智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用叢書電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)?作者簡介BenoitRobyns是法國里爾高級工程師學(xué)院(HEI)研究主任，里爾電氣工程及電力電子實(shí)驗(yàn)室(L2EP)“電力系統(tǒng)”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。公司研究工程師。ChristopheSaudemont是法國里爾高工程師學(xué)院教授，里爾電氣工程及曳力電智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用叢書電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)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(guī)模化電能儲(chǔ)存面臨的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問題、典型儲(chǔ)能技術(shù)的最新進(jìn)展、電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能應(yīng)用場景，以及這些應(yīng)用場景中儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略和程序構(gòu)建方法。本書重點(diǎn)在于提出了一套基于模糊邏輯的能量管理程序開發(fā)方法，利用這套方法能夠?qū)崿F(xiàn)間歇性能源/儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)能量管理，完成不同運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換控制。本書的特點(diǎn)是理論方法與實(shí)際案例相結(jié)合，輔以詳盡直觀的圖表、數(shù)據(jù)，使讀者不僅能夠掌握相關(guān)的理論知識(shí)，更能夠通過不同應(yīng)用場景的實(shí)例，掌握能量管理設(shè)計(jì)方法。本書專業(yè)性較強(qiáng)，適合從事儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理控制等專業(yè)人員閱讀，也可供相關(guān)領(lǐng)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(quán)機(jī)械工業(yè)出版社出版，未經(jīng)出版者書面允許，本書的任何部分不得以任何方式復(fù)制或抄襲。版權(quán)所有，翻印必究。北京市版權(quán)局著作權(quán)合同登記圖字：01-2015-7360號。電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)/(法)貝努瓦·雷恩等著;楊凱等譯.—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.8(智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用叢書)ISBN978-7-111-57508I①電…Ⅱ①貝…②楊…Ⅲ.①電能-儲(chǔ)能-研究IV.①TM910中國版本圖書館CTP數(shù)據(jù)核字(2017)第177953號機(jī)械工業(yè)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(zé)任編輯：劉星寧責(zé)任校對：劉秀芝鄭婕封面設(shè)計(jì)：鞠楊責(zé)任印制：李昂三河市國英印務(wù)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(fā)行部調(diào)換電話服務(wù)服務(wù)咨詢熱線者購書熱線：010-68326294010-88379203封面無防偽標(biāo)均為盜版網(wǎng)絡(luò)服務(wù)教育服務(wù)網(wǎng)：儲(chǔ)能技術(shù)是能源互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來儲(chǔ)能技術(shù)取得長足進(jìn)步，逐漸具備了大規(guī)模市場化運(yùn)營的能力。在這種情況下，尤其在多源、多負(fù)荷條件下如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源、電力系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)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(xì)的論述，全面分析了當(dāng)前在電網(wǎng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)種類、應(yīng)用場景以及應(yīng)用控制策略等，使讀者能夠深入了解儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。本書得到了中國電力科學(xué)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(fù)責(zé)第1章，高飛、耿萌萌負(fù)責(zé)第2章，劉皓、尹秀娟負(fù)責(zé)第3章，閆濤負(fù)責(zé)第4章，許守平負(fù)責(zé)第5章，侯朝勇、張明杰負(fù)責(zé)第6、7章。楊凱負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)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(xué)和科研工作的同時(shí)，力爭給讀者提供最準(zhǔn)確的譯文表述，以及最有價(jià)值的專業(yè)知識(shí)。與此同時(shí)，在翻譯過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都得到了機(jī)械工業(yè)出版社劉星寧編輯的大力幫助和指導(dǎo)，值此譯稿完成之際致以深深儲(chǔ)能技術(shù)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，盡管譯者竭力求證，但受到水平和專業(yè)領(lǐng)域所限，本書難免存在錯(cuò)誤和不妥之處，懇請讀者不吝賜正。譯者于中國電力科學(xué)研究院Ⅲ由于氣候原因，能源轉(zhuǎn)型目前在全球范圍內(nèi)已成為驅(qū)動(dòng)更負(fù)責(zé)任的經(jīng)濟(jì)增長革新的必然，因此，本書在許多方面都頗具價(jià)值。本書解決了基于可再生能源的新建發(fā)電系統(tǒng)在大規(guī)模擴(kuò)散過程中遇到的主要技術(shù)障礙，如陸地和海上風(fēng)電場、太陽能、甚至是微型水力系統(tǒng)。本書的重點(diǎn)是儲(chǔ)能，即能夠保證基于風(fēng)和陽光等自然條件的間歇性能源正常生產(chǎn)的唯一解決辦法。大多數(shù)有關(guān)這一主題的書籍詳細(xì)描述了儲(chǔ)能技術(shù)的先進(jìn)性，不過本書即使不是唯一一本，也是少數(shù)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(chǔ)能裝置相結(jié)合，講述了多種系統(tǒng)的能量管理問題，目的是將現(xiàn)有電網(wǎng)中此類系統(tǒng)和諧地整合在一起。Robyns教授和其合著者的最大貢獻(xiàn)是，通過本書循序漸進(jìn)地提出一套完整的管理程序開發(fā)方法，對結(jié)合了間歇性能源與儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)進(jìn)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(shí)。利用這種方法，可以同時(shí)追求多個(gè)目標(biāo)，并且完美控制不同運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換。此外，對整個(gè)設(shè)計(jì)過程的描述則具體到實(shí)施和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)等細(xì)節(jié)。本書給出了幾個(gè)組合示例，例如，與慣性儲(chǔ)能相結(jié)合的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以及納入風(fēng)電機(jī)組和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的電網(wǎng)。