2019储能储存与传输技术概述

PAGEPAGE179PAGEPAGE182能量存储与传输技术概述储能技术是能源互联网发展必不可少的支撑技术之一。储能技术不但可以有效地实现需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷、提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性和可靠性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段，此外，储能技术能够协助系统在灾变事故后重新启动与快速恢复，提高系统的自愈能力。在能源互联网的电力储能技术中，电化学储能、储热、氢储能和电动汽车等储能技术围绕电力供应，实现了电网、交通网、天然气管网和供热供冷网的“互联”。通过新能源发电实现风、光、潮汐、地热等主要一次能源向电能的转换。在电网传输和消纳能力的限制下，部分新能源发电将通过制氢、制热等方式进行转换，部分新能源发电以电化学储能等双向电力储能设备存储并适时返回电网。在各电力储能技术的支撑下，新能源发电与热电联供机组、燃料电池和热泵等转换设备协调运行，实现了新能源高效利用的目标，以电能为核心的多能源生产和消费的匹配。在能源互联网能量传输技术中，可通过加强能量传输来提升综合效能，不同的能源门类，如风电、太阳能等资源，均可在能源互联网平台上实现资源供求平衡，实现信息流、资金流及能源（量）流的有效配置、协同和协调。1.1 能量存储技术传统意义的电力储能可定义为实现电力存储和双向转换的技术，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能和电池储能等，利用这些储能技术，电能以机械能、电磁场和化学能等形式存储下来，并适时反馈回电力网络。能源互联网中的电力储能不仅包含实现电能双向转换的设备，还应包含电能与其他能量形式的单向存储与转换设备。在能源互联网背景下，广义的电力储能技术可定义为实现电力与热能、化学能、机械能等能量之间的单向或双向存储设备。能源互联网中的电能存储技术如图1.1所示。能源互联网中的基本储能类型以及功率等级等重要指标见表1.1。表1.1储能技术特性比较储能类型 功率等级 能量密度 持续发电 成本／（元／W·h） 寿命／年 效率（％）抽水储能 100～5000MW 0.5～1.5 1～24h 30～600 40～60 71～80压缩空气 100～300MW 3～60 1～24h 20～50 40～50 42～75液化空气 10～100MW 100～200 1～24h 300～400 20～40 40～90铅酸电池 0～20MW 30～50 1s～1h 1200～2000 3～8 75～90液流电池 30kW～3MW 10～30 1s～10h 5000～6000 5～10 75～85锂电池 100kW～5MW 75～200 1s～8h 6000～10000 8～10 90～95氢储能 1kW～1GW 500 1～24h 30000 20 40～50储热 10kW～11GW 50～130 1～24h 5～5000 20 30～701.1.1 蓄电池储能

图1.1能源互联网中的电力储能技术能源互联网的蓄电池储能系统由蓄电池和电力电子变换器组成。蓄电池储能系统通过电能与存储于电池中的化学能之间的转换，实现能量的存储／释放，是一种效率较高的储能方式。其中，蓄电池储能系统由三相PWM变换器、蓄电池、变压器和控制系统组成。系统结构示意图如图1.2所示。由于蓄电池的电压较低，与电网连接时，使用变压器完成升压。图1.2蓄电池储能系统能源互联网中的储能环节不仅可以有效实现需求管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，而且可以有效地利用电力设备，降低供电成本，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。所以能源互联网对于储能电池的发展提出了4个方面的要求：寿命长。作为储能电池，必须具有较长的使用寿命（3～5年）才具有实用价值。