1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

引言

电力在人类发展的过程中起着至关重要的作用，是一个国家经济能否得到健康发展的决定性因素。随着电力应用领域的拓展，储能系统已被视为电力系统的又一重要组成部分。而人类对于电力需求的逐步攀升，也使得储能技术得到越来越多的重视，其在电力系统中的应用也得到了快速发展。智能电网建设对于电能质量和供电稳定性的更高要求也将依托于储能技术的发展来实现。随着智能电网的进一步建设、间歇性可再生能源入网需求的扩大，储能技术的研究和发展有待进步。

1.研究背景

储能即为能量的存储，狭义上指将电能存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施[] 石油、煤等化工能源作为世界上仅存的几种不可再生能源，在人类社会不断的生产活动中对于其数量的需求不断增多，开采力度也在不断增加，在全球范围内这些不可再生能源的数量正在急剧减少。为了能够解决这一能源危机，当前对于新能源的开发需求逐渐增加，并且随着科技的不断发展，这些新能源技术在被开发的过程中也随即应用到了电力系统中，主要的内容就是满足居民日常的用电需求，发电、输电以及配电的调整和调度。新能源的产生方式通常都是借助风力、水力等自然界可以借助的能源，但是从稳定性来说，这些发电的方式都会受到自然因素的影响，在运转的过程中常常会有一定的波动性和间歇性。目前对于这些能源的调控方式还是存在一定的难度的，同时这些技术还会给电力系统的安全性带来一定的风险，所以为了能够解决这一个问题，储能技术也就应运而生，能源的利用效率也大大提高[]。

2.储能技术的研究现状

电能可以转换为机械能、化学能、电磁能等形式进行存储，按照方式的不同可分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能四大类型。其中机械储能 包 括 抽 水 蓄 能、压缩空气储能和飞轮储能等；电化学储能包括铅酸、镍隔、锂离子、钠硫、液流等电池储能；电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能等；相变储能通过储热物质发生相变进而吸收或者放出潜热实现[]，既可在夏季蓄热也可在冬季蓄冷，主要应用场合包括蓄冷空调系统，热电相变蓄热装置和建筑节能[]（用于墙体天花板中）等。表1对典型的储能形式的特点、特性、应用进行了总结。[]

表1.应用于电力系统的储能技术比较

3.储能技术原理

3.1抽水蓄能

抽水蓄能是一种存储非高峰电力，并在高峰需求时段供电的方法。对于大规模储能而言，这是一种低成本且被广泛采用的选择。它由两个相互连接的水库组成，分别位于不同的海拔高度（上下），它在非高峰时段将水抽到上水库，并在高峰时段将水释放到下水库，且用涡轮机发电[][][][]。抽水蓄能的RTE为7080％，通常为75％[6]。根据其规模，设计和技术安排，预期寿命为40-60年[6]。

3.2压缩空气储能

压缩空气储能系统以压缩空气的形式将能量存储在地下洞穴[]，然后通过转换过程将能量提供给电网。空气被压缩到地下蓄水池中，这有助于以压力梯度的形式存储能量。能量通过燃烧释放出来，以运行使发电机旋转的膨胀涡轮机[].空气压缩（充气）过程中产生的热能释放到大气中，而在减压（排气）过程中，空气通常需要用燃料重新加热[]。压缩空气储能系统的RTE为85％，预期使用寿命为20-40年，它们适用于大型储能系统[][]。

3.3飞轮储能

飞轮本质上是一种机电系统，以动能的形式存储能量。它由一个电磁轴承上的旋转缸和一台电机组成，电机在充电过程中起电动机的作用，而在放电过程中起发电机的作用[13][][]。采用悬浮磁轴承可最大程度地减少摩擦的影响，并可以延长系统的使用寿命。飞轮储能系统在真空中运行，以确保风阻最小并保持良好性能[13][15][16]。为了存储能量，高速旋转的电动机（低速转子为10,000 r.p.m，高速转子为 10,000100,000 r.p.m）旋转飞轮；为了释放能量，电动机通过驱动器再生（反向），并通过合适的接口电力电子转换器[16][]向电力网供电。飞轮的预期寿命为15年[16] ，与电池相比，具有数千次的充电/放电循环，但是像电容器一样，放电持续时间短。它们具有很高的自放电和摩擦损耗。飞轮储能系统具有很高的效率，通常在90％到95％。

