智能電網關鍵技術研究與應用叢書電網儲能技術?作者簡介BenoitRobyns是法國里爾高級工程師學院(HEI)研究主任，里爾電氣工程及電力電子實驗室(L2EP)“電力系統”團隊負責人。公司研究工程師。ChristopheSaudemont是法國里爾高工程師學院教授，里爾電氣工程及曳力電智能電網關鍵技術研究與應用叢書電網儲能技術布魯諾·弗朗索瓦(BrunoFranccis)戈捷德力爾(GauthierDelille)戈捷德力爾(GauthierDelille)克里斯多夫·索德蒙(ChristopheSaudemont)譯本書共分7章展開論述，依次介紹了規模化電能儲存面臨的技術經濟性問題、典型儲能技術的最新進展、電力系統中的儲能應用場景，以及這些應用場景中儲能系統的能量管理策略和程序構建方法。本書重點在于提出了一套基于模糊邏輯的能量管理程序開發方法，利用這套方法能夠實現間歇性能源/儲能裝置的系統能量管理，完成不同運行模式之間的轉換控制。本書的特點是理論方法與實際案例相結合，輔以詳盡直觀的圖表、數據，使讀者不僅能夠掌握相關的理論知識，更能夠通過不同應用場景的實例，掌握能量管理設計方法。本書專業性較強，適合從事儲能系統設計、運行、管理控制等專業人員閱讀，也可供相關領域的研究生和教師使用。AllRightsReserved.Thistranslationpublishedunderlicense.AuthorizedtranslationfromtheEnglishlanguageedition,entitledEnergyStorageinElectricPowerGrids,ISBN978-1-84821-611-2,byBenoitRobyns,BrunoFrancois,GauthierDelille,ChristopheSaudemont,PublishedbyJohnWiley&Sons.Nopartofthisbookmaybereproducedinanyformwithoutthewrittenpermissionoftheoriginalcopyrightsholder.本書中文簡體字版由Wiley授權機械工業出版社出版，未經出版者書面允許，本書的任何部分不得以任何方式復制或抄襲。版權所有，翻印必究。北京市版權局著作權合同登記圖字：01-2015-7360號。電網儲能技術/(法)貝努瓦·雷恩等著;楊凱等譯.—北京：機械工業出版社，2017.8(智能電網關鍵技術研究與應用叢書)ISBN978-7-111-57508I①電…Ⅱ①貝…②楊…Ⅲ.①電能-儲能-研究IV.①TM910中國版本圖書館CTP數據核字(2017)第177953號機械工業出版社(北京市百萬莊大街22號郵政編碼100037)策劃編輯：劉星寧責任編輯：劉星寧責任校對：劉秀芝鄭婕封面設計：鞠楊責任印制：李昂三河市國英印務有限公司印刷2017年9月第1版第1次印刷0001—3000冊凡購本書，如有缺頁、倒頁、脫頁，由本社發行部調換電話服務服務咨詢熱線者購書熱線：010-68326294010-88379203封面無防偽標均為盜版網絡服務教育服務網：儲能技術是能源互聯網和可再生能源產業發展的關鍵技術之一，近年來儲能技術取得長足進步，逐漸具備了大規模市場化運營的能力。在這種情況下，尤其在多源、多負荷條件下如何實現儲能系統與新能源、電力系統之間的協調控制和高效管理成為急需解決的問題。本書圍繞以上問題展開了詳細的論述，全面分析了當前在電網中應用的儲能技術種類、應用場景以及應用控制策略等，使讀者能夠深入了解儲能技術在電網中的應用。本書得到了中國電力科學研究院專著出版基金的大力資助，在此深表謝意。本書翻譯的分工如下：楊凱、范茂松負責第1章，高飛、耿萌萌負責第2章，劉皓、尹秀娟負責第3章，閆濤負責第4章，許守平負責第5章，侯朝勇、張明杰負責第6、7章。楊凱負責全書的統稿和校對。在本書的翻譯過程中，翻譯組的各位同事通力合作，群策群力，在完成繁重的教學和科研工作的同時，力爭給讀者提供最準確的譯文表述，以及最有價值的專業知識。與此同時，在翻譯過程的各個環節都得到了機械工業出版社劉星寧編輯的大力幫助和指導，值此譯稿完成之際致以深深儲能技術涉及多學科、多領域的專業知識，盡管譯者竭力求證，但受到水平和專業領域所限，本書難免存在錯誤和不妥之處，懇請讀者不吝賜正。譯者于中國電力科學研究院Ⅲ由于氣候原因，能源轉型目前在全球范圍內已成為驅動更負責任的經濟增長革新的必然，因此，本書在許多方面都頗具價值。本書解決了基于可再生能源的新建發電系統在大規模擴散過程中遇到的主要技術障礙，如陸地和海上風電場、太陽能、甚至是微型水力系統。本書的重點是儲能，即能夠保證基于風和陽光等自然條件的間歇性能源正常生產的唯一解決辦法。大多數有關這一主題的書籍詳細描述了儲能技術的先進性，不過本書即使不是唯一一本，也是少數幾本書中的一本，它將一種或多種基于可再生能源的電源與儲能裝置相結合，講述了多種系統的能量管理問題，目的是將現有電網中此類系統和諧地整合在一起。Robyns教授和其合著者的最大貢獻是，通過本書循序漸進地提出一套完整的管理程序開發方法，對結合了間歇性能源與儲能裝置的系統進行能量管理。這些管理程序由模糊邏輯控制，而其控制法則則基于專門知識。利用這種方法，可以同時追求多個目標，并且完美控制不同運行模式之間的轉換。此外，對整個設計過程的描述則具體到實施和實驗確認等細節。本書給出了幾個組合示例，例如，與慣性儲能相結合的變速風力發電機，以及納入風電機組和絕熱壓縮空氣儲能的電網。在后面這個示例中，經濟優化也是管理程序的目的之一。因此，本書具有無可爭辯的現實意義，而且毫無疑問，它將成為通過可再生能源和能量及功率儲存裝置發電的系統管理程序設計參考書。EricMONMASSON法國塞吉-蓬圖瓦茲大學電能儲存是一個長期存在的問題，這一問題至今仍沒有完全解決，尤其是從經濟角度來看。到目前為止，電力生產一直主要依賴于靈活資源(基于不可再生燃料的水力和火力資源)進行及時生產。可再生能源的發展以及可降低二氧化碳排放量的輸送手段的需求，已經在儲能方面引起了新興趣，已成為可持續發展的重要組成部分。本書有助于更好地了解現有儲能技術以及正在開發的那些儲能技術，特別是關于這些技術的管理及其經濟性的提高。本書的目的是：1)展示電能儲存在智能電網可持續發展背景下的重要性。2)顯示電能儲存可以提供的各種服務。3)介紹利用一般教育方式構建儲能管理系統所采用的方法工具。這些工具都是基于因果形式主義、人工智能和明確的優化技術，將貫穿全書并結合具體案例進4)通過大量有關可再生能源并入電網的具體和有教育意義的例子，對這些方式方法進行說明。第1章介紹電能儲存的一些問題，電能不能直接以交流電流進行儲存。這一觀察已形成了當前的電力系統，該系統是以發出就消耗的電力為基礎的。然而，間歇性可再生能源的發展以及朝著更加智能化電網發展的趨勢，特別是就能量分布而言，有利于這種能量的儲存。