在后面這個(gè)示例中，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化也是管理程序的目的之一。因此，本書具有無可爭辯的現(xiàn)實(shí)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(chǔ)存裝置發(fā)電的系統(tǒng)管理程序設(shè)計(jì)參考書。EricMONMASSON法國塞吉-蓬圖瓦茲大學(xué)電能儲(chǔ)存是一個(gè)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(jīng)濟(jì)角度來看。到目前為止，電力生產(chǎn)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(jìn)行及時(shí)生產(chǎn)。可再生能源的發(fā)展以及可降低二氧化碳排放量的輸送手段的需求，已經(jīng)在儲(chǔ)能方面引起了新興趣，已成為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。本書有助于更好地了解現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)以及正在開發(fā)的那些儲(chǔ)能技術(shù)，特別是關(guān)于這些技術(shù)的管理及其經(jīng)濟(jì)性的提高。本書的目的是：1)展示電能儲(chǔ)存在智能電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展背景下的重要性。2)顯示電能儲(chǔ)存可以提供的各種服務(wù)。3)介紹利用一般教育方式構(gòu)建儲(chǔ)能管理系統(tǒng)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(yōu)化技術(shù)，將貫穿全書并結(jié)合具體案例進(jìn)4)通過大量有關(guān)可再生能源并入電網(wǎng)的具體和有教育意義的例子，對這些方式方法進(jìn)行說明。第1章介紹電能儲(chǔ)存的一些問題，電能不能直接以交流電流進(jìn)行儲(chǔ)存。這一觀察已形成了當(dāng)前的電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以發(fā)出就消耗的電力為基礎(chǔ)的。然而，間歇性可再生能源的發(fā)展以及朝著更加智能化電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，特別是就能量分布而言，有利于這種能量的儲(chǔ)存。本章將介紹儲(chǔ)能可以為電網(wǎng)提供的各種服務(wù)，從而促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)方法；這特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的管理，這些系統(tǒng)中包括與發(fā)電量、用電量和電力網(wǎng)方面等相關(guān)的多種不確定性，定位于多個(gè)目標(biāo)，并要求進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這是未來智能電網(wǎng)的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。第2章將對目前在工業(yè)領(lǐng)域或以示范形式所使用的各種電能儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行簡要說明，并通過一些實(shí)例對這些技術(shù)進(jìn)行說明，對它們的主要特性進(jìn)行介紹，并將其進(jìn)行相互比較。第3章將對電力系統(tǒng)組件的一般特性進(jìn)行檢查，并將對輸電和配電網(wǎng)絡(luò)管理模式進(jìn)行介紹，著重介紹其平穩(wěn)運(yùn)行所需要的一些服務(wù)，其中包括與電壓和頻率控制有關(guān)的輔助服務(wù)。同時(shí)，本章將討論儲(chǔ)能對這些服務(wù)的潛在貢獻(xiàn)。顯然，這些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、能量生產(chǎn)商和用戶以及由電力市場自由化產(chǎn)生的新參與者都與這些服務(wù)直接相關(guān)。最后，本章將以具體示例展示儲(chǔ)能對擁堵處理以及孤網(wǎng)突發(fā)不穩(wěn)定時(shí)動(dòng)態(tài)頻率控制的貢獻(xiàn)。第4章對模糊邏輯進(jìn)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(yīng)用于慣性儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理，該系統(tǒng)是向孤立現(xiàn)場供電的風(fēng)能/柴油發(fā)電機(jī)混合系統(tǒng)的組成部分。第5章將開發(fā)一種方法，能夠使某一系統(tǒng)電力管理程序的系統(tǒng)設(shè)計(jì)納入電能儲(chǔ)V電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)存系統(tǒng)。由于這種方法是于模糊規(guī)則所表示的系統(tǒng)專門知識(shí)，因此，這種方法及其圖形創(chuàng)建，都不需要數(shù)學(xué)模型。輸入可以是隨機(jī)的，管理可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)目標(biāo)。由于運(yùn)行模式是由模糊變量來確定的，所以，它們之間的轉(zhuǎn)換是漸進(jìn)性的。最后，這種方法通過朝著荷電狀態(tài)(SoC)進(jìn)行收斂且利用實(shí)時(shí)處理對其復(fù)雜性加以限制，而得以對儲(chǔ)能進(jìn)行管理。將其應(yīng)用于慣性儲(chǔ)能系統(tǒng)與變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)聯(lián)，該關(guān)聯(lián)構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，能夠供給輔助服務(wù)或以獨(dú)立方式進(jìn)行工作。我們將利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用來討論這種類型的管理程序的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，并將利用實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)對管理程序的不同變化形式進(jìn)行比較。在第6章中，一種能量管理程序的設(shè)計(jì)方法將被用于多源和多儲(chǔ)能系統(tǒng)。本章研究的多源設(shè)施由一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、一個(gè)可預(yù)見且可控制的源及兩個(gè)擁有不同特性的儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)源具有隨機(jī)性，且相關(guān)的發(fā)電量預(yù)測具有誤差，但本章的目標(biāo)是讓該設(shè)施成為生產(chǎn)計(jì)劃的一部分，進(jìn)而納入一個(gè)經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)，并通過參與變頻控制對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性做出貢獻(xiàn)。本章將在不同的多源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上對該管理程序的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，以說明其系統(tǒng)化和模塊化的特性。本章還將借助量化指標(biāo)對各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行比較。第7章講述了納入具有可再生風(fēng)能發(fā)電量電力網(wǎng)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的管理和經(jīng)濟(jì)性提高。本章的目的是分析中功率和高功率儲(chǔ)能裝置(從數(shù)十兆瓦至數(shù)百兆瓦)如何提高電力網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、用途和益處。