能量密度高。虽然能源互联网的储能系统不需要具有机动性，但要求电源的体积和质量越小越好。功率密度高。储能电池需要具有较高的功率密度，以保证系统能够应付突发状况。成本低。成本是能源互联网储能电池必须考虑的重要因素，关系到其应用的推广。在能源互联网中，目前适合规模化应用的电池技术主要有铅酸电池、锂电池、钠硫电池和液流电池。铅酸电池铅酸电池是最古老，也是最成熟的化学储能方式。铅酸电池其具有储能容量大、成本低等优点，使其在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用。但铅酸电池较其他二次电池，存在如下缺点：能量密度低。铅酸电池的能量密度仅为40～50W·h／kg。循环寿命较短。普通铅酸电池循环寿命仅有1000次左右，这相当于提高了电池单周储能成本，从而导致成本升高。工作温度较窄。超过一定的温度极易引起电池性能下降，甚至起火爆裂。环境污染重。铅材料为重金属，极易对环境造成污染但储能密度低、自放电率高、循环寿命较短、重金属污染且深度放电对电池寿命影响很大。由于存在以上的缺点，使得铅酸电池在能源互联网中的应用受到制约。为配合能源互联网的发展，铅酸电池应向着密闭化、轻量化、长寿命的方向发展。如在铅酸电池中加入碳添加剂并进行优化设计为基础的铅碳超级电池，提高了电池充电接受性和高循环稳定性，延长了使用寿命，提高了倍率性能。锂离子电池锂离子电池是一种具有高能源效率、高能量密度的储能电池，具有以下优点：能量密度高。锂离子电池的质量比能量和体积比能量分别可达200W·h／kg和300W·h／L以上。放电电压高。放电电压平台一般为3.2～4.2V。电池自放电率低。在正常存放情况下年自放电率低于10。循环寿命长。锂离子电池100％放电深度（D）下充放电在1000次以上，磷酸铁锂电池循环寿命超过4000次，以钛酸锂为负极的电池则可达5000次以上。充放电效率高。充放电能量转换效率可达95。工作温度范围宽。一般的工作范围为30～70。由于以上优点，在能源互联网中锂离子电池一般用于配电网侧削峰填谷、调频、调压、孤岛运行等多种电网应用功能，同时也可以通过串联或并联来获得高电压或高容量。虽然锂离子电池是目前最有希望应用于能源互联网的二次电池体系，但仍需要解决以下几个问题：安全性。由于采用液体有机电解质，锂离子电池易在过充电等滥用条件或因内部缺陷而引起内部短路、着火甚至爆炸。循环稳定性。锂电池的正负极、特别是石墨负极在嵌脱出锂离子时，会产生一定程度的体积膨胀或收缩。可能导致电池内部的界面膜破裂，引起容量衰减，影响电池寿命。一致性问题。锂离子电池的单体容量小，规模化储能需要若干只电池的串、并联。因此单体电池的一致性非常重要。成本。目前从原材料成本到加工生产成本还比较高，需进一步降低电池成本。钠硫电池钠硫电池是目前唯一的一种同时完全适用于功率型储能和能量型储能的储能电池。钠硫电池具有以下的优点：原料资源分布很广。原材料成本低。充放电效率高。其直流充放电效率可达90，自放电率很低，存储寿命很长。倍率性能好。可支持短时间大电流或脉冲大电流放电。原材料环境友好。不会使用和产生有毒有害的物质。由于钠硫电池具有高能电池的一系列特点，使它在能源互联网中受到了极大的重视。目前，钠硫电池在能源互联网中已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面，在负荷调控、备用电源等方面更是已经实现了商业化运作。虽然钠硫电池具有能量和功率密度高、运行费用低、循环性能好等特点，使其有广泛应用于能源互联网的潜力，但钠硫电池仍存在如下的缺点：工作温度较高（300℃左右）。需要提供加热和保温设施。电池过充时存在安全隐患。过充时易导致电池起火或爆裂，过放时将导致电池正极局部过负荷工作，影响电池寿命。正、负极材料活性很高。在密封失效等失控情况下，直接接触或与空气接触时，电池将着火甚至爆炸，存在安全隐患。1.1.2 超级电容器储能超级电容器利用双电层原理直接存储电能，其容量可达数万法，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。