本章將介紹儲能可以為電網提供的各種服務，從而促進其經濟性提高并解決其管理問題。本章將引入基于人工智能的管理設計方法；這特別適用于復雜系統的管理，這些系統中包括與發電量、用電量和電力網方面等相關的多種不確定性，定位于多個目標，并要求進行實時處理，這是未來智能電網的一項重大挑戰。第2章將對目前在工業領域或以示范形式所使用的各種電能儲存技術進行簡要說明，并通過一些實例對這些技術進行說明，對它們的主要特性進行介紹，并將其進行相互比較。第3章將對電力系統組件的一般特性進行檢查，并將對輸電和配電網絡管理模式進行介紹，著重介紹其平穩運行所需要的一些服務，其中包括與電壓和頻率控制有關的輔助服務。同時，本章將討論儲能對這些服務的潛在貢獻。顯然，這些網絡運營商、能量生產商和用戶以及由電力市場自由化產生的新參與者都與這些服務直接相關。最后，本章將以具體示例展示儲能對擁堵處理以及孤網突發不穩定時動態頻率控制的貢獻。第4章對模糊邏輯進行介紹，這是本書其余部分所采用的一種人工智能方法。模糊邏輯的基本概念將應用于慣性儲能系統的管理，該系統是向孤立現場供電的風能/柴油發電機混合系統的組成部分。第5章將開發一種方法，能夠使某一系統電力管理程序的系統設計納入電能儲V電網儲能技術存系統。由于這種方法是于模糊規則所表示的系統專門知識，因此，這種方法及其圖形創建，都不需要數學模型。輸入可以是隨機的，管理可以同時瞄準多個目標。由于運行模式是由模糊變量來確定的，所以，它們之間的轉換是漸進性的。最后，這種方法通過朝著荷電狀態(SoC)進行收斂且利用實時處理對其復雜性加以限制，而得以對儲能進行管理。將其應用于慣性儲能系統與變速風力發電機的關聯，該關聯構成了一個系統，能夠供給輔助服務或以獨立方式進行工作。我們將利用一個實驗性應用來討論這種類型的管理程序的實時實現，并將利用實驗性試驗對管理程序的不同變化形式進行比較。在第6章中，一種能量管理程序的設計方法將被用于多源和多儲能系統。本章研究的多源設施由一臺風力發電機、一個可預見且可控制的源及兩個擁有不同特性的儲能系統組成。盡管風力發電機源具有隨機性，且相關的發電量預測具有誤差，但本章的目標是讓該設施成為生產計劃的一部分，進而納入一個經典的網絡，并通過參與變頻控制對網絡的穩定性做出貢獻。本章將在不同的多源系統拓撲結構上對該管理程序的設計方法進行檢驗，以說明其系統化和模塊化的特性。本章還將借助量化指標對各種拓撲結構的性能進行比較。第7章講述了納入具有可再生風能發電量電力網的絕熱壓縮空氣儲能的管理和經濟性提高。本章的目的是分析中功率和高功率儲能裝置(從數十兆瓦至數百兆瓦)如何提高電力網的經濟性、用途和益處。本章將利用前面幾章中所介紹的管理建構方法開發一種實時儲能管理策略，以最大限度地提供服務，并使盈利能力最大化。此外，本章還將對管理程序的三種變體進行比較：一種管理程序只限于基于某一天為第二天所計劃供需的傳統經濟性提高，另一種是基于模糊邏輯的實時管理程序，最后一種則是第二種管理程序的布爾型變體。模擬結果表明，如果經濟儲能收益成為具有實時管理系統服務的一部分，則這種收益具有重要的意義。在本書所檢驗的一些示例中，假設儲能系統的一些量度特性(功率、能量和動態)是預先規定的。通過納入能量管理，可以采用與管理程序參數相同的方式對這些特性相對應的參數進行優化，其目的在于通過將智能納入管理程序而簡化這一量度及相關成本，這對經濟可行條件下的儲能發展構成了一種挑戰。本書所介紹的一些示例可以擴展到其他類型的間歇性可再生能源(光伏發電、小型水電、海洋發電等)以及其他儲能技術中。此外，還可以考慮其他目的，例如，儲能系統老化，以控制這些系統的演進。第1章電能儲存的相關問題 1 2 4 6 8第2章儲能的最新發展 2.2儲能技術 2.3儲能系統的特性 2.3.1儲能容量 2.3.5成本 2.3.6能量和比功率 2.3.7響應時間 2.3.8灰色能量 2.3.9能量狀態 2.3.10其他特性 2.4水力儲能 2.4.1水力儲能原理 2.4.2練習：黑湖電站 2.5壓縮空氣儲能 2.5.1壓縮空氣儲能原理 電網儲能技術2.5.2第一代和第二代壓縮空氣儲能 2.5.3絕熱壓縮空氣儲能 2.5.4空氣儲能 2.5.5液壓氣動儲能 2.6熱態儲能 2.6.1顯熱儲能 2.6.2潛熱儲能 2.7.1電化學儲能 2.7.2氫氣儲能 2.8動能儲能 2.9靜電儲能 2.10電磁儲能 2.11儲能技術的對比性能 2.12參考文獻 第3章電力系統中儲能的應用和價值 3.2電力系統介紹及其運行 3.2.1發電裝置 3.2.3需求 413.2.4電力系統運行的基礎知識 3.3儲能可提供的服務 3.3.2并入輸電網所需的服務 3.3.3為輸電系統運營商提供的潛在附加服務 3.3.4儲能為配電系統運營商提供的潛在服務 3.3.5為集中式發電業主提供的服務 3.3.6為可再生能源分散式發電商提供的服務 3.3.7為用戶提供的服務 3.3.8從市場活動中獲取的利益 3.4儲能對處理擁堵事件貢獻的示例 3.4.1電網充電狀態的指標 3.4.2電網演進愿景 3.4.3布列塔尼擁堵事件的處理 3.5儲能對孤島電網頻率控制提供動態支持的示例 3.5.1服務背景和潛在利益 3.7參考文獻 第4章模糊邏輯及其在混合風-柴油機系統動能儲存管理中的應用 4.2模糊邏輯介紹 4.2.1模糊推理原理 4.2.3模糊管理程序的階段 4.3.2能量管理策略 第5章配有儲能系統的風力發電管理程序構建方法 電網儲能技術5.4.3實施動作 5.5管理程序結構 5.5.3管理程序開發工具 5.6各種運行狀態的確定：功能圖 5.6.1N1功能圖 5.6.2N1.1功能子圖 5.6.3N1.2功能子圖 5.6.4N1.3功能子圖 5.7隸屬函數 5.8運行圖 5.8.1N1運行圖 5.8.2N1.1運行子圖 5.8.3N1.2運行子圖 5.8.4N1.3運行子圖 5.9模糊規則 5.10實驗驗證 5.10.1管理程序的植入 5.10.2實驗配置 5.10.3實驗結果和分析 5.12參考文獻 第6章混合多源/多儲能系統的管理程序設計 6.1概述 6.2含風力發電的混合多源系統管理程序的構建方法 6.2.2管理程序架構 6.2.4隸屬函數的確定 6.2.5運行圖的確定 6.2.6模糊規則提取 6.3混合多源系統中不同變量特性的比較 6.3.1模擬系統的特點 6.3.2不同混合源變量的模擬 X6.3.3根據不同指標對混合電源的特性進行比較 6.4結論 6.5.1輸出值波動范圍 6.5.2模糊規則 6.6參考文獻 第7章并網型絕熱壓縮空氣儲能的能量管理和經濟性提升 7.2儲能提供的服務 7.2.1儲能規劃 7.2.2頻率控制 7.2.4易變的可再生能源發電保障 7.3.2目標、限制和實施動作 7.3.3管理程序結構 7.3.4功能圖的確定 7.3.6運行圖的確定 7.3.7模糊規則的提取 7.4服務的經濟價值 7.4.1購買/銷售機制 7.4.2頻率控制計費 7.4.3額外服務計費 7.5應用 7.5.2儲能用于輔助服務時的貢獻收益 7.5.3模糊管理程序與布爾管理程序的利益對比 7.6結論 7.8參考文獻 1.1電能儲存面臨的困難在過去的150年間，電能載體已高度發達，這種載體已非常實用，在使用過程中沒有污染，如果是由可再生能源發電，則幾乎不會產生污染。