本章將利用前面幾章中所介紹的管理建構(gòu)方法開發(fā)一種實(shí)時(shí)儲(chǔ)能管理策略，以最大限度地提供服務(wù)，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(jìn)行比較：一種管理程序只限于基于某一天為第二天所計(jì)劃供需的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提高，另一種是基于模糊邏輯的實(shí)時(shí)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(jié)果表明，如果經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)能收益成為具有實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)服務(wù)的一部分，則這種收益具有重要的意義。在本書所檢驗(yàn)的一些示例中，假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的一些量度特性(功率、能量和動(dòng)態(tài))是預(yù)先規(guī)定的。通過納入能量管理，可以采用與管理程序參數(shù)相同的方式對這些特性相對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(guān)成本，這對經(jīng)濟(jì)可行條件下的儲(chǔ)能發(fā)展構(gòu)成了一種挑戰(zhàn)。本書所介紹的一些示例可以擴(kuò)展到其他類型的間歇性可再生能源(光伏發(fā)電、小型水電、海洋發(fā)電等)以及其他儲(chǔ)能技術(shù)中。此外，還可以考慮其他目的，例如，儲(chǔ)能系統(tǒng)老化，以控制這些系統(tǒng)的演進(jìn)。第1章電能儲(chǔ)存的相關(guān)問題 1 2 4 6 8第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)展 2.2儲(chǔ)能技術(shù) 2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性 2.3.1儲(chǔ)能容量 2.3.5成本 2.3.6能量和比功率 2.3.7響應(yīng)時(shí)間 2.3.8灰色能量 2.3.9能量狀態(tài) 2.3.10其他特性 2.4水力儲(chǔ)能 2.4.1水力儲(chǔ)能原理 2.4.2練習(xí)：黑湖電站 2.5壓縮空氣儲(chǔ)能 2.5.1壓縮空氣儲(chǔ)能原理 電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)2.5.2第一代和第二代壓縮空氣儲(chǔ)能 2.5.3絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能 2.5.4空氣儲(chǔ)能 2.5.5液壓氣動(dòng)儲(chǔ)能 2.6熱態(tài)儲(chǔ)能 2.6.1顯熱儲(chǔ)能 2.6.2潛熱儲(chǔ)能 2.7.1電化學(xué)儲(chǔ)能 2.7.2氫氣儲(chǔ)能 2.8動(dòng)能儲(chǔ)能 2.9靜電儲(chǔ)能 2.10電磁儲(chǔ)能 2.11儲(chǔ)能技術(shù)的對比性能 2.12參考文獻(xiàn) 第3章電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能的應(yīng)用和價(jià)值 3.2電力系統(tǒng)介紹及其運(yùn)行 3.2.1發(fā)電裝置 3.2.3需求 413.2.4電力系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)知識(shí) 3.3儲(chǔ)能可提供的服務(wù) 3.3.2并入輸電網(wǎng)所需的服務(wù) 3.3.3為輸電系統(tǒng)運(yùn)營商提供的潛在附加服務(wù) 3.3.4儲(chǔ)能為配電系統(tǒng)運(yùn)營商提供的潛在服務(wù) 3.3.5為集中式發(fā)電業(yè)主提供的服務(wù) 3.3.6為可再生能源分散式發(fā)電商提供的服務(wù) 3.3.7為用戶提供的服務(wù) 3.3.8從市場活動(dòng)中獲取的利益 3.4儲(chǔ)能對處理擁堵事件貢獻(xiàn)的示例 3.4.1電網(wǎng)充電狀態(tài)的指標(biāo) 3.4.2電網(wǎng)演進(jìn)愿景 3.4.3布列塔尼擁堵事件的處理 3.5儲(chǔ)能對孤島電網(wǎng)頻率控制提供動(dòng)態(tài)支持的示例 3.5.1服務(wù)背景和潛在利益 3.7參考文獻(xiàn) 第4章模糊邏輯及其在混合風(fēng)-柴油機(jī)系統(tǒng)動(dòng)能儲(chǔ)存管理中的應(yīng)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(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電管理程序構(gòu)建方法 電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)5.4.3實(shí)施動(dòng)作 5.5管理程序結(jié)構(gòu) 5.5.3管理程序開發(fā)工具 5.6各種運(yùn)行狀態(tài)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(shù) 5.8運(yùn)行圖 5.8.1N1運(yùn)行圖 5.8.2N1.1運(yùn)行子圖 5.8.3N1.2運(yùn)行子圖 5.8.4N1.3運(yùn)行子圖 5.9模糊規(guī)則 5.10實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 5.10.1管理程序的植入 5.10.2實(shí)驗(yàn)配置 5.10.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 5.12參考文獻(xiàn) 第6章混合多源/多儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理程序設(shè)計(jì) 6.1概述 6.2含風(fēng)力發(fā)電的混合多源系統(tǒng)管理程序的構(gòu)建方法 6.2.2管理程序架構(gòu) 6.2.4隸屬函數(shù)的確定 6.2.5運(yùn)行圖的確定 6.2.6模糊規(guī)則提取 6.3混合多源系統(tǒng)中不同變量特性的比較 6.3.1模擬系統(tǒng)的特點(diǎn) 6.3.2不同混合源變量的模擬 X6.3.3根據(jù)不同指標(biāo)對混合電源的特性進(jìn)行比較 6.4結(jié)論 6.5.1輸出值波動(dòng)范圍 6.5.2模糊規(guī)則 6.6參考文獻(xiàn) 第7章并網(wǎng)型絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的能量管理和經(jīng)濟(jì)性提升 7.2儲(chǔ)能提供的服務(wù) 7.2.1儲(chǔ)能規(guī)劃 7.2.2頻率控制 7.2.4易變的可再生能源發(fā)電保障 7.3.2目標(biāo)、限制和實(shí)施動(dòng)作 7.3.3管理程序結(jié)構(gòu) 7.3.4功能圖的確定 7.3.6運(yùn)行圖的確定 7.3.7模糊規(guī)則的提取 7.4服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 7.4.1購買/銷售機(jī)制 7.4.2頻率控制計(jì)費(fèi) 7.4.3額外服務(wù)計(jì)費(fèi) 7.5應(yīng)用 7.5.2儲(chǔ)能用于輔助服務(wù)時(shí)的貢獻(xiàn)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(jié)論 7.8參考文獻(xiàn) 1.1電能儲(chǔ)存面臨的困難在過去的150年間，電能載體已高度發(fā)達(dá)，這種載體已非常實(shí)用，在使用過程中沒有污染，如果是由可再生能源發(fā)電，則幾乎不會(huì)產(chǎn)生污染。變壓器可以對電壓和電流波的幅值隨意進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于使用變壓器，在非常高的電壓下遠(yuǎn)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(wǎng)一直得以發(fā)展。電能載體的薄弱點(diǎn)在于不能直接儲(chǔ)存電流。它可以儲(chǔ)存靜電能量(在電容器中)或磁能(在超導(dǎo)線圈中),但這些解決方案的儲(chǔ)能容量相當(dāng)有限。為了獲得很大的儲(chǔ)能容量，必須將電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量。水輪泵站以勢能的形式儲(chǔ)能，能夠儲(chǔ)存大量的能量，但這些泵站所處區(qū)域必須要保證兩個(gè)液壓儲(chǔ)罐之間存在顯著的高度差。