其基本结构如图1.3所示，主要由储能用的超级电容器组、双向变换器、整流器、逆变器和控制单元构成。超级电容器储能系统的基本原理是三相交流电能经整流器变为直流电能，通过逆变器将直流逆变成可控的三相交流。正常工作时，超级电容器将整流器直接提供的直流能量存储起来。当系统出现故障或者负荷功率波动较大时，通过逆变器将电能释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功功率，从而实现电能的平衡与稳定控制。如果所逆变的电压高于系统电压，那么逆变器就向系统提供功率。如果低于系统电压，它将吸收功率。双向DC－DC变换器实现直流低压侧超级电容器组与直流高压侧之间的能量转换。

图1.3超级电容器储能超级电容器作为一种无源的电力储能器件，其在能源互联网中的巨大的优越性表现为：1）功率密度高。超级电容器的内阻很小，而且在电极／溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速存储和释放。充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。充电时间短。完全充电只需数分钟。实现高比功率和高比能量输出。存储寿命长。可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件，维护工作极少。环境温度对正常使用影响不大。超级电容器正常工作温度范围为35～75。可以任意并联使用，增加电容量。若采取均压后，还可串联使用。由于以上的优点，超级电容器储能在能源互联网中的用途十分广泛。其中，最为典型的有电车电源、电力系统应用等。在电车电源中，由于超级电容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地满足电车在起动、加速、爬坡时对功率的需求，可以作为混合型电动车的加速或起动电源。超级电容在电力系统中的应用最为广泛。超级电容器替代电解电容器，应用在高压变电站及开关站的电容储能式硅整流分合闸装置中。作为储能装置，可以解决电解电容器由于储能低及漏电流大造成的分合闸装置可靠性差等缺点，防止产生严重事故。超级电容器代替电解电容器能保持原装置简单的结构，还能降低成本，减少维护量。超级电容器也可以用于分布式电网的储能。该系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式存储起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速地补偿系统所需的能量，从而实现电能的平衡、稳定控制。1.1.3 压缩空气储能压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。在能源互联网中，压缩空气储能一般是在电网负荷低谷期，将电能用于压缩空气，将空气高压密封在特定的空间存储，在电网负荷高峰期释放压缩空气来推动汽轮机发电。压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间存储电能的电力储能系统。压缩空气储能的原理图如图9.4所示。图9.4压缩空气储能原理图由于压缩空气储能系统具有储气库漏气开裂的可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快等优点，所以在能源互联网中压缩空气储能主要用于峰谷电能回收调节平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用，具体包括：PAGEPAGE185PAGEPAGE184削峰填谷发电企业可利用压缩空气储能系统存储低谷电能，并在用电高峰时释放使用，以实现削峰填谷。平衡电力负荷压缩空气储能系统可以在几分钟内从启动达到全负荷工作状态，远低于普通的燃煤／油电站的启动时间，因此更适合作为电力负荷平衡装置。需求侧电力管理在实行峰谷差别电价的地区，需求侧用户可以利用压缩空气储能系统存储低谷低价电能。然后在高峰高价时段使用，从而节约电力成本，获得更大的经济效益。