變壓器可以對電壓和電流波的幅值隨意進行調節，由于使用變壓器，在非常高的電壓下遠距離輸送電能則成為可能。變壓器所提供的這種可能性逐漸可以解釋為什么采用交流電壓和電流可以使電網一直得以發展。電能載體的薄弱點在于不能直接儲存電流。它可以儲存靜電能量(在電容器中)或磁能(在超導線圈中),但這些解決方案的儲能容量相當有限。為了獲得很大的儲能容量，必須將電能轉換為另一種形式的能量。水輪泵站以勢能的形式儲能，能夠儲存大量的能量，但這些泵站所處區域必須要保證兩個液壓儲罐之間存在顯著的高度差。鉛酸蓄電池的電化學儲能早已用于機載應用和應急電源；而飛輪的動能儲存已經在固定應用上使用了數十年，諸如應急電源和一些機載應用，包括衛星。電化學電池使得連續儲存電能成為可能。慣性能量儲存要求可在變速運行的機械中使用，即在可變頻率下運行。由于電網是在固定頻率下以交流電壓和電流的形式供電，這些儲能技木的實施在電子功率出現之前仍頗為復雜。電子功率于20世紀60年代出現，目前用于隨意轉換電流和電壓的形式和特性。即使發電與用電之間的距離有數百千米之遙，電網管理也是基于發電量直接消耗這一原理進行設計，電能儲存的困難對此進行了解釋。核電設施能夠產生理想的恒定功率，且有利于水力儲能的發展。隨著核電設施的發展，這種方法已在法國逐步形成。能量直接消耗的優點是具有較高的整體能量收益。事實上，儲能所需的能量轉換因所采用的儲能技術不同，產生的損失也大不相同。這些損失介于10%~50%之間，甚至更多。然而，如果所儲存的能量來自于一個源，而該源的能量不儲存就會失去(源自于風能或光伏的能量就屬于這種情況),從這個角度看待收益這一概念則是正確的。最后應指出的是，電能可以被儲存，之后以另一種能量形式被使用。國內電網12電網儲能技術中的熱水箱就是這種情況，其最終使用的是熱能和通過電解制造的氫氣。某些負荷具有一種儲能容量，能夠控制電網的供電，如超市冷藏庫的制冷裝置或電動汽車中1.2電能儲存的原因電網管理主要基于發電量直接消耗這一原理。由于用電量是可變的，這種方法要求發電量恒定地適合于用電量。圖1.1和圖1.2所示為典型的家庭和商業用戶的特征，說明了用電量的可變特性取決于每天的時間、季節和負荷類型。每·消費者的負荷KW2:00AM3:30AM5:00AM6:30AM8:00AM9:30AM2:00PM每·消費者的負荷KW2:00AM3:30AM5:00AM6:30AM8:00AM9:30AM2:00PM3:30PMWd00:S6:30PM8:00PM9:30PM1冬季夏季淡季時問3:30AM5:00AM6:30AM9:30AM2:00PM3:30PM5:00PM6:30PM9:30PM20冬季夏季淡季時間由于可再生能源的發展，電網不得不面對適應高度間歇性發電的問題，風能、光伏能和海洋能以及小型徑流式水力發電的能量就屬于這種情況[ROB12c]。圖1.3所示為300kW風力發電機超過5min的發電量。除了很高的可變性外，還記錄的波動。圖1.4所示為一天內光伏設施的發電量；云層的出現導致這一發電量有較大的可變性。3功率/kW400功率/kW400350300250200A250300圖1.3300kW固定轉速風力發電機的發電量示例2009年6月16日00:00到2009年6月17日00:00的發電2009年6月16日00:00到2009年6月17日00:00的發電量分析3500—Pave(W)Inv.1晴天有云20002500圖1.4晴天有云的特征(來源：Auchan)水力資源也顯示了很大的波動。例如，海浪是一種豐富的資源，但其變化大且快，如圖1.5所示。一條河流的流量在幾個月甚至幾年的時間內會有顯著的波動，如圖1.6所示，甚至在暴雨后出現洪水的情況下，一條河流的流量在幾個小時內也會發生顯著的波動。因此，小型徑流式水力發電設施，如果沒有配備上游水壩或溢洪道，當出現這些波動時，則會產生無法控制的可變功率[ROB12c]。時間/s圖1.5浪高變化[MOU08]4電網儲能技術這些例子表明，發電量與用電量之間的平衡不會自然出現，高可變性可再生能源的日益發展已使其變得復雜化。這些可再生能源所發出的電能的儲存使得平穩發電成為可能，從而有助于其對用電量的適應。相反，如核電廠這種源可發出理想的恒定功率。在這種情況下，可對夜間發出的過剩發電量進行儲存，使得對一天高峰時間內的欠發電量進行補償成為可能。如鐵路、地鐵和電車等運輸系統的基礎設施也會影響電網，因為牽引裝置的起動和停止以及一天不同時期的交通流量波動會對電網產生功率波動[ROB15]。瞬時流量/(m3/s)瞬時流量/(m3/s)年份圖1.6瓦茲河10年來的最后，各種運輸模式(鐵路、船舶、航空、航天、公路車輛和機器人等)的機載系統將電能儲存系統納入了電力備用系統和當地電網中，以便制動時重新獲得能量，確保車輛推進。特別是電動汽車的發展，將顯著增加對高性能機載電力儲能的需要，以完全安全的方式為汽車提供盡可能多的自主性[ROB15]。儲能系統成本昂貴，而且它們在發電或用電系統中所產生的額外成本會抑制其安裝。因此，有必要確保在其壽命周期內儲能的經濟性能夠提高到至少能補償其投資和維護成本。儲能成本因技木及技術成熟度而有很大變化，這些技術是大量研究和開發工作的主題。電網儲能的增值將取決于儲能可以提供的各種服務，這些服務將取決于儲能在電網中的定位。對電網儲能的開發有兩種方法：1)與較大間歇性發電裝置相關(例如，與并入輸電網的風電相關的水力儲能);2)擴散，例如，在配電網中進行分布。為了使儲能有利可圖，有一種方法是使儲能系統在各參與者(管理者、生產商和用戶)之間可以貢獻的服務交互作用[DEL09]。這些服務包括：1)本地精確和動態的電壓控制；2)在降級運行中支持電網；3)網絡部分的電壓回復；4)對電網管理者(和用戶)的無功補償；5)降低輸電損失；6)電能質量；57)能量推遲和對發電裝置的支持；8)一次頻率控制和孤立電網的頻率穩定度；9)解決擁堵；10)支持參與輔助服務；11)清除恢復；12)保證發電量曲線；13)峰值平穩；14)用電推遲；15)供電質量/連續性。本書中提出的一些發展將對其中一些服務的實施進行說明。服務交互作用可以與相應的參與者交互作用相關聯；采用不同技術、不同類型的多種發電源(難以預測和預見的可再生能源、化石能源等)、多種用戶和多種儲能系統都具有不同和互補特性(功率、能量和動態)。因此，這些被稱為多源、多負荷和多儲能系統。一個多世紀以來，電網管理一直基于一種集中方法，其通信手段有限，尤其是在配電網中。