鉛酸蓄電池的電化學(xué)儲(chǔ)能早已用于機(jī)載應(yīng)用和應(yīng)急電源；而飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存已經(jīng)在固定應(yīng)用上使用了數(shù)十年，諸如應(yīng)急電源和一些機(jī)載應(yīng)用，包括衛(wèi)星。電化學(xué)電池使得連續(xù)儲(chǔ)存電能成為可能。慣性能量儲(chǔ)存要求可在變速運(yùn)行的機(jī)械中使用，即在可變頻率下運(yùn)行。由于電網(wǎng)是在固定頻率下以交流電壓和電流的形式供電，這些儲(chǔ)能技木的實(shí)施在電子功率出現(xiàn)之前仍頗為復(fù)雜。電子功率于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)，目前用于隨意轉(zhuǎn)換電流和電壓的形式和特性。即使發(fā)電與用電之間的距離有數(shù)百千米之遙，電網(wǎng)管理也是基于發(fā)電量直接消耗這一原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，電能儲(chǔ)存的困難對此進(jìn)行了解釋。核電設(shè)施能夠產(chǎn)生理想的恒定功率，且有利于水力儲(chǔ)能的發(fā)展。隨著核電設(shè)施的發(fā)展，這種方法已在法國逐步形成。能量直接消耗的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的整體能量收益。事實(shí)上，儲(chǔ)能所需的能量轉(zhuǎn)換因所采用的儲(chǔ)能技術(shù)不同，產(chǎn)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(chǔ)存的能量來自于一個(gè)源，而該源的能量不儲(chǔ)存就會(huì)失去(源自于風(fēng)能或光伏的能量就屬于這種情況),從這個(gè)角度看待收益這一概念則是正確的。最后應(yīng)指出的是，電能可以被儲(chǔ)存，之后以另一種能量形式被使用。國內(nèi)電網(wǎng)12電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)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(fù)荷具有一種儲(chǔ)能容量，能夠控制電網(wǎng)的供電，如超市冷藏庫的制冷裝置或電動(dòng)汽車中1.2電能儲(chǔ)存的原因電網(wǎng)管理主要基于發(fā)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(fā)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(yè)用戶的特征，說明了用電量的可變特性取決于每天的時(shí)間、季節(jié)和負(fù)荷類型。每·消費(fèi)者的負(fù)荷KW2:00AM3:30AM5:00AM6:30AM8:00AM9:30AM2:00PM每·消費(fèi)者的負(fù)荷KW2:00AM3:30AM5:00AM6:30AM8:00AM9:30AM2:00PM3:30PMWd00:S6:30PM8:00PM9:30PM1冬季夏季淡季時(shí)問3:30AM5:00AM6:30AM9:30AM2:00PM3:30PM5:00PM6:30PM9:30PM20冬季夏季淡季時(shí)間由于可再生能源的發(fā)展，電網(wǎng)不得不面對適應(yīng)高度間歇性發(fā)電的問題，風(fēng)能、光伏能和海洋能以及小型徑流式水力發(fā)電的能量就屬于這種情況[ROB12c]。圖1.3所示為300kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)超過5min的發(fā)電量。除了很高的可變性外，還記錄的波動(dòng)。圖1.4所示為一天內(nèi)光伏設(shè)施的發(fā)電量；云層的出現(xiàn)導(dǎo)致這一發(fā)電量有較大的可變性。3功率/kW400功率/kW400350300250200A250300圖1.3300kW固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量示例2009年6月16日00:00到2009年6月17日00:00的發(fā)電2009年6月16日00:00到2009年6月17日00:00的發(fā)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(dòng)。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(gè)月甚至幾年的時(shí)間內(nèi)會(huì)有顯著的波動(dòng)，如圖1.6所示，甚至在暴雨后出現(xiàn)洪水的情況下，一條河流的流量在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)也會(huì)發(fā)生顯著的波動(dòng)。因此，小型徑流式水力發(fā)電設(shè)施，如果沒有配備上游水壩或溢洪道，當(dāng)出現(xiàn)這些波動(dòng)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生無法控制的可變功率[ROB12c]。時(shí)間/s圖1.5浪高變化[MOU08]4電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)這些例子表明，發(fā)電量與用電量之間的平衡不會(huì)自然出現(xiàn)，高可變性可再生能源的日益發(fā)展已使其變得復(fù)雜化。這些可再生能源所發(fā)出的電能的儲(chǔ)存使得平穩(wěn)發(fā)電成為可能，從而有助于其對用電量的適應(yīng)。相反，如核電廠這種源可發(fā)出理想的恒定功率。在這種情況下，可對夜間發(fā)出的過剩發(fā)電量進(jìn)行儲(chǔ)存，使得對一天高峰時(shí)間內(nèi)的欠發(fā)電量進(jìn)行補(bǔ)償成為可能。如鐵路、地鐵和電車等運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)影響電網(wǎng)，因?yàn)闋恳b置的起動(dòng)和停止以及一天不同時(shí)期的交通流量波動(dòng)會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生功率波動(dòng)[ROB15]。瞬時(shí)流量/(m3/s)瞬時(shí)流量/(m3/s)年份圖1.6瓦茲河10年來的最后，各種運(yùn)輸模式(鐵路、船舶、航空、航天、公路車輛和機(jī)器人等)的機(jī)載系統(tǒng)將電能儲(chǔ)存系統(tǒng)納入了電力備用系統(tǒng)和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中，以便制動(dòng)時(shí)重新獲得能量，確保車輛推進(jìn)。特別是電動(dòng)汽車的發(fā)展，將顯著增加對高性能機(jī)載電力儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)成本昂貴，而且它們在發(fā)電或用電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的額外成本會(huì)抑制其安裝。因此，有必要確保在其壽命周期內(nèi)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性能夠提高到至少能補(bǔ)償其投資和維護(hù)成本。儲(chǔ)能成本因技木及技術(shù)成熟度而有很大變化，這些技術(shù)是大量研究和開發(fā)工作的主題。電網(wǎng)儲(chǔ)能的增值將取決于儲(chǔ)能可以提供的各種服務(wù)，這些服務(wù)將取決于儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的定位。對電網(wǎng)儲(chǔ)能的開發(fā)有兩種方法：1)與較大間歇性發(fā)電裝置相關(guān)(例如，與并入輸電網(wǎng)的風(fēng)電相關(guān)的水力儲(chǔ)能);2)擴(kuò)散，例如，在配電網(wǎng)中進(jìn)行分布。為了使儲(chǔ)能有利可圖，有一種方法是使儲(chǔ)能系統(tǒng)在各參與者(管理者、生產(chǎn)商和用戶)之間可以貢獻(xiàn)的服務(wù)交互作用[DEL09]。這些服務(wù)包括：1)本地精確和動(dòng)態(tài)的電壓控制；2)在降級運(yùn)行中支持電網(wǎng)；3)網(wǎng)絡(luò)部分的電壓回復(fù)；4)對電網(wǎng)管理者(和用戶)的無功補(bǔ)償；5)降低輸電損失；6)電能質(zhì)量；57)能量推遲和對發(fā)電裝置的支持；8)一次頻率控制和孤立電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定度；9)解決擁堵；10)支持參與輔助服務(wù)；11)清除恢復(fù)；12)保證發(fā)電量曲線；13)峰值平穩(wěn)；14)用電推遲；15)供電質(zhì)量/連續(xù)性。