应用于可再生能源利用压缩空气储能系统可以将间歇的可再生能源拼接起来，以形成稳定的电力供应。备用电源压缩空气储能系统可以建在电站或者用户附近，作为线路检修、故障或紧急情况下的备用电源。目前，10MW级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到90％，大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着能源互联网中分布式发电系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10～14MPa的需要，8～12MW微型压缩空气蓄能系统已成为人们关注的热点。总体来说，压缩空气储能的建设成本和发电成本相对较低，可以节省燃料、降低投资费用、减少排放，安全系数高，寿命长，响应速度快。这些特点使得压缩空气储能在能源互联网中用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。但是由于压缩空气储能能量密度低，并受岩层等地形条件的限制，使其在能源互联网中的推广范围有限。1.1.4 飞轮储能飞轮储能是利用在飞轮上存储的动能与电力系统间进行能量交换，电网中多余的电能通过变频器使电动机转动，带动飞轮升速并靠飞轮的大惯量存储动能，当需要电能时，电机作为发电机运行，飞轮存储的动能变换成电能，再经变频器返回到电网中，从而实现电能的输入、存储和输出。飞轮储能系统的基本结构如图9.5所示。图9.5飞轮储能系统结构图在能源互联网中，飞轮储能系统在低谷负荷时，由工频电网提供电能，通过双向变流器驱动电机带动飞轮高速旋转，以动能的形式将能量存储起来；而在峰荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动发电机发电，完成机械能－电能转换的释放能量过程。飞轮储能功率密度和能量密度大，效率在90％以上，循环使用寿命长达20年，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，可以实现兆瓦级输出，持续时间为数分钟至数小时。与其他储能方式相比，飞轮储能系统主要有以下几方面突出的优点：储能密度高，瞬时功率大。无过充电、过放电问题。飞轮不会因过放或过冲，而受到损害。容易测量放电深度和剩余电量”，充电时间较短，一般在几分钟内就可将电池充满。使用寿命主要取决于飞轮储能系统中电子元器件的寿命，一般可达20年左右。能量转换效率高，一般可达85％～95。对温度不敏感。对环境无污染。由于以上的优点，使得飞轮储能在能源互联网中主要用于不间断电源（S）、应急电源（ES）、电网调峰和频率控制。而在孤岛型随机出力的可再生能源系统中，飞轮储能还可以充当电能的存储器和调节器，可提高输出功率的稳定性，平抑输出功率波动，有效地改善电能质量。1.1.5 抽水蓄能抽水蓄能电站在能源互联网中主要承担调峰、调频、调相、调压、旋转备用、事故备用和黑启动的重要技术手段。抽水储能系统主要由上水库、引水系统、厂房和下水库组成。在水电厂的上游建有蓄水库，下游也建有蓄水库，在电力系统高峰负荷时期，利用上库的水通过引水系统闸门、管道和调压井等设施，将上库水的位能转变成动能推动水轮机旋转，带动与水轮机同轴的发电机发电（称为发电工况）；在低谷负荷时期，将下库的水再通过引水系统闸门、管道和调压井等设施抽回上库蓄积起来（称为水泵工况），此时发电机转变为电动机，水轮机转变成水泵。抽水蓄能的作用明显，可利用低谷电能抽水，以供电峰荷时再发电或需要时供水。发展抽水蓄能对能源互联网中各种能源的可持续发展是十分有利的，它有以下优点：抽水蓄能虽不能生产电能，但可利用低谷电能抽水，在峰荷时发电即可调峰填谷、调频调相、旋转备用和应急事故备用，在实质上起到了一种能量存储转换和改善优化等功能。当前一些电网总容量日益增加，水电比例却日益下降，低谷剩余电能将与日俱增，为抽水蓄能的发展提供了必要的动力。抽水蓄能与煤电、油电、气电相比，跟踪负荷和调峰性能好、开停机灵活并节煤节油，与常规水电相比，还具有填谷功能，使节能减排功效倍增。抽水蓄能电站的工程量和投资等指标比火电优越很多并优于常规水电。