隨著先進管理資源的出現，新通信技術的實施和使用將提高電網的智能化水平，并將有助于隨機發電量所占比重的安全增加，同時也提高了這些智能電用，將有利于可再生能源的發展，促進電網的穩定性，并有利于住宅領域、工業和輸電系統的自身消耗。作為這種演進的一部分，電動汽車的大規模發展可能使這些配電系統運營商2天然氣天然氣配電系統運營商1圖1.7通過互聯網通信的智能電網(來源：歐盟EU-DEEP項目)6電網儲能技術車輛發揮特殊作用，因為它們代表了一種巨大的儲能容量，這種儲能容量通過控制其負荷，甚至偶爾并入這一電網發電，有助于提高電網的效率和穩定性。電力市場的機制也影響著儲能系統的盈利能力。這些機制在不同的國家也有所不同，且在競爭性環境中隨著時間而演進，有助于電網產生或自用的可再生能量的發展、電動汽車等負荷及儲能的發展。對電網來說，這種并入電網的儲能可以看作是一個負荷或者電源，這取決于它是儲存能量還是發電量，這樣，作為用戶又作為發電商，其不得不為這一裝置支付雙倍的并網成本。儲能的發展必須有助于可持續性發展；因此，要考慮這些系統對減少二氧化碳排放量的貢獻，同時，不要忘記儲能系統自身建設所消耗的灰色能量，這是至關重要的。目前的一種趨勢是對儲能系統進行壽命周期分析(LCA)。對電網中儲能系統的管理必須應對以下幾項挑戰：1)制定對其狀態或特性不太了解(隨機)的電力系統的管理方法，其中采用的時間范圍可長(例如，一年，考慮可再生能源的季節性)可短(實時，對動態應力做出反應)。這些策略必須適應能源政策，目前的能源政策有利于對分散在整個區域內的低功率發電機進行擴充，這與目前的實際情況相反，目前的實際情況是運行少量極高功率的發電廠(在法國主要是核電)。2)開發多儲能方法。3)制定多目的管理策略并匯聚多種服務。在儲能系統管理策略的制定蟲，可提出各種不同的時間范圍(見圖1.8):日前市場日前市場裝置的可用性預測儲能容量實時管理實時電網Pref-siPrers2p儲能容量預測生產成木中期管理1)對應于一天時標的長期管理。2)對應于30~60min時標的中期管理。73)對應于確保系統運行所需最小時標的實時管理，該時標應足以支撐系統運行的穩定性，實現其目的，并考慮危險因素。這一時標的范圍介于數十微秒至數分鐘之間。對于有效儲能管理和經濟盈利能力而言，更長期的儲能規劃(數天、數周、數月或數年)也是必要的。考慮到待解決問題的復雜度、經濟目標和生態目標以及實現這些目標的各種解獻中提出了三組工具，對納入儲能的混合系統進行管理：1)因果形式化工具[ALL10,FAK11,ZHO11,DEL12]。這種方法包括確定功率潮流，其反向可用于確定基準功率。它需要這些源和儲能系統的詳細數學模型，并要求對這些不同的潮流以及相關的損失有很好的實時了解。2)外顯優化工具，具有目標函數[ROB12b,SAR13]。這種方法對確保最佳選擇是必要的，例如，它保證了可再生能源發電量的最大化。對適當公式化的成本函數進行最簡化是難以實現的，特別是在實時情況下。3)隱含優化工具，例如，具有模糊邏輯[CHE00,LEC03,LAG09,理“復雜”的系統，這些系統的管理依賴于難以預測且不好實時了解的數值或狀態(風、陽光、電網頻率和狀態、用電量變化等)。可以考慮不同的方法，并將其進行結合，以保證儲能管理：過濾器、校正器以及人工智能技術。在本書中，制定了一種管理程序的設計方法，專用于管理納入儲能的混合發電系統[ROB13a,ROB13b]。這種方法是工業過程控制設計中廣泛應用的一些方用于通過曲線圖構建系統控制，且一步一步地通過這種方式促進分析和實施。它們尤其適合于順序邏輯系統。然而，對包括隨機變量和連續狀態的混合發電裝置而言，這種類型的工具會達到其使用極限。因此，此處所提出的方法是這種曲線圖方法的擴展，以包括未精確了解的模糊值。因為這種方法基于模糊規則所表示的系統評估，所以這種方法不需要數學模型。輸入可以是隨機的，管理可以同時瞄準多個目標。因為運行模式是由模糊變量來確定的，所以它們之間的轉換是漸進性的。最后，這種方法通過朝著荷電狀態(SOC)進行收斂，且利用實時處理對復雜性加以限制，而得以對儲能進行管理。可以將其分解為8個步驟，以協助管理程序設計：1)確定系統規范：必須明確規定目標、制約條件和行動手段；2)制定管理程序的結構：確定必要的管理程序輸入和輸出；3)通過功能圖確定運行模式：基于對該系統的了解制定運行模式的曲線圖8電網儲能技術4)定義模糊變量的隸屬函數；5)通過運行曲線圖確定模糊模式；6)提取模糊規則、模糊管理程序的特性和運行曲線圖；7)定義對目標實現情況進行評估的指標，例如功率、能量、電壓質量、收益指標，或者是經濟性或環保性指標；8)對管理程序的參數進行優化，例如，通過實驗設計和/或基因算法進行本書將對涉及儲能的各種應用進行考慮，并結合一種或多種技術，在第4~7章中對可再生風能源以及經典源進行考慮，使這種方法逐步得到發展。這些示例也可輕松轉移到光伏電源的情況上。[ALL10]ALLEGREA.L.,BoUSCAYROLA.,DELARUEP.etal.,"EnergyTransactionsonIndustrialElectronics,vol.57,no.12,pp.4001-4012,December2010.controlforwind-dieselweakpowersystemns",IELETransactionson[COU10]COURTECUISSEV.,SPROOTENJ.,ROBYNSB.etal.,"Methodologytobuildfuzzylogicbasedsurervisionofhybridrenewableenesystems",MathematicsandCompulersinSimulation,vol.81,pp.208-224,October2010.contexteréglemertairederégulé",EuropeanJournalofElectricalEngineering,vol.12,nos.5-6,pp.733-762,2009.[DEL12]DELILLEG.,FRANCOISB.,MALARANGEG.,"Dynamicfrequencycontrolsupportbyenergystoragetoreducetheimpactofwindandsolargenerationonisolatedpowersystem'sinertia",IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.3,no.4,pp.931-939,October,2012.[FAK11]FAKHAMH.,LUD.,FRANCOISB.,"Powercontroldesignofaapplications",IEEETransactionsonIndustrialElectronics,vol.58,no.1,pp.85-94,January2011.