本書中提出的一些發(fā)展將對其中一些服務(wù)的實(shí)施進(jìn)行說明。服務(wù)交互作用可以與相應(yīng)的參與者交互作用相關(guān)聯(lián)；采用不同技術(shù)、不同類型的多種發(fā)電源(難以預(yù)測和預(yù)見的可再生能源、化石能源等)、多種用戶和多種儲(chǔ)能系統(tǒng)都具有不同和互補(bǔ)特性(功率、能量和動(dòng)態(tài))。因此，這些被稱為多源、多負(fù)荷和多儲(chǔ)能系統(tǒng)。一個(gè)多世紀(jì)以來，電網(wǎng)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(wǎng)中。隨著先進(jìn)管理資源的出現(xiàn)，新通信技術(shù)的實(shí)施和使用將提高電網(wǎng)的智能化水平，并將有助于隨機(jī)發(fā)電量所占比重的安全增加，同時(shí)也提高了這些智能電用，將有利于可再生能源的發(fā)展，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并有利于住宅領(lǐng)域、工業(yè)和輸電系統(tǒng)的自身消耗。作為這種演進(jìn)的一部分，電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展可能使這些配電系統(tǒng)運(yùn)營商2天然氣天然氣配電系統(tǒng)運(yùn)營商1圖1.7通過互聯(lián)網(wǎng)通信的智能電網(wǎng)(來源：歐盟EU-DEEP項(xiàng)目)6電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)車輛發(fā)揮特殊作用，因?yàn)樗鼈兇砹艘环N巨大的儲(chǔ)能容量，這種儲(chǔ)能容量通過控制其負(fù)荷，甚至偶爾并入這一電網(wǎng)發(fā)電，有助于提高電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性。電力市場的機(jī)制也影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的盈利能力。這些機(jī)制在不同的國家也有所不同，且在競爭性環(huán)境中隨著時(shí)間而演進(jìn)，有助于電網(wǎng)產(chǎn)生或自用的可再生能量的發(fā)展、電動(dòng)汽車等負(fù)荷及儲(chǔ)能的發(fā)展。對電網(wǎng)來說，這種并入電網(wǎng)的儲(chǔ)能可以看作是一個(gè)負(fù)荷或者電源，這取決于它是儲(chǔ)存能量還是發(fā)電量，這樣，作為用戶又作為發(fā)電商，其不得不為這一裝置支付雙倍的并網(wǎng)成本。儲(chǔ)能的發(fā)展必須有助于可持續(xù)性發(fā)展；因此，要考慮這些系統(tǒng)對減少二氧化碳排放量的貢獻(xiàn)，同時(shí)，不要忘記儲(chǔ)能系統(tǒng)自身建設(shè)所消耗的灰色能量，這是至關(guān)重要的。目前的一種趨勢是對儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行壽命周期分析(LCA)。對電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理必須應(yīng)對以下幾項(xiàng)挑戰(zhàn)：1)制定對其狀態(tài)或特性不太了解(隨機(jī))的電力系統(tǒng)的管理方法，其中采用的時(shí)間范圍可長(例如，一年，考慮可再生能源的季節(jié)性)可短(實(shí)時(shí)，對動(dòng)態(tài)應(yīng)力做出反應(yīng))。這些策略必須適應(yīng)能源政策，目前的能源政策有利于對分散在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的低功率發(fā)電機(jī)進(jìn)行擴(kuò)充，這與目前的實(shí)際情況相反，目前的實(shí)際情況是運(yùn)行少量極高功率的發(fā)電廠(在法國主要是核電)。2)開發(fā)多儲(chǔ)能方法。3)制定多目的管理策略并匯聚多種服務(wù)。在儲(chǔ)能系統(tǒng)管理策略的制定蟲，可提出各種不同的時(shí)間范圍(見圖1.8):日前市場日前市場裝置的可用性預(yù)測儲(chǔ)能容量實(shí)時(shí)管理實(shí)時(shí)電網(wǎng)Pref-siPrers2p儲(chǔ)能容量預(yù)測生產(chǎn)成木中期管理1)對應(yīng)于一天時(shí)標(biāo)的長期管理。2)對應(yīng)于30~60min時(shí)標(biāo)的中期管理。73)對應(yīng)于確保系統(tǒng)運(yùn)行所需最小時(shí)標(biāo)的實(shí)時(shí)管理，該時(shí)標(biāo)應(yīng)足以支撐系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)其目的，并考慮危險(xiǎn)因素。這一時(shí)標(biāo)的范圍介于數(shù)十微秒至數(shù)分鐘之間。對于有效儲(chǔ)能管理和經(jīng)濟(jì)盈利能力而言，更長期的儲(chǔ)能規(guī)劃(數(shù)天、數(shù)周、數(shù)月或數(shù)年)也是必要的?？紤]到待解決問題的復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的各種解獻(xiàn)中提出了三組工具，對納入儲(chǔ)能的混合系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)功率。它需要這些源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，并要求對這些不同的潮流以及相關(guān)的損失有很好的實(shí)時(shí)了解。2)外顯優(yōu)化工具，具有目標(biāo)函數(shù)[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(fā)電量的最大化。對適當(dāng)公式化的成本函數(shù)進(jìn)行最簡化是難以實(shí)現(xiàn)的，特別是在實(shí)時(shí)情況下。3)隱含優(yōu)化工具，例如，具有模糊邏輯[CHE00,LEC03,LAG09,理“復(fù)雜”的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的管理依賴于難以預(yù)測且不好實(shí)時(shí)了解的數(shù)值或狀態(tài)(風(fēng)、陽光、電網(wǎng)頻率和狀態(tài)、用電量變化等)?？梢钥紤]不同的方法，并將其進(jìn)行結(jié)合，以保證儲(chǔ)能管理：過濾器、校正器以及人工智能技術(shù)。在本書中，制定了一種管理程序的設(shè)計(jì)方法，專用于管理納入儲(chǔ)能的混合發(fā)電系統(tǒng)[ROB13a,ROB13b]。這種方法是工業(yè)過程控制設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一些方用于通過曲線圖構(gòu)建系統(tǒng)控制，且一步一步地通過這種方式促進(jìn)分析和實(shí)施。它們尤其適合于順序邏輯系統(tǒng)。然而，對包括隨機(jī)變量和連續(xù)狀態(tài)的混合發(fā)電裝置而言，這種類型的工具會(huì)達(dá)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(kuò)展，以包括未精確了解的模糊值。因?yàn)檫@種方法基于模糊規(guī)則所表示的系統(tǒng)評估，所以這種方法不需要數(shù)學(xué)模型。輸入可以是隨機(jī)的，管理可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)目標(biāo)。因?yàn)檫\(yùn)行模式是由模糊變量來確定的，所以它們之間的轉(zhuǎn)換是漸進(jìn)性的。最后，這種方法通過朝著荷電狀態(tài)(SOC)進(jìn)行收斂，且利用實(shí)時(shí)處理對復(fù)雜性加以限制，而得以對儲(chǔ)能進(jìn)行管理?？梢詫⑵浞纸鉃?