如拟建一座百万千瓦时级常规水电，常有大坝和大型泄洪、输泄水和导流建筑物，淹没移民数常以数万和数十万人计，而抽水蓄能往往仅以百人或千人计。1.1.6 热能存储热能存储是提高能源利用率的重要手段之一。它利用物理热的形式将暂时不用的余热或多余的热量存储于适当的介质中，在需要使用时，再通过一定的方法将其释放出来。从而解决了由于时间或地点上供热与用热的不匹配和不均匀所导致的能源利用率低的问题，最大限度地利用加热过程中的热能或余热，提高整个加热系统的热效率。储热技术大体可分为显热储能、潜热储能和化学储热三类。显热储能通过提高介质的温度实现热存储。潜热储能即相变储能，利用材料相变时吸收或放出热量，目前以固－液相变为主。与显热储能相比，相变储能具有较稳定的温度以及较大的能量密度。化学储热利用可逆化学反应存储热能，可实现宽温域梯级储热，能量密度可达显热和潜热储能的10倍以上。化学储热技术要求储热介质具备可逆的化学反应，储热材料选择难度大。目前储热技术仍以显热和潜热储能为主。在能源互联网中，各种储热技术相互配合以及不同的储热技术与其他储能技术相结合的新型储能技术层出不穷。可以预见，储热技术在能源互联网中的发展是迅速且意义重大的。在太阳能热发电中，储热技术用于解决太阳能发电的间歇性，使太阳能发电在24h具有较稳定的输出。2008年，西班牙Andasol槽式太阳能热发电站投运，其首次采用熔融盐进行蓄热，在太阳辐照度较低时，熔融盐释放的热量可支持涡轮机满功率运行7h。目前，美国、西班牙、意大利等国家已经有多个熔融盐蓄热的光热发电站投入商业化运行。熔融盐蓄热属于显热储能，用于太阳能热发电的相变储能材料处于研发和试验阶段。大规模储热技术在应对新能源发电的消纳问题中可起到重要的作用。冬季供热期间，为满足供热负荷，热电机组的调峰深度受限，在新能源比例较高的地区，产生严重的弃风、弃光现象。为热电机组配置储热装置（一般为储热水罐），一定程度上可解耦机组的热功率和电功率，提高热电机组运行灵活性和调峰能力。如丹麦Avedre电站安装有两台储热水罐，容积达44000m3，放热能力达330MJ／s。在风电出力较大的时段，降低电站发电功率，并利用储热罐维持热力供应。通过电锅炉进行供热也是促进风电消纳的手段之一。大功率蓄热式电锅炉可采用水、蒸汽、固体或者相变材料进行储热，单台蓄热容量可达数十兆瓦时。2011年投运的吉林大唐洮南风电供热项目是中国首个风电供热项目。2015年6月，国家能源局发布了《关于开展风电清洁供暖工作的通知》，大力推广风电供热技术。在用户侧，利用低谷电力蓄冷降低生产和生活中的冷量供应成本已成为需求响应的一项重要体现。其中蓄冷技术采用的介质包括水、冰、优态盐等。冰蓄冷利用水－冰相变来存储释放冷量，能量密度达335kJ／kg，为水蓄冷的7～8倍。冰蓄冷技术已十分成熟，得到了广泛的应用。建设大型的制冷站及冷媒传输网向一定区域提供冷源是该项技术的发展趋势。区域供冷技术的推广对电网峰谷负荷调节有着重要的意义。相较于储热，在相同温度变化下，储冷可更有效地存储高品位能量。当前，深冷储电技术逐渐得到关注，该技术利用常压低温液态空气进行储能。2011年，世界首套深冷液态空气储能示范工程投运，验证了深冷储电技术的可行性，考虑余热吸收后效率达50％。不同于深冷储电，热泵储电具有较高的理论效率，其通过近似绝热的过程压缩和膨胀气体，同时产生高温热能和低温冷能，以此达到高效存储电能的目的，反向时用压缩的高温气体驱动电机发电。热泵储电技术结构复杂，对热功转换设备要求高，仅处于小规模示范阶段。1.1.7 氢储能氢储能可看作是一种化学储能的延伸，它的基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。以风电制氢储能技术为例，其核心思想是当风电充足但无法上网、需要弃风时，利用风电将水电解制成氢气（和氧气），将氢气存储起来；当需要电能时，将存储的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。通常所指的氢储能系统是电－氢－电的循环，且不同于常规的锂电池、铅酸电池。