[GUI99]GUILLEMAUDL.,GUGUENH.,"Extendinggrafcetforthespecificationofcontrolofhybridsystems",IEEEInternationalConferenceonSvstems,Man,andCybernetics,Tokyo,pp.171-175,第1章電能儲存的相關問題operationalplanningofamicrogridwithapv-basedactivegeneratorforsmartgridapplications",IEEETransactionsonIndustrialElectronics,vol.58,no.10,pp.4583-4592,October2011.[LAG09]LAGORSEJ.,STMOESG.M.,MIRAOUlogic-basedenergymanagementofhybridsystems",IEEETransactionsonIndustryApplications,vol.45,no.6,pp.2123-2129,November-December2009.[LEC03]LECLERCQL.,ROBYNSB.,GRAVEJ.M.,"Controlbasedonfuzzylogicofaflywheelenergystoragesystemassociatedwithgenerators",MathematicsandComputersinSimulation,vol.63,pp.271-280,2003.[LU10]LUD.,FAKHAMH.,Zenergymanagementofaphotovoltaicbasedpowerstationincludingstorageunits",Renewableenergv,vol.35,no.6,pp.1117-1124,June[MAR11]MARTINEZJ.S.,HISSELD.,PERAM.C.etal,"PracticalcontrolstructureandenergymanagementofatestbedhybridelectricvehicleIEEETransactionsonVehicularTechnology,vol60,no.9,pp.4139-4152,November2011.[MAR12]MARTINEZJ.S.,JOHNR.I.,HISSELD.etal.,Asurvey-basedtype-2fuzzylogicsystemforenergymanagementinhybridelectricalvehicles",InformationSciences,vol.190,pp.192-207,2012.[MOU08]MOUSLIMH,BABARITA.,SEAREV:systèmeélectriqueautonomederécupérationdeIénergiedesvagues,TechniquesdeI'Ingénieur,2008.[NEH11]NEHIRM.H.,WANGC.,STRUNZK.,"Arenewable/alternativeenergysystemsforelectricpowergeneration:configurations,controlandapplications",IEEETransactionsSustainableEnergy,vol.2,no.4,pp.392-403,October2011.ElectricalEnergySystems,ISTE,LondonandJohnWiley&Sons,NewYork,2012.[ROB12b]ROBOAMX.,IntegratedDesignbyOptimizationofElectricalEnergySystems,ISTE,LondonandJohnWiley&[ROB12c]ROBYNSB.,DAVIGNYA.,BRUNOF.etal.,Electricpowergenerationfromrenewablesources,ISTE,LondonandJohnWiley&Sons,NewYork,2012.[ROB13a]ROBYNSB.,DAVIGNYA.,SAUDEMONTC.,"Methodologiesforsupervisionofhybridenergysourcesbasedonstoragesystems-a9電網儲能技術survey",MathematicsandComputersinSimulation,vol.91,pp.52-71,ofstoragesystemsbasedpowersourcesandJournal,vol.20,nos.1-4,pp.25-35,2013.[ROB15]ROBYNSB.,SAUDEMONTC.,HISSELD.etal.,EnergyStorageinTransportationandBuildings,ISTE,LondonandJohnWiley&Sons,NewYork,forthcoming,2015.[SAR13]SARARIS.,KEFSIL.,electricvehiclesconnectedtotheInternationalJournalofElectricalEnergy,vol.1,no.4,pp.256-263,[ZHA10]ZHANGH.,MOLLETF.,SAUDEMONvalidationofenergystoragesystemmanagementstrategiesforalocalDCdistributionsystemofmoreelTransactionsonIndustrialElectronics,vol.57,no.12,pp.3905-3916,December2010.controlofanhybridactivElectronics,vol.58,no.1,pp.95-104,January2011.tutorial",IEEETransactionsonIndustrialElectronics,vol.41,no.6.pp.567-583,1994.第2章2.1概述本章將對電能儲存所采用的各種技術進行概述。這些技術的成熟程度有很大的不同；其中一些已使用了多年并且可在市場上見到，而另一些則僅處于論證階段。本章將對這些儲能技術的主要特性進行介紹，并進行相互比較。每一種技術都將通過一些示例進行說明。本章將對用于固定應用的儲能技術進行簡單說明，例如有關發電和配電的那些應用。適用于機載系統的儲能技術明顯因體積和重量原因而受到更多限制。以下技術能使電能得到長期儲存，時間超過10min甚至長達數月：1)在電網中大規模使用的液壓泵儲能和重力流儲能；2)以顯熱(無狀態變化)或潛熱(有狀態變化)形式儲熱；3)通過壓縮空氣以壓能的形式儲能；4)各種類型的可用電化學電池；5)通過電解得到氫氣儲能并使用燃料電池來恢復電力。