個(gè)步驟，以協(xié)助管理程序設(shè)計(jì)：1)確定系統(tǒng)規(guī)范：必須明確規(guī)定目標(biāo)、制約條件和行動(dòng)手段；2)制定管理程序的結(jié)構(gòu)：確定必要的管理程序輸入和輸出；3)通過功能圖確定運(yùn)行模式：基于對該系統(tǒng)的了解制定運(yùn)行模式的曲線圖8電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)4)定義模糊變量的隸屬函數(shù)；5)通過運(yùn)行曲線圖確定模糊模式；6)提取模糊規(guī)則、模糊管理程序的特性和運(yùn)行曲線圖；7)定義對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行評估的指標(biāo)，例如功率、能量、電壓質(zhì)量、收益指標(biāo)，或者是經(jīng)濟(jì)性或環(huán)保性指標(biāo)；8)對管理程序的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和/或基因算法進(jìn)行本書將對涉及儲(chǔ)能的各種應(yīng)用進(jìn)行考慮，并結(jié)合一種或多種技術(shù)，在第4~7章中對可再生風(fēng)能源以及經(jīng)典源進(jìn)行考慮，使這種方法逐步得到發(fā)展。這些示例也可輕松轉(zhuǎn)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(chǔ)存的相關(guān)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:systèmeélectriqueautonomeder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并顯示它們特有的能量/功電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)率妥協(xié)。圖2.2所示為對幾種電化學(xué)技術(shù)和超級電容器進(jìn)行比較的一個(gè)簡化例子。當(dāng)比功率增加時(shí)，變換器部分的質(zhì)量和體積也會(huì)增加，導(dǎo)致整體能量密度降低。但是請注意，Ragone圖通常不考慮完整儲(chǔ)能系統(tǒng)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(guān)的應(yīng)力增加會(huì)導(dǎo)致更大的損失，從而降低有用的能量容量。圖2.2結(jié)合了技術(shù)尺度選擇變體以及損失的影響，對于一個(gè)給定組，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huán)鋰離了超級電容器1放電時(shí)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(xué)技術(shù)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(yīng)用，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)有時(shí)安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的箱子內(nèi)，所占用的地面面積是一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用(在能量或功率方面),另一個(gè)重要特性是表面能或功率(kWh/m2或kW/m2)。2.3.7響應(yīng)時(shí)間并非所有的能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象都具有相同的動(dòng)力學(xué)，一些技術(shù)與其他技術(shù)相比可以更快速地輸出最大功率。在飛輪系統(tǒng)中，由于速度只是受到與飛輪相連的電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)的限制，所產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間根據(jù)規(guī)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(shí)間才可達(dá)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(tǒng)所需要的一次能量，它是納入儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)壽命周期內(nèi)能量平衡計(jì)算的一項(xiàng)重要特性。目前這些數(shù)據(jù)尚不充足，不可用于對所有的技術(shù)進(jìn)行客觀比較，也不可用于考慮老化影響[MUL13]。第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)展2.3.9能量狀態(tài)無論是任何應(yīng)用，了解能量狀態(tài)對合理管理儲(chǔ)能系統(tǒng)至關(guān)重要。能量狀態(tài)的定為在給定時(shí)刻的儲(chǔ)能量，即如果沒有放電損失(取決于放電效率，可有效恢復(fù)的能量值一定較低)時(shí)可用的總能量；Est為儲(chǔ)能容量。因此，100%的能量狀態(tài)值對應(yīng)于充滿電的狀態(tài)，0%的能量狀態(tài)值對應(yīng)于深度放電(最大可能的放電)。由于各種原因，多數(shù)儲(chǔ)能系統(tǒng)不能接受深度放電狀態(tài)，因?yàn)樯疃确烹姇?huì)使電化學(xué)電池過度老化或使其可允許的最大儲(chǔ)能容量降級。但是，也有可能在確定能量容量時(shí)已考慮了實(shí)現(xiàn)完全放電的不可能性。對能量狀態(tài)的評價(jià)是基于對所實(shí)施的物理或化學(xué)現(xiàn)象的觀察。在飛輪中，對飛輪的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行簡單的測量就可得到能量狀態(tài)值信息。在超級電容器或超導(dǎo)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(tǒng)，我們可以引用抽水蓄能電站(STEP)一個(gè)水庫的水位，以及壓縮空氣罐的壓力來評價(jià)。最后，電化學(xué)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(jié)合修正法對電荷進(jìn)行代數(shù)測量，以便在電化學(xué)電池對荷電狀態(tài)足以敏感時(shí)，考慮充電或放電系統(tǒng)和/或電動(dòng)勢測量的影響。荷電狀態(tài)通常是給定的，與其相對應(yīng)的是與額定容量相關(guān)的累計(jì)電荷量(單位為C或Ah),如果電動(dòng)勢相對獨(dú)立于荷電狀態(tài)，荷電狀態(tài)則類似于能量狀態(tài)。同時(shí)，根據(jù)能量狀態(tài)或荷電狀態(tài)的指示，我們看到健康狀態(tài)(SoH)或老化狀態(tài)的指標(biāo)，特別是對于電化學(xué)電池而言；這些指標(biāo)基于參數(shù)(如歐姆電阻或電容量)變化的估計(jì)值和測量值對劣化程度進(jìn)行評估。2.3.10其他特性根據(jù)不同的應(yīng)用，其他特性也是很有用的，例如，與安全有關(guān)的那些應(yīng)用。任何儲(chǔ)能系統(tǒng)都存在失控、浪涌反應(yīng)等潛在風(fēng)險(xiǎn)。每一種技術(shù)都有其特有的風(fēng)險(xiǎn)。最后，如果我們考慮大規(guī)模部署儲(chǔ)能裝置，必須考慮其使用的主要材料的稀2.4水力儲(chǔ)能2.4.1水力儲(chǔ)能原理通過液壓泵儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。法國已建造了儲(chǔ)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(chǔ)存需要大量的空間和巨大的垂直落差；這就是首先在山區(qū)開發(fā)這種儲(chǔ)能的原因。圖2.3所示為水力儲(chǔ)能的原理。在儲(chǔ)能階段，從較低的水庫抽水。在發(fā)電階電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)水泵和水輪機(jī)系統(tǒng)水泵和水輪機(jī)系統(tǒng)壓力管道低位蓄水結(jié)構(gòu)段，通過水輪機(jī)將這些水轉(zhuǎn)換為電能。在儲(chǔ)能階段(抽水)和發(fā)電階段(轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能)使用同一個(gè)水泵和水輪機(jī)系統(tǒng)。抽水蓄能電站是大容量存儲(chǔ)所用的最普遍的方法；其投資成本最低，每一循環(huán)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(qū)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(shí)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(qū)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(yùn)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(xiàng)目。