其前PAGEPAGE193端的电解水环节，多以功率（单位为kW）计算容量，代表着氢储能系统的“充电”功率；后端的燃料电池环节，也以功率（单位为kW）计算容量，代表着氢储能系统的“放电”功率；中间的储氢环节，多以氢气的体积（单位为标准立方米Nm3）计算容量，如换算成电能容量，1Nm3氢气大约可产生1.25kW电能，储氢环节的容量大小决定了氢储能系统可持续“充电”或“放电”的时长，所以如果想增加电能的存储容量，加大储氢罐的体积或压力即可。氢储能系统利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。氢能绿色无污染、能量密度高、运行维护成本低、可长时间存储，不存在类似蓄电池的自放电现象，被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。氢储能技术具有能量密度高、无污染、可持续等特征，储电和发电过程无须分时操作，且理论上能够存储多少氢气、合成气、合成油就能存储多大规模的能量，是仅有的能够存储百十亿瓦时以上且可维持几周供电的能量储备技术方式，具有广阔的发展潜力和应用前景，对确保全球能源互联网系统的安全稳定具有不可或缺的作用。基于氢储能技术的发展，电网本身的角色可依靠氢能的节点作用实现从电能供应商到全球能源供应商的转变与提升，主要管理能源接口。1.2 储能技术在能源互联网中的作用1.2.1 电网调峰调频调峰电源需要根据负荷变化情况跟随出力，来维持电力系统电压和频率的稳定。电网希望调峰负荷能够快速根据调度指令及时投入、切出系统，并根据指令快速改变其出力水平。传统调频电源作为旋转电源，由于惯性和控制精度问题，会出现延迟与偏调等情况，而且火电机组参与调频会降低其经济运行效率，并不是理想选择。储能技术在提高电网调频能力方面，可以减小因频繁切换而造成传统调频电源的损耗；在提升电网调峰能力方面，根据电源和负荷的变化情况，储能系统可以及时、可靠地响应调度指令，并根据指令改变其出力水平。电网领域迫切需要低成本、大容量储能技术解决调频调峰的问题，以提高其供电可靠性及电能质量。电网一次或二次调频的储能项目一般装机容量在1MW以上，充放电时间为1～15n，平均每天循环10～40次，响应时间在1n之内。用于调峰（三次调频）的储能项目，一般装机容量在10W以上，充放电时间为1～4h，每天循环1～3次，响应时间要求不高，1h内投入即可。抽水蓄能、压缩空气储能可以满足上述调峰要求。目前建设的电网峰谷平衡储能项目主要以抽水储能为主。在十二五”期间，我国抽水蓄能电站建设规模持续扩大，设计、施工和机组设备制造水平不断提升，已形成较为完备的规划、设计、建设和运行管理体系，相继建成了广州、十三陵、天荒坪、泰安、西龙池、惠州、响水涧、仙游等一批具有世界先进水平的抽水蓄能电站。到2014年底已建成27座抽水蓄能电站，投产容量为22.14W，占全国电力总装机的.6％。215年11月，国内核准建设的单机容量最大、净水头最高、。用于电网调峰的压缩空气储能，一般是在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在特定的空间存储，如报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井等，在电网负荷高峰期释放压缩空气来推动汽轮机发电。压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间存储电能的电力储能系统，在综合效益方面与抽水蓄能相近，缺点是必须找到合适的储蓄洞，需要燃气。德国于1978年建立的290MW发电厂将压缩空气存储在盐坑中，存储8h的压缩空气，足够使发电机全力运行2h，效率在77％，主要用于热备用和平滑负荷。美国于1991年建立的发电厂将压缩空气存储在地下450m的废盐矿中，可以为110MW的汽轮机连续提供26h的压缩空气。虽然抽水蓄能和压缩空气是大规模电网调峰的首选储能方式，但二者都严格受到地理条件的限制，推广范围有限。氢储能是另一种储能方式，可以应用于电网的发电、输电和配电端，用于调峰调频。