以下技術能獲得短期電能儲存，時間為1s至幾分鐘：1)用飛輪這種旋轉塊儲存動能；2)用超導線圈儲存磁能[超導磁儲能(SMES)];3)用超級電容器儲存電能。圖2.1對通用電能儲存系統的主要功能進行了總結[MUL13]。這一概要表明了一種中間能量形式，該形式代表著“真實”儲能部分，或者更確切地說，代表著與內部狀態高度可逆變化相對應的部分。因此，對于充電(儲能)和放電階段的傳輸來說，為用電環境準備一個或多個接口變換器是必要的。為了將上述接口變換器的電能形式很好地轉換為整個電力系統運行所必需的形式，常常需要一個電子功率變換器；通常是一個固定頻率(交流)的正弦交流電壓源，或是一個明顯恒定值(直流)的連續源。它在通過卓越效能提供必要轉換電網儲能技術上發揮著主要作用，例如，使電動機在變速下運行，或分別在可變電壓或可變電流下對電容器或電感器進行充電和放電。最后，電子控制系統在提供許多重要功能方面是必要的，如轉換控制功能(在變速下對電動機的轉矩進行調節，對電動機的電流和/或電壓進行調節)和安全保證功能(監控，一系列元件的平衡等),且最為重要的是，將荷電狀態(SoC)或越來越偏愛的能量狀態(SoE)通知用戶。中間形式控制和診斷能量狀態信息化學能等)電子功率電源顯而易見的是，一套(完整)儲能系統包括兩個組成部分：一個與能量容量相關，另一個與最大功率(充電與放電之間有時是不對稱的)相關。本節按照Multon等人[MUL13]提出的分類，對儲能系統的主要特性進行介紹。這些特性用來比較開發者所提出的各種技術，并針對某一項給定的應用對儲能技術的選擇進行指導。2.3.1儲能容量對于儲能系統，理論上的最根本特性是其能量容量，用焦耳(J)或千瓦時(kWh)進行表示。它對于儲能系統的尺度選擇是一項最為重要的標準。然而，真正可利用的能量取決于對所儲存的所有能量進行利用的可能性(放電深度的限制)以及能量損失。2.3.2最大功率和時間常數最大充電或放電功率(有時不對稱)代表了另一項重要特性，因為它限定了系統性能的最大能量輸出。它對功率儲存系統的尺度選擇具有非常大的影響。在給定的能量容量下，增加最大功率則要求增加系統某些部分的尺度，特別是電子功率變換器和與所儲存的物理值或化學值接口的那些部分(例如，電化學電池的電極表面)。因此，尺寸大小、質量和成本會受到這一特性的影響。可以通過能量容量與最大功率的比率對儲能技術進行定性；這一比率有時被稱為時間常數或最小充電/放電時間。當時間常數較小時(例如，小于1h)且功率尺度影響相對能量尺度影響較大時，這些即被稱為功率儲存系統，反之則被稱為儲能第2章儲能的最新發展在轉換過程中出現的各種能量轉換必然伴隨著一些損失，這些損失在很大程度上取決于所考慮的技術。能量損失可以分為兩類：1)第一類，可以突顯充放電損失；它們的第一近似值往往與功率潮流的二次方成正比。2)第二類，可以表示為空載損失(在任何方向上均無功率潮流),這類損失也稱為自放電損失。自放電損失通常取決于系統的能量狀態，并隨著能量狀態的變化而增加。在電化學電池中，這些損失可能非常低，大約是每月百分之幾的損失，而在飛輪中，損失會高得多，高達每小時百分之幾。利用這些不同的損失對每一循環的儲能效率進行評估[MUL13]。和其他物體一樣，儲能系統也會由于受到應力尤其是熱應力而老化。其復雜性(系統內的多種技術)增加了老化機制的數量，但通常只有一些技術起主導作用，一旦確定，則將在宏觀老化法則的制定中進行使用。與老化有關的劣化程度是由能量容量等特性的劣化程度表現的，能量容量減少或損失，劣化程度則增加；這通常在壽命周期內的后期會加速劣化過程，且如果未引起注意，則會因電涌而導致系統故障。實際上，在相同的能量流下，能量容量的減少會使相對應力增加(更密集的循環),且增加的損失會引起更嚴重的發熱，這本身也加速了劣化。由于在很大程度上與溫度相關，即使不存在能量交換，這些劣化也會隨著時間和充放電周期(速度、頻率和放電深度)而發生。投資成本對買方而言是最值得注意的一部分，但是，具有最低投資成本的系統一般是劣化最快的，特別是在循環方面，其效率(或)是最差的。對于時間常數較長的蓄電池(儲能),通常用歐元/kWh來說明成本；而對于時間常數較短的以功率為尺度的蓄電池(功率儲存),則通常用歐元/kW來說明運行成本，包括壽命周期內的保養、維修和能量損失(可能通過其在充電階段與放電階段之間的價值差進行加權)也必須加以考慮。因此，壽命周期內的老化和損失對于確定完全的經濟平衡是至關重要的。此外，在可持續發展系統中，還必須考慮主要材料和灰色能量的支出以及從制造到回收的額外環境成本。2.3.6能量和比功率特別是在機載應用的情況下，質量和體積是重要特性。從這一角度來看，電化學技術提供了最好的性能，其質能可達200Wh/kg,但這仍然常常不足。顯示功率和質能的Ragone圖常用來比較各種技術，并顯示它們特有的能量/功電網儲能技術率妥協。圖2.2所示為對幾種電化學技術和超級電容器進行比較的一個簡化例子。當比功率增加時，變換器部分的質量和體積也會增加，導致整體能量密度降低。但是請注意，Ragone圖通常不考慮完整儲能系統的所有組件，而是僅限于其核心，特別是不包含電子功率變換器。此外，在給定的尺度下，與功率相關的應力增加會導致更大的損失，從而降低有用的能量容量。圖2.2結合了技術尺度選擇變體以及損失的影響，對于一個給定組，這會產生一個能量密度，該能量密度隨著功率密度的增加而減少。鋰離了功率循環鋰離了超級電容器1放電時間鋰離子高能量(氧化還原)鋰離子鉛酸鈉硫比功率(W/kg)圖2.2一些電化學技術和超級電容器的Ragone圖例[MUL13](該圖的彩色版本請參見wwwiste.co.uk/robyns/powergrids.zip)對于固定應用，整個儲能系統有時安裝在一個標準的箱子內，所占用的地面面積是一項重要標準。因此，根據不同的應用(在能量或功率方面),另一個重要特性是表面能或功率(kWh/m2或kW/m2)。2.3.7響應時間并非所有的能量轉換現象都具有相同的動力學，一些技術與其他技術相比可以更快速地輸出最大功率。在飛輪系統中，由于速度只是受到與飛輪相連的電動機的電磁轉矩動態的限制，所產生的響應時間根據規模大約只是幾毫秒，所以，可以非常迅速地輸出功率。相反，水輪泵站需要1min到幾分鐘的時間才可達到滿功率。2.3.8灰色能量類似于投資成本，灰色能量是指制造和回收系統所需要的一次能量，它是納入儲能裝置的系統壽命周期內能量平衡計算的一項重要特性。目前這些數據尚不充足，不可用于對所有的技術進行客觀比較，也不可用于考慮老化影響[MUL13]。第2章儲能的最新發展2.3.9能量狀態無論是任何應用，了解能量狀態對合理管理儲能系統至關重要。能量狀態的定為在給定時刻的儲能量，即如果沒有放電損失(取決于放電效率，可有效恢復的能量值一定較低)時可用的總能量；Est為儲能容量。