3.4锂离子电池

这项技术已经使用了将近40年的时间，并且在电子和运输行业，尤其是在插电式混合动力汽车（PHEV）的运行以及电网应用中[8]得到认可。锂离子电池具有较高的能量重量比和较低的自放电损耗[7][]。与其他电池储能技术相比，它的循环寿命为10,000，效率为100％，它没有记忆效应。它的负极是由石墨制成，而正极是一种锂化金属氧化物，例如：氧化钴酸锂（LiCoO2），二氧化锂镍粉（LiNiO2）或LiMnO2 ）等[16,44]。电解质由已溶解在有机碳酸盐溶剂中的锂盐组成，例如六氟磷酸锂（LiPF6）或高氯酸锂LiClO4等。锂阳离子在充电过程中迁移到阳极，在放电过程中迁移到阴极，这是嵌入式化学反应的一种形式。

3.5超导储能

当直流电（dc）通过普通线圈时，电流因为线圈的电阻迅速消失。但是，当直流电流过超导线圈时，电流不会消失。因此，电能会以磁能形式存储，直到必要时才消失。[]直流电在超导体中感应出磁场，因此，允许将能量存储在SMES中[7][16][18]。 SMES由以下组件组成：

超导体：是一种由称为铌-钛的合金制成的超导线圈，其工作温度约为液态氦的沸点（269C）。

低温冰箱：它使用氦气作为制冷剂，并通过保持线圈的超导特性来保持SMES的工作温度。

功率转换系统（PCS）：通过在超导体上提供一个正电压来存储电能，并在需要时释放一个负电压来释放存储的能量，从而确保有效的充电和放电。

控制系统：它可确保电网与超导线圈往返的能量流之间的协调。

3.6超级电容器

电容器可直接存储电能。它们以极高的速度存储电能，与电池相比，它们可以进行数千次充电/放电循环而不会造成材料劣化，并且适合于瞬态电压稳定性应用[7][8][13][16]。然而，常规电容器受其低能量密度的限制,这一缺点引发了对开发超级电容器的创新研究。由于其较大的表面积，超级电容器储能系统的电容和能量密度值比常规电容器高数千倍。[16].在结构上，常规的电解电容器通过两个由电介质材料隔开的平行板来存储能量，但是在超级电容器储能系统中，能量是通过两个板之间的电解质溶液（碳酸亚丙酯）存储的，而不是通过常规电容器中的电极之间的电介质存储的[17][18]。电容器面临的挑战是：放电时间短和自放电损失高[7]，这将它们限制在较短的时间范围内电容器储能和超级电容器储能系统的预期寿命分别约为15年和20年[7]，尽管与传统电容器储能系统相比，超级电容器储能系统具有较高的功率和能量密度，但其能量密度仍低于铅酸电池[8][16][18]。结论是，电容器的功率容量将最适合固定式应用，而不是相对较低的能量容量[8].。

3.7相变储能

相变储能技术是能量储存形式的一种，将暂时不用或者多余的热量储存在适当的介质中，再在合适的时机将其释放出来，以达到热量供给与时间地点的相匹配，提高能源的利用效率。能量储存技术主要分为显热储能、潜热储能和化学反应储能三种，其中的潜热储能就是所说的相变储能技术，这是一种新兴的提高能源应用稳定性以及利用效率的技术，从 20 世纪中期以来，人们对于相变储能技术的研究一直在进行中，并且逐步应用到工业和民用的生活里。相变储能技术是利用物质相变时产生的潜热来进行能量的储存与释放 []。相比于其他的储能方式，相变储能更加稳定，材料上能量密度更高而且可以重复利用，储释能过程基本等温。主要应用的相变材料为固液相变材料或者固固相变材料。

相变储能技术目前更多地应用于风能太阳能或者潮汐能等间歇性绿色能源，而在电能替代中运用相变储能技术，则是将电能转变为热量储存在相变材料中，然后在适当的时机进行释放能量。在我国 2000 年左右，政府实行了分时计度电价收费的政策，通过不同时段的电价不同鼓励用户在用电低峰期用电，减少高峰期用电量。电能替代中使用相变储能技术即通过在换热装置中使用相变材料，在夜晚的低峰期用电并通过相变储能

将能量储存在相变材料中，在白天用电高峰期减少用电量通过换热器中的相变再将能量释放出来供用户使用，以达到削峰填谷的目的。[]

4.课题意义与结论

由上可知，新能源电力系统将作为新型的现代化系统，广泛适用于居民的日常生活中，而此系统在运行过程中却存在很多的技术弊端，从而导致此系统无法正常运行，储能技术就是决定新能源电力系统运行稳定性的关键技术要点之一，电力部门应该对新能源电力系统应用的储能技术进行深入研究，最终目的是研发出科学性、可行性更高的储能技术，并将此技术合理运用到各型新能源电力系统中。

目前中国电力市场储能产业在面对巨大发展机遇的同时也面临着诸多瓶颈，储能产业的发展还需要政府提供有力的政策支持，充分考虑各种储能方案 ，加大基础研发的投入鼓励技术创新，掌握关键技术，依托现有储能技术，将储能与电网规划相结合，积极建设示范项目。相信随着技术上的不断突破和相关政策的出台，我国可逐渐形成具有竞争力的储能产业，推动我国电力系统健康、可持续发展。

参考文献

^[1^]全国工商联新能源商会储能专业委员会.储能产业研究白皮书2011[R],第五届新能源国际高峰论坛,2011.