储氢系统利用电解水技术得到氢气，将氢气存储于储氢装置中，再利用燃料电池技术将存储的能量回馈到电网，或将氢气通过管道输送，直接应用到氢气产业链中。欧洲有多个配合新能源接入使用的储氢系统的示范工程：德国在普伦茨劳市建立了风能－氢能混合动力发电厂；意大利在普利亚地区建设了39MW的储氢系统；法国在科西嘉岛建设了200kW的储氢系统提高了光伏发电利用率；挪威在西海岸建设了55kW的制氢和10kW的氢发电系统。相对抽水蓄能而言，电池储能的方式用于集中式大规模电网调峰，目前成本还是太高，但是电池储能技术比较适用于百千瓦至几十兆瓦级别的电网调频，其调频效果是水电机组的1.7倍，远好于火电机组。铅酸电池、液流电池、锂离子电池等都有典型的示范应用。2015年6月，东芝公司发布将在日本本州为东北电力公司提供40MW锂离子电池系统的计划。同月，NEC公司提出将为Amerigin提供60MW的锂电池系统用于调频。2014年锂离子电池在全球装机总量中位居第二，在中国市场锂离子电池的应用比例最高，超过70％。1.2.2支撑高比例可再生能源发电电网的运行能源互联网以可再生能源为主要一次能源，利用可再生能源发电、供热、制氢均是能源互联网中可再生能源利用的重要形式。全球范围内，可再生能源发电目前处于快速增长阶段。大规模波动性及间歇性可再生能源发电的接入使得电源侧的不确定性增加，加大了电网功率不平衡造成的风险。针对大规模可再生能源发电的接入，一方面通过储能技术与可再生能源发电的联合，减少其随机性并提高其可调性；另一方面通过电网级的储能应用增强电网对可再生能源发电的适应性。对于后者，储能作为电网的可调度资源，具有更大的应用价值和应用空间。在电网级的应用中，对储能的需求大体可以分为功率服务和能量服务两类。功率服务中储能应对电网的暂态稳定和短时功率平衡需求，作用时间为数秒至数分钟。能量服务中，储能用于长时间尺度的功率调节，作用时间可从数小时延伸至季节时间尺度，用于应对系统峰谷调节以及输配电线路的阻塞问题。对于功率服务，需要响应快速的大容量储能技术，如飞轮储能、超级电容储能、电池储能等，这些储能技术与电力电子技术相结合，具有四象限调节能力，可对有功功率和无功功率进行双向调节，对电网的电压和频率进行支撑。对于能量服务，双向的电力储能需要具有长时间尺度的存储能力、较高的循环效率及较低的成本，实现可再生能源发电在时间维度上的转移。实际上，大规模电力储能并不是解决高比例可再生能源发电利用问题的唯一手段，用电负荷的柔性调节能力也是缓解电网压力的有效方式，在负荷侧，分布式的电池储能、电动汽车、蓄热、蓄冷等分布式储能技术的应用也大大提高了电力负荷的柔性调节能力。对于高比例新能源发电电网，为提高综合能源利用效率，储氢、储热等单向的大规模储能技术，为冗余的新能源发电提供了向其他能源形式转移的途径，同时在长时间尺度，为广域能源互联网的运行提供支持。1.2.3 电质量与可靠性电力重要负荷对供电可靠性和电能质量有严格的要求，一级负荷不允许停电，二级负荷不允许长时间停电。当电力系统出现故障时，需要有备用电源持续为用户供电，而且要防止负荷向电网回馈谐波等电能质量问题。在提高配电网的供电可靠性方面，当配电网出现故障时，储能系统可以作为备用电源持续为用户供电；在改善电能质量方面，作为系统可控电源对配电网的电能质量进行治理，消除电压暂降、谐波等问题，同时降低主干网络扩容的投入，节约扩容资金。用于提高配电网可靠性和电能质量的储能项目一般装机容量在兆瓦级以上，充放电时间为几分钟至几小时不等，响应时间要求很高，如用作电压支撑的电源响应时间在毫秒级。电池储能、飞轮储能、超级电容器技术以及氢储能可广泛应用于配电领域。电池技术的应用能够对电网的电能质量做出快速的判断和处理，美国的众多配电服务项目中都是采用电池储能技术来实现的。电池储能中超级电容器的能量密度很低，但是超级电容器的工作温度范围宽、充放电速度快，往往可以反复充放电至数十万次。因此，超级电容器储能适用于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量、抑制电力系统低频振荡，以及提高电能质量等。