因此，100%的能量狀態值對應于充滿電的狀態，0%的能量狀態值對應于深度放電(最大可能的放電)。由于各種原因，多數儲能系統不能接受深度放電狀態，因為深度放電會使電化學電池過度老化或使其可允許的最大儲能容量降級。但是，也有可能在確定能量容量時已考慮了實現完全放電的不可能性。對能量狀態的評價是基于對所實施的物理或化學現象的觀察。在飛輪中，對飛輪的旋轉速度進行簡單的測量就可得到能量狀態值信息。在超級電容器或超導電感器中，分別測量電壓和電流可得到相對精確的能量狀對于其他“物理”系統，我們可以引用抽水蓄能電站(STEP)一個水庫的水位，以及壓縮空氣罐的壓力來評價。最后，電化學電池具有所有的具體特性，但最可靠的方法是使用電量分析法，這種方法是結合修正法對電荷進行代數測量，以便在電化學電池對荷電狀態足以敏感時，考慮充電或放電系統和/或電動勢測量的影響。荷電狀態通常是給定的，與其相對應的是與額定容量相關的累計電荷量(單位為C或Ah),如果電動勢相對獨立于荷電狀態，荷電狀態則類似于能量狀態。同時，根據能量狀態或荷電狀態的指示，我們看到健康狀態(SoH)或老化狀態的指標，特別是對于電化學電池而言；這些指標基于參數(如歐姆電阻或電容量)變化的估計值和測量值對劣化程度進行評估。2.3.10其他特性根據不同的應用，其他特性也是很有用的，例如，與安全有關的那些應用。任何儲能系統都存在失控、浪涌反應等潛在風險。每一種技術都有其特有的風險。最后，如果我們考慮大規模部署儲能裝置，必須考慮其使用的主要材料的稀2.4水力儲能2.4.1水力儲能原理通過液壓泵儲能廣泛應用于電網中。法國已建造了儲存容量為4200MW的這種抽水蓄能電站。但是，這種長期的大容量儲存需要大量的空間和巨大的垂直落差；這就是首先在山區開發這種儲能的原因。圖2.3所示為水力儲能的原理。在儲能階段，從較低的水庫抽水。在發電階電網儲能技術水泵和水輪機系統水泵和水輪機系統壓力管道低位蓄水結構段，通過水輪機將這些水轉換為電能。在儲能階段(抽水)和發電階段(轉變為機械能)使用同一個水泵和水輪機系統。抽水蓄能電站是大容量存儲所用的最普遍的方法；其投資成本最低，每一循環效率較高(取決于尺寸，介于65%~85%之間),且壽命非常長(幾十年)[MUL大量山區抽水蓄能電站，如法國的大屋(GrandMaison)(1700MW)、蒙泰齊克(Montézic)(4×220MW)、勒萬(Revin)(4×180MW)和勒謝拉(LeCheylas)(2×240MW),比利時也建造了庫-特魯-瓦蓬(Coo-TroisPonts)(1060MW)另外，也可以利用地下空腔與地面或海面與附近山區盆地之間的立體交叉。日本沖繩的海洋抽水蓄能電站已投入運行，法國電力公司(EDF)在留尼旺島、瓜德羅普島和馬提尼克島都建有項目。電能。比利時計劃在韋德(Wenduine)市附近距海岸3km的地方建設一座島嶼；該島嶼的延伸直徑達2.5km,高于海平面10m。白湖和黑湖是孚日山脈的兩個湖泊，垂直落差為120m。它們構成了兩個水庫，黑湖電站使水在這兩個水庫之間進行循環(見圖2.4)。在用電量高峰期時，水由水輪機驅動從白湖流向黑湖。在用電量低谷時，且當電能比較便宜時，水從黑湖抽向白湖。黑湖電站裝有四臺機組，每臺機組包括一臺交流發電機、一臺混流式水輪機和一臺水泵。整體安裝在一個單一的縱軸上，如圖2.5所示(來源：國內電氣工程匯總，1999)。這座電站建于20世紀30年代，目前正在進行改造，將對該電站進行重建，并使其變速運行。第2章儲能的最新發展圖2.4孚日山脈的黑湖和老水泵水輪機電站閥廊黑湖機房黑湖井交流發電機水輪機圖2.5老黑湖水泵水輪機電站圖解(Wikipedia,Crochet.david)老電站的主要特性是：1)總的可用功率：80MW;電網儲能技術2)水輪機/水泵組數：4組；3)單臺機組功率：20MW;4)最大高度落差：120m;5)#1~#4水輪機的最大單機流量Qut:25m3/s;6)#1~#3水泵的單機抽水量Qup:13m3/s;7)#4水泵的單機抽水量：9m3/s。白湖的總蓄水量為380萬m3。其最大和最小蓄水高度分別為1057.6m和黑湖的可用容量為200萬m3。其最大和最小蓄水高度分別為950.5m和932m。對于水輪機的運行，設計者提供了以下特性：落差為100m且水輪機流量為25m3/s時，交流發電機所提供的功率Pal為20MW。對于水泵的運行，其特性如下：高度差為117m且流量為13m3/s時，交流發電機所消耗的功率Pa為20MW。交流發電機-水輪機組和交流發電機-水泵組的效率被認為與落差和排水高度1)請根據這兩個湖泊的最大和最小蓄水高度，計算最大高度差Hmax和最小高2)請計算水輪機運行時機組的效率η和水泵運行時機組的效率ηp。3)請計算最大高度差Hma和最小高度差Hmin時，一臺機組供應20MW功率時的水輪機流量并進行評述。4)請計算最大高度差Hma和最小高度差Hmin時，#1~#3機組消耗20MW功率時的水泵流量。5)請計算在相同的高度差下，利用水輪機回收1kWh的電量時抽水系統的用6)在高度差為100m的情況下，當所有四臺機組在其最大單機流量下運行時，計算水輪機放水200萬m3的理論運行時間。7)在高度差為117m的情況下，當所有四臺機組在其最大單機流量下運行時，計算水泵抽水200萬m3的理論運行時間。答案1)最大垂直落差Hma為白湖處于最大額定蓄水量而黑湖處于最小額定蓄水量時的水位差。Hmax=1057.6m-932m=125.6m2)如果我們用Ph表示水力功率，則效率應根據以下公式確定：第2章儲能的最新發展25.525MWη=Palt/Ph=20/24.525=0.8155ηp=Ph/PaIt=14.921/20=0.746請注意，現代抽水蓄能電站技術，特別是可變速度技術，能夠使儲能系統實現更高的效率。3)當效率和電功率為恒定時，流量與落差高度成反比，或：當高度差小于100m時，由于水輪機的最大流量不能超過25m3/s,所以，不可能提供20MW的功率。4)當效率和電功率為恒定時，流量與水位高度成反比，或：5)能量效率是指水輪機所轉換的能量與水泵抽水所消耗的能量之比，η=η.·ηp=0.608。由此，我們可以推斷水輪機轉換1kWh的能量所需的用電量為Wpumped=1/(η·ηp)=1.643kWh6)四組機組耗水量為1C0m3/s,則200萬m3的蓄水量將使運行時間長達T?=(2000000/100)s=20000s,或5h33m7)四組機組抽水量為48m3/s,則抽水200萬m3需要的時間為2.5壓縮空氣儲能2.5.1壓縮空氣儲能原理眾所周知，利用壓縮空氣可以儲能，且該方法已大規模使用了30多年。圖2.6所示為壓縮空氣儲能(CAES)系統的說明性運行圖解。在儲能或加載階段，將空氣壓縮到大的地質空腔(鹽洞、采礦洞穴或巖石洞穴)中，或壓縮至加壓氣瓶中(較小規模)。當需要發電(縮減儲能階段或放電)時，空氣被引入驅動發電機的燃氣輪機中。