電能。比利時(shí)計(jì)劃在韋德(Wenduine)市附近距海岸3km的地方建設(shè)一座島嶼；該島嶼的延伸直徑達(dá)2.5km,高于海平面10m。白湖和黑湖是孚日山脈的兩個(gè)湖泊，垂直落差為120m。它們構(gòu)成了兩個(gè)水庫，黑湖電站使水在這兩個(gè)水庫之間進(jìn)行循環(huán)(見圖2.4)。在用電量高峰期時(shí)，水由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)從白湖流向黑湖。在用電量低谷時(shí)，且當(dāng)電能比較便宜時(shí)，水從黑湖抽向白湖。黑湖電站裝有四臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組包括一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)、一臺(tái)混流式水輪機(jī)和一臺(tái)水泵。整體安裝在一個(gè)單一的縱軸上，如圖2.5所示(來源：國內(nèi)電氣工程匯總，1999)。這座電站建于20世紀(jì)30年代，目前正在進(jìn)行改造，將對該電站進(jìn)行重建，并使其變速運(yùn)行。第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)展圖2.4孚日山脈的黑湖和老水泵水輪機(jī)電站閥廊黑湖機(jī)房黑湖井交流發(fā)電機(jī)水輪機(jī)圖2.5老黑湖水泵水輪機(jī)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(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)2)水輪機(jī)/水泵組數(shù)：4組；3)單臺(tái)機(jī)組功率：20MW;4)最大高度落差：120m;5)#1~#4水輪機(jī)的最大單機(jī)流量Qut:25m3/s;6)#1~#3水泵的單機(jī)抽水量Qup:13m3/s;7)#4水泵的單機(jī)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(jī)的運(yùn)行，設(shè)計(jì)者提供了以下特性：落差為100m且水輪機(jī)流量為25m3/s時(shí)，交流發(fā)電機(jī)所提供的功率Pal為20MW。對于水泵的運(yùn)行，其特性如下：高度差為117m且流量為13m3/s時(shí)，交流發(fā)電機(jī)所消耗的功率Pa為20MW。交流發(fā)電機(jī)-水輪機(jī)組和交流發(fā)電機(jī)-水泵組的效率被認(rèn)為與落差和排水高度1)請根據(jù)這兩個(gè)湖泊的最大和最小蓄水高度，計(jì)算最大高度差Hmax和最小高2)請計(jì)算水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)組的效率η和水泵運(yùn)行時(shí)機(jī)組的效率ηp。3)請計(jì)算最大高度差Hma和最小高度差Hmin時(shí)，一臺(tái)機(jī)組供應(yīng)20MW功率時(shí)的水輪機(jī)流量并進(jìn)行評述。4)請計(jì)算最大高度差Hma和最小高度差Hmin時(shí)，#1~#3機(jī)組消耗20MW功率時(shí)的水泵流量。5)請計(jì)算在相同的高度差下，利用水輪機(jī)回收1kWh的電量時(shí)抽水系統(tǒng)的用6)在高度差為100m的情況下，當(dāng)所有四臺(tái)機(jī)組在其最大單機(jī)流量下運(yùn)行時(shí)，計(jì)算水輪機(jī)放水200萬m3的理論運(yùn)行時(shí)間。7)在高度差為117m的情況下，當(dāng)所有四臺(tái)機(jī)組在其最大單機(jī)流量下運(yùn)行時(shí)，計(jì)算水泵抽水200萬m3的理論運(yùn)行時(shí)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(shí)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(yīng)根據(jù)以下公式確定：第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)展25.525MWη=Palt/Ph=20/24.525=0.8155ηp=Ph/PaIt=14.921/20=0.746請注意，現(xiàn)代抽水蓄能電站技術(shù)，特別是可變速度技術(shù)，能夠使儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的效率。3)當(dāng)效率和電功率為恒定時(shí)，流量與落差高度成反比，或：當(dāng)高度差小于100m時(shí)，由于水輪機(jī)的最大流量不能超過25m3/s,所以，不可能提供20MW的功率。4)當(dāng)效率和電功率為恒定時(shí)，流量與水位高度成反比，或：5)能量效率是指水輪機(jī)所轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)換1kWh的能量所需的用電量為Wpumped=1/(η·ηp)=1.643kWh6)四組機(jī)組耗水量為1C0m3/s,則200萬m3的蓄水量將使運(yùn)行時(shí)間長達(dá)T?=(2000000/100)s=20000s,或5h33m7)四組機(jī)組抽水量為48m3/s,則抽水200萬m3需要的時(shí)間為2.5壓縮空氣儲(chǔ)能2.5.1壓縮空氣儲(chǔ)能原理眾所周知，利用壓縮空氣可以儲(chǔ)能，且該方法已大規(guī)模使用了30多年。圖2.6所示為壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)系統(tǒng)的說明性運(yùn)行圖解。在儲(chǔ)能或加載階段，將空氣壓縮到大的地質(zhì)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(guī)模)。當(dāng)需要發(fā)電(縮減儲(chǔ)能階段或放電)時(shí)，空氣被引入驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)中。有三種不同類型的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)：第一代燃?xì)鈮嚎s空氣儲(chǔ)能、第二代燃?xì)鈮嚎s空氣儲(chǔ)能和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。2.5.2第一代和第二代壓縮空氣儲(chǔ)能第一代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)于1978年在德國托夫市(Huntorf)投入使用。其額電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)來自光伏電廠的來自光伏電廠的屯力(預(yù)熱空氣)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)電力入網(wǎng)天然氣燃燒室廢熱低壓渦輪機(jī)圖2.6壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)間超過3h第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)于1991年在美國的麥金托什(McIntosh)投入運(yùn)行。它所提供的最大放電功率為110MW,可用時(shí)間超過26h。圖2.7所示為第一代燃?xì)鈮嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行圖解。HP/HTLP/LTiLP:低壓LT:低溫天然氣/燃油HP/HTM代燃?xì)鈮嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行圖解(法國電力公司)在充氣步驟中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，增加引入空氣的壓力?？諝馔ㄟ^一個(gè)熱交換器進(jìn)行冷卻，然后儲(chǔ)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(nèi)對空氣進(jìn)行再加熱，以便在一個(gè)類似于燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)器內(nèi)進(jìn)行利用，該機(jī)器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。這些類型裝置的預(yù)期效率介于48%~50%之間。