着经济社会的快速发展和人民群众生产生活对电力需求的快速增长，我国已经成为世界上第二大的电力生产国和消费国，在今后的长远发展中，电力系统的建设对我国有着举足轻重的意义。这是因为电能存储技术还在其他很多行业中扮演着不可或缺的角色，它的进步必定会带动一系列产业的优化和升级，为人类社会的良性发展贡献出巨大的正能量。为了人类居住的地球不再因为能源的稀缺而烽烟弥漫，电能的存储技术亟待取得新突破。下面就传统电网与智能电网功能对比表（见3-1）：

当然，智能电网既要适应大型电源中心的集中式接入，也要适应各类可再生能源发电的分散式接入。目前我国智能电网的发展面临着可再生能源发电与智能电网的互动和协调、均衡发展的问题，这就离不开储能技术的支持，储能技术是可再生能源发展应用的先决条件，也是实现智能电网与可再生能源发电互动、融合的必要方法。而智能电网将安全、无缝的融合各种不同类型的发电和储能系统，并能够使其并网过程达到最简化，最终近似的实现“即插即用”。而在智能电网建设中，大型集中式发电厂包括各种清洁能源的电源，这些大型电厂通过加强输电系统的建设仍然能够远距离输送电力，继续发挥主要的作用。因此，智能电网通过遍布电网的诸多储能节点，同时对电力资源进行更为有效的调度，有效平衡各方利益，提高整个电网的用能。

储能技术在电气工程领域中的应用

3.1、抽水储能技术

抽水储能技术最大的特点就是电能储存能力较大，对于电力系统用电高峰时期的电能补充有着优秀的表现。抽水蓄能电站是目前在实际工程中技术最成熟，同时应用最为广泛的一种储能方式，其结构如图1所示：

图1 抽水蓄能电站示意图

抽水储能电站在构成上必须具有上、下游两个水库，其工作原理是在电力负荷低谷时期，利用电网剩余电能将水从下游水库抽到上游水库，即相当于将电能转化成水的重力势能存储，在这个过程中，抽水储能装置工作于电动机状态；而在负荷高峰吋段，系统利用储存于上游水库中水的重力势能进行发电，补充电网供电不足，在这个过程中，抽水储能装置则是工作于发电机的状态。抽水储能电站是现在唯一可以大规模解决电力系统中峰谷调节困难的方法，其具有多种优点：技术上已经成熟，运行可靠，容量可以做得很大；缺点是地理条件因素会限制水库的建造，具有合适的高低水库且适合建造储能电站的地理位置较少，一般又都远离负荷中心，输电损耗较大，地理位置偏僻也给其维护带来了不便。

3.2、空气压缩储能技术

压缩空气储能技术主要用于燃气轮机发电设备。压缩空气储能示意图（见图2）。

压缩空气储能电站在实质上是一种用于调峰的燃气轮机发电厂，其主要原理利用电力系统负荷低谷时段的剩余电力进行压缩空气作业，并将其储存于高压密封设施内，在负荷高峰时段释放出来用以驱动燃气轮机发电。压縮空气储能与抽水储能类似，只要能做到较大规模，就可用于解决峰谷差问题，其关键问题就是找到一个适合储存压缩空气的场所，最合适的场所是水封恒压储气站，这种场所可以保持输出为恒压气体，因此能够保障燃气轮机稳运行稳定，增加系统的稳定性。随着分布式发电系统的发展，提高储气压力和减小储气库容量就显得更为必要，今后，微型压缩空气蓄能电站(micro-CAES)将是CAES最具有应用性的发展途径。

3.3、飞轮储能技术

目前的飞轮储能技术主要是通过一个旋转质量块与轴承组成。其中轴承是采用磁悬浮技术，主要目的就是为了减少由于旋转摩擦引起的能量损耗，提高储能效率延长使用年限。飞轮储能技术由于受外界环境影响较大，因此推广程度不及抽水储能及化学蓄电池储能。（飞轮储能见图3）

飞轮储能的原理是当系统储存能量时，将电能通过内部的电机转化为飞轮的动能储存起来，当需要放电时，又将飞轮的动能经过电机还原为电能，输送给外部负载使用。目前，飞轮储能主要用于不间断电源系统、应急电源系统、电网调峰以及频率控制。随着磁悬浮轴承技术的进步，飞轮的大型化、高速化发展以及轴承有效载荷密度的提高，飞轮储能的应用将会更加广泛。

3.4、超级电容器储能

电容是电力行业常见的元件，但是超级电容器与传统电容器有很大的区别。超级电容器的电介质常数更大，其过大的内部表面积使得超级电容器有着出众的耐压优势。大部分超级电容器的材质都是采用陶瓷来记性设计，因为陶瓷有着极高的耐压和绝缘效果，超级电容储能技术是未来储能技术的主要发展方向。超级屯容器储能示意图（见图4）

超级电容器经过近几年的发展，目前已形成诸多系列产品，超级电容器储能最大储能量已达30 MJ，但由于超级电容器价格比较昂贵，其发展空间受到一定的限制，在电力系统中，超级电容器储能—般用于负载平滑、改善电能质量、调整高峰值功率等，在系统电压跌落或受到瞬态干扰时提高供电质量。

4、储能技术未来发展方向

我国未来智能电网的发展要求提高能源利用效率、调整能源结构、增加替代能源，实现能源的可持续发展。储能技术可以调节可再生能源发电的输出功率，并使其具备向电力系统提供频率控制功能以及快速功率响应等辅助服务，为可再生能源的大规模应用开辟了可行之路。当前，电力储能技术正向着转换效率的高效化、储存能量的高密度化和应用的低成本化方向发展，通过各种试验示范和实际运行，其发展日趋成熟，我们有理由相信，在我国智能电网的建设发展中，储能技术必将会有更广阔的应用和发展。

参考文献：

[1]程时杰,李刚,孙海顺,文劲宇.储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J].电网与清洁能源,2009,02:1-8.

[2]张雪莉,刘其辉,李建宁,李赢.储能技术的发展及其在电力系统中的应用[J].电气应用,2012,12:50-57.