^[2^]张淑梅.数控车床加工精度的影响因素及提高措施[J].内燃机与配件，2018(3)：93-94.

^[3^]张仁元，柯秀芳.相变储能技术在电力调峰中的工程应用[J]．中国电力，2002，35（9）：21-24

^[4^]陈慧斌，沈学忠.电力调峰和相变储能技术[J].陕西电力，2008（5）：50-52．

^[5^]艾欣，董春发.储能技术在新能源电力系统中的研究综述[J].现代电力，2015，32（5）

^[6^]Schainker R. Executive overview: energy storage options for a sustainableenergy futures. IEEE PES Gen Meet 2004:16.

^[7^]Chen H, Cong TN, Yang W, Tan C, Li Y, Ding Y. Progress in electrical energystorage system: a critical review. Prog Nat Sci 2009;19:291312.

^[8^]Whittingham MS. History evolution and future status of energy storage. ProcIEEE 2012;100:151834.

^[9^]Bose BK. Global energy scenario and impact of power electronics in 21stcentury. IEEE Trans Ind Electron 2013;60(7):263851.

^[10^]Antonucci V. Battery energy storage technologies for power system, workshop on international partnership for hydrogen and fuel cells in the economy (IPHE), 2012. p. 127

^[11^]Fertig E, Apt J. Economics of compressed air energy storage to integrate windpower: a case study in ERCOT. Energy Pol 2011;39(5):233042.

^[12^]Young-Min K, Jang-Hee L, Seok-Joon K, Daniel F. Potential and evolution ofcompressed air energy storage: energy and exergy analyses. Entropy2012;14:150121.

^[13^]Denholm P, Ela E, Kirby B, Milligan M. The role of energy storage with renewable electricity generation. NREL technical report, NREL/TP-6A2-47187, 2010.

^[14^]Forley A, Lobera ID. Impacts of compressed air energy storage plant on anelectricity market with large renewable energy portfolio. Energy2013;57:8594.

^[15^]Diaz-Gonzalez F, Sumper A, Gomis-Bellmunt O, Bianchi FD. Energymanagement of ywheel-based energy storage device for wind powersmoothing. J Appl Energy 2013;110:2079.

^[16^]Teleke S. Energy storage overview: applications, technologies and economical evaluation. White Paper, Quanta Technology, 2011. p. 111.

^[17^]EPRI-DOE handbook of energy storage for transmission and distribution applications. Report 1001834, 2003.

^[18^]Vazquez S, Lukic SM, Galvan E, Franquelo LG, Carrasco JM. Energy storagesystems for transport and grid applications. IEEE Trans Ind Electron2010;57(12):388195.

^[19^]Akinyele DO, Rayudu RK. Distributed photovoltaic power generation forenergy-poor households: the Nigerian perspective. Proc IEEE APPEEC2013:16.

^[20^]李建林，惠东，靳文涛 . 大规模储能技术 [M]. 北京：机械工业出版社，2015.

^[21^]晋飞，杨文佳，刘晓亮 ，张新伦，周玉.相变储能技术发展应用及其经济性分析[J],科技经济导刊 2019，27（09）

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

问题一：分析储能技术在电力系统中的作用及场景分类

研究手段：调研类型储能产业化情况和技术发展方向，指出各类型储能在电力系统的应用方向。根据各类型储能在国内外的应用情况，查询典型示范工程的基本参数、技术特点和功用。分析我国电力系统的特点和需求，并提出我国电力储能技术的发展方向和研究重点。

问题二：根据不同应用场景需求，提出储能技术的需求及指标体系

研究手段：阅读各类有关文献，对应用场景进行分类，按照文献对不同应用场景进行调研、对指标体系梳理、筛选和提炼，进行软件建模，对国内外的具体案例进行分析。

问题三：定量分析储能技术在具体应用场景中的得分。

研究手段：储能技术的得分应分为三个层次：第一个层次是单一收益模式，此模式只考虑现有机制带来的投资收益，此方法简单，但与实际价值差距较大；第二个层次是系统价值模式，需要考虑各储能技术在电力系统内所有收益；第三个层次为综合效益模式，需要在前两个模式的基础上考虑社会效益，如节能减排、基础设施的利用率等。第三个层次是我在这个问题上所选用的角度，它更能反映储能技术在具体应用场景中的实际得分。