為了恢復(fù)1kWh的電量到電網(wǎng)，有必要利用在抽水階段所消耗的第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)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(guī)的壓縮空氣儲(chǔ)能可以看作是利用低用電量期間廉價(jià)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(chǔ)能不是一種純粹的儲(chǔ)能技術(shù)，因?yàn)樗偸桥c化石燃料(天然氣)的使用相關(guān)聯(lián)。第二代燃?xì)鈮嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)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(tǒng)的工作原理與上一代的工作原理完全相同，但其設(shè)計(jì)不同或是“混合型的”,并基于對傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的改型。這種類型的設(shè)施會(huì)在幾年內(nèi)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?xì)廨啓C(jī)或任何其他熱源的能量副產(chǎn)品，以在膨脹期間對離開洞穴的空氣進(jìn)行再加熱(聯(lián)合循環(huán)原理);3)對所使用的裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以降低投資成本。2.5.3絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能最新一代的壓縮空氣儲(chǔ)能被稱為“絕熱”壓縮空氣儲(chǔ)能，其通過蓄熱系統(tǒng)的中間介質(zhì)回收壓縮熱，從而使估計(jì)效率達(dá)到70%。它的主要特性是：1)利用蓄熱對壓縮熱進(jìn)行回收，利用回收的熱能對離開洞穴的空氣進(jìn)行再2)不再使用額外的天然氣來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行圖解。LP/LTLP:低壓LT:低溫M圖2.8絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)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(qū)動(dòng)汽輪機(jī)來為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。其主要優(yōu)點(diǎn)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?yàn)檫@種類型的技術(shù)仍然處于論證階段。電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)2.5.4空氣儲(chǔ)能壓縮空氣儲(chǔ)能有三種可能類型的解決方案：1)為壓縮空氣儲(chǔ)能專門開發(fā)的鹽洞或用于產(chǎn)鹽并改造用于壓縮空氣儲(chǔ)能的現(xiàn)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(chǔ)能專門挖掘的洞穴，或改造的現(xiàn)有洞穴；礦山、采石場和關(guān)閉的地下儲(chǔ)能區(qū)。選擇最合適的場地，應(yīng)考慮地質(zhì)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(shí)洞穴的穩(wěn)定性；4)出現(xiàn)的礦物質(zhì)和氧化風(fēng)險(xiǎn)。目前看來最適合壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)，至少是從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看，是通過溶解挖掘的鹽洞。這種技術(shù)用于鹽水生產(chǎn)和液態(tài)烴或天然氣儲(chǔ)存。目前，有兩個(gè)運(yùn)行中的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)使用了鹽洞。圖2.9所示為位于托夫市(Huntorf)的洞穴運(yùn)行圖解，其最低工作壓力為4.6MPa,可以儲(chǔ)存30萬m3的空氣，壓力達(dá)到7.2MPa。2.5.5液壓氣動(dòng)儲(chǔ)能液壓氣動(dòng)儲(chǔ)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(chǔ)能洞穴[DAN12]儲(chǔ)能(ICAES)是通過液壓馬達(dá)泵對罐中的氣體(例如空氣或氮?dú)?進(jìn)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(dá)壓縮機(jī)系統(tǒng)的效率，因?yàn)閴嚎s和膨脹階段可以是準(zhǔn)等溫過這種類型的系統(tǒng)當(dāng)前幾乎不存在。在瑞士[洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL),Enairys電力技術(shù)公司已啟動(dòng)],具有多級液壓馬達(dá)泵的HyPES2系統(tǒng)已投入使用，公司于2009年投入使用了一個(gè)5-1kWh的示范項(xiàng)目，且正在開發(fā)更強(qiáng)大的項(xiàng)目(幾兆瓦)。這些組件的潛在較低成本和極高的再循環(huán)能力使這類系統(tǒng)在固定應(yīng)用中成為電化學(xué)技術(shù)的強(qiáng)大競爭對手。因此，從壽命周期內(nèi)的成本上來看，該技術(shù)目前似乎是一個(gè)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(yuǎn)的將來會(huì)在市場上出售。在效率-成本-容量方面的改進(jìn)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(nèi)的實(shí)際盈利能力[MUL13]。第2章儲(chǔ)能的最新發(fā)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(dòng)機(jī)液壓泵控制圖2.10帶有封閉空氣回路的液壓氣動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)[MUL13]有兩種可能的高溫?zé)釕B(tài)儲(chǔ)能方法：1)顯熱儲(chǔ)能；2)潛熱儲(chǔ)能。2.6.1顯熱儲(chǔ)能這種方法是基于加載和釋放某種物質(zhì)的能量并使其溫度變化這種簡單的物理原理。因此，所儲(chǔ)存的能量與所使用物質(zhì)的質(zhì)量、熱容量和溫度變化成正比。半個(gè)多世紀(jì)以來，化工行業(yè)通過結(jié)合流體的傳熱和蓄熱功能來利用熔鹽。利用固體物質(zhì)儲(chǔ)存顯熱也被廣泛使用；這些物質(zhì)在采用防火陶瓷或混凝土的玻璃和冶金行業(yè)，或太陽能發(fā)電塔的沙流化床中作為回?zé)崞魇褂?。在新墨西哥州的阿爾伯克?Albuquerque),阿?，m能源公司(Areva)在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的太陽熱力學(xué)太陽能園區(qū)推出了利用熔鹽的儲(chǔ)能示范裝置[ROB12],該裝置將聚光器與線性菲涅爾反射鏡結(jié)合在一起(見圖2.11)。熔鹽用作傳熱流體，從熔鹽中提取一個(gè)“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(gè)熱交換器，產(chǎn)生發(fā)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(gè)回路中反復(fù)進(jìn)行，或?qū)⑵湟胍粋€(gè)單獨(dú)的貯液器進(jìn)行儲(chǔ)存。太陽能發(fā)電裝置既可以在白天也可以在夜間發(fā)電。注意，在本例中，沒有可逆的電力儲(chǔ)存，只是蓄熱支持高度可變的發(fā)電?？梢酝ㄟ^熱抽運(yùn)(泵熱電力儲(chǔ)存)得到一個(gè)真正的電力儲(chǔ)存系統(tǒng)；這一概念包括利用熱泵將能量以熱的形式儲(chǔ)存在具有高預(yù)期效率的廉價(jià)固體物質(zhì)中[MUL13]。在加載階段，利用電力對工作流體進(jìn)行壓縮，并將其熱量儲(chǔ)存在一個(gè)高溫容器中。在釋放時(shí)，利用加壓的高溫流體為汽輪發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。每一循環(huán)的效率估計(jì)在70%左右。2.6.2潛熱儲(chǔ)能盡管它呈現(xiàn)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(tài)-氣態(tài)的潛熱儲(chǔ)能。在另一層面，對液態(tài)-固態(tài)的潛熱(其儲(chǔ)能容量較低，但仍比顯熱的儲(chǔ)能容量