有三種不同類型的壓縮空氣儲能技術：第一代燃氣壓縮空氣儲能、第二代燃氣壓縮空氣儲能和絕熱壓縮空氣儲能。2.5.2第一代和第二代壓縮空氣儲能第一代壓縮空氣儲能系統于1978年在德國托夫市(Huntorf)投入使用。其額電網儲能技術來自光伏電廠的來自光伏電廠的屯力(預熱空氣)壓縮機電動機高壓渦輪機電力入網天然氣燃燒室廢熱低壓渦輪機圖2.6壓縮空氣儲能系統的運行圖解[CLI15](該圖的彩色版本請參見www.iste.co.uk/robyns/powergrids.zip)定放電功率為300MW,可用時間超過3h第二代壓縮空氣儲能系統于1991年在美國的麥金托什(McIntosh)投入運行。它所提供的最大放電功率為110MW,可用時間超過26h。圖2.7所示為第一代燃氣壓縮空氣儲能系統的運行圖解。HP/HTLP/LTiLP:低壓LT:低溫天然氣/燃油HP/HTM代燃氣壓縮空氣儲能系統的運行圖解(法國電力公司)在充氣步驟中，電動機驅動壓縮機，增加引入空氣的壓力。空氣通過一個熱交換器進行冷卻，然后儲存在極深的地下洞穴中。在放氣過程(膨脹階段)中，通過使用額外的天然氣，在燃燒室內對空氣進行再加熱，以便在一個類似于燃氣輪機的機器內進行利用，該機器驅動發電機。這些類型裝置的預期效率介于48%~50%之間。為了恢復1kWh的電量到電網，有必要利用在抽水階段所消耗的第2章儲能的最新發展0.75kWh左右的電量，并在燃燒室中燃燒1.22kWh左右的天然氣。常規的壓縮空氣儲能可以看作是利用低用電量期間廉價的能量做壓縮功的一種方法，該能量不是通過天然氣燃燒瞬間獲得的。壓縮空氣儲能不是一種純粹的儲能技術，因為它總是與化石燃料(天然氣)的使用相關聯。第二代燃氣壓縮空氣儲能系統與燃氣輪機或任何其他熱源相連接，仍是有待成熟的一些概念。這些系統的工作原理與上一代的工作原理完全相同，但其設計不同或是“混合型的”,并基于對傳統燃氣輪機的改型。這種類型的設施會在幾年內在美國投入使用，且將能夠：1)使整體效率提高到55%;2)回收燃氣輪機或任何其他熱源的能量副產品，以在膨脹期間對離開洞穴的空氣進行再加熱(聯合循環原理);3)對所使用的裝置進行標準化，以降低投資成本。2.5.3絕熱壓縮空氣儲能最新一代的壓縮空氣儲能被稱為“絕熱”壓縮空氣儲能，其通過蓄熱系統的中間介質回收壓縮熱，從而使估計效率達到70%。它的主要特性是：1)利用蓄熱對壓縮熱進行回收，利用回收的熱能對離開洞穴的空氣進行再2)不再使用額外的天然氣來驅動燃氣輪機為發電機提供動力，將使用階段的污染排放物降低至零。圖2.8所示為第三代壓縮空氣儲能系統的運行圖解。LP/LTLP:低壓LT:低溫M圖2.8絕熱壓縮空氣儲能系統的運行圖解(法國電力公司)在充氣步驟中，壓縮過程包括用于從空氣中回收熱能的蓄熱。在膨脹階段，壓縮空氣驅動汽輪機來為發電機提供動力。其主要優點是減少污染物排放，且顯著提高效率。另一方面，投資成本仍然非常高，因為這種類型的技術仍然處于論證階段。電網儲能技術2.5.4空氣儲能壓縮空氣儲能有三種可能類型的解決方案：1)為壓縮空氣儲能專門開發的鹽洞或用于產鹽并改造用于壓縮空氣儲能的現有洞穴；2)含水地層或巖石地層；3)采礦洞穴以及為壓縮空氣儲能專門挖掘的洞穴，或改造的現有洞穴；礦山、采石場和關閉的地下儲能區。選擇最合適的場地，應考慮地質特性，主要包括：1)深度介于200~1000m之間；2)洞穴的墻壁厚度；3)壓力變化時洞穴的穩定性；4)出現的礦物質和氧化風險。目前看來最適合壓縮空氣儲能的技術，至少是從技術和經濟角度來看，是通過溶解挖掘的鹽洞。這種技術用于鹽水生產和液態烴或天然氣儲存。目前，有兩個運行中的壓縮空氣儲能系統使用了鹽洞。圖2.9所示為位于托夫市(Huntorf)的洞穴運行圖解，其最低工作壓力為4.6MPa,可以儲存30萬m3的空氣，壓力達到7.2MPa。2.5.5液壓氣動儲能液壓氣動儲能(HyPES)或等溫壓縮空氣-750圖2.9位于托夫市(Huntorf)的壓縮空氣儲能洞穴[DAN12]儲能(ICAES)是通過液壓馬達泵對罐中的氣體(例如空氣或氮氣)進行加壓(見圖2.10)。利用中間流體(油或水)得到相對較高的效率；在任何情況下，該效率都高于使用空氣馬達壓縮機系統的效率，因為壓縮和膨脹階段可以是準等溫過這種類型的系統當前幾乎不存在。在瑞士[洛桑聯邦理工學院(EPFL),Enairys電力技術公司已啟動],具有多級液壓馬達泵的HyPES2系統已投入使用，公司于2009年投入使用了一個5-1kWh的示范項目，且正在開發更強大的項目(幾兆瓦)。這些組件的潛在較低成本和極高的再循環能力使這類系統在固定應用中成為電化學技術的強大競爭對手。因此，從壽命周期內的成本上來看，該技術目前似乎是一個極有吸引力的解決方案。然而，目前還沒有任何解決方案在市場上出售，盡管它們可能在不遠的將來會在市場上出售。在效率-成本-容量方面的改進仍然是必要的，這是壓縮空氣罐周期性老化的更好表征，以便保證在壽命周期內的實際盈利能力[MUL13]。第2章儲能的最新發展壓縮氣體蓄能器壓縮氣體蓄能器直流母線DC-AC變換器貯液器(水或油)電動機液壓泵控制圖2.10帶有封閉空氣回路的液壓氣動儲能系統[MUL13]有兩種可能的高溫熱態儲能方法：1)顯熱儲能；2)潛熱儲能。2.6.1顯熱儲能這種方法是基于加載和釋放某種物質的能量并使其溫度變化這種簡單的物理原理。因此，所儲存的能量與所使用物質的質量、熱容量和溫度變化成正比。半個多世紀以來，化工行業通過結合流體的傳熱和蓄熱功能來利用熔鹽。利用固體物質儲存顯熱也被廣泛使用；這些物質在采用防火陶瓷或混凝土的玻璃和冶金行業，或太陽能發電塔的沙流化床中作為回熱器使用。在新墨西哥州的阿爾伯克基(Albuquerque),阿海琺能源公司(Areva)在桑迪亞國家實驗室的太陽熱力學太陽能園區推出了利用熔鹽的儲能示范裝置[ROB12],該裝置將聚光器與線性菲涅爾反射鏡結合在一起(見圖2.11)。熔鹽用作傳熱流體，從熔鹽中提取一個“冷”貯液器(290℃),與反射鏡接觸將熔鹽加熱至550℃,然后使熔鹽通過一個熱交換器，產生發電所需要的蒸汽。最后，將熔鹽重新引回冷貯液器，并且該過程可以在一個回路中反復進行，或將其引入一個單獨的貯液器進行儲存。太陽能發電裝置既可以在白天也可以在夜間發電。注意，在本例中，沒有可逆的電力儲存，只是蓄熱支持高度可變的發電。可以通過熱抽運(泵熱電力儲存)得到一個真正的電力儲存系統；這一概念包括利用熱泵將能量以熱的形式儲存在具有高預期效率的廉價固體物質中[MUL13]。在加載階段，利用電力對工作流體進行壓縮，并將其熱量儲存在一個高溫容器中。在釋放時，利用加壓的高溫流體為汽輪發電機提供動力。每一循環的效率估計在70%左右。2.6.2潛熱儲能盡管它呈現出更高的能量密度，但由于汽相占有的體積過大，因此，難以利用液態-氣態的潛熱儲能。在另一層面，對液態-固態的潛熱(其儲能容量較低，但仍比顯熱的儲能容量