1.2.4 社区或家庭备用电源作为应急电源的储能系统，一般装机容量为10kW～1MW，充放电时间为3～5h，响应时间为小时级，对抗灾性能和环境适应能力有很高要求。电池储能技术非常适用于应急电源领域。随着能源互联网的发展，可以考虑为可能遭受灾害袭击的区域和重要用电场所配置应急电源，减少次生灾害发生，提高社会的整体应急能力。例如，在美国东西海岸尤其是东海岸地区，电网公司正在积极投资建设储能设施。因为这些地区容易受到飓风影响，储能设施可以让电网更有弹性，在对抗飓风时更稳定。各种电池技术可以应用于用户侧。电池结合电力电子技术能够为用户提供可靠的电源，改善电能质量，还可以利用峰谷电价的差价，为用户节省开支。1.2.5 微网储能微网可被看作电网中的一个可控单元，可在数秒内反应来满足外部输配电网络的需求，增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，保证电压降的修正或者提供不间断电源。储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，作为微网必要的能量缓冲环节，储能系统可以改善电能质量、稳定组网运行、优化系统配置、保证微网安全稳定运行；还可以克服微网惯性小、抗干扰能力弱等问题，有效弥补风力发电和光伏发电等可再生能源发电的间歇性对系统造成的影响，使得可再生能源输出功率具有一定的可预测性和可调度性。微网系统要求配备储能装置，并要求储能装置能够做到以下几点：1）在离网且分布式电源无法供电的情况下提供短时不间断供电。能够满足微网的调峰需求。能够改善微网的电能质量。能够完成微网系统黑启动。平衡间歇性、波动性电源的输出，对电负荷和热负荷进行有效控制。要实现微网的稳定控制、电能质量改善和不间断供电等多重功能，储能不仅要具备短时高功率支撑能力，还需提供较长时间的能量支撑。这就需要将能量型储能技术与功率型储能技术结合，形成稳定可靠的复合储能系统。用于微网的储能项目的一般装机容量为1～100kW，充放电时间为3～5h，每天循环1次左右，响应时间为分钟级。目前我国有接近一半的新型储能项目都应用在微网领域，可见储能在微网中的应用有很大的市场潜力。电池储能、氢储能、压缩空气储能和飞轮储能等储能方式可以满足微网储能的不同技术要求。1.2.6 电动汽车电动汽车在能源互联网中作为分布式的储能单元，在家庭能量管理、与分布式电源的协调方面也可发挥重要作用。在电动汽车市场推广过程中，它在智能家居、微网等场合中与其他负荷及电源的协调配合是当前电动汽车在电网中的主要应用模式。电动汽车分布式能量站类似于现在的加油站，能量站安装有低成本、长寿命的兆瓦级储能电池系统，能够从电网充电存储电量后，给电动汽车快速充电；同时，能量站能够与电网互动，用于电力调峰或调频。2020我国各种类型的电动汽车累计数量有可能达到500届时电动汽车充电负荷将成为电力系统重要的新增负荷。推广基于电动汽车VEG模式的电动汽车储能电站将有效平抑电动汽车充电负荷对电网的冲击，同时提升分布式可再生能源发电并网规模，降低电动汽车用户的充电成本。1.3 能量传输技术能源互联网中的传输技术主要集中在电、气、热的传输。其中，电力传输技术的研究更为多样化，而气和热的传输主要还是集中在管道传输等形式。在能源互联网中，电力输电线路按电压等级分类，不同的电压等级采用不同的输电材质以及设备。例如，110kV以下线路在一般丘陵及平地主要采用水泥杆，220kV及以上线路采用铁塔。110kV和35kV线路在大山区大多采用铁塔以保证线路安全运行。10kV及以下线路基本采用水泥杆。变电站、开关站是交流线路上使用的，主要作用是进行电压、电流转换，如110kV线路上的电要送到用户居民家，就必须要通过变电站先将其降压为35kV，再通过35kV线路送到35kV的变电站转换为10kV，再通过10kV线路送到10kV的变压器转换为220V的民用电到居民家中。换流站是进行交流电和直流电转换的，一般用在网络中间，不出现在电源侧或用户侧。目前，电流在能源互联网中依旧是通过主要的公共电网传输的，并通过传输电线分布到各个负载地点。公共设施网络方面使用的电力主要是交流电（AC），长达数百千米的电力传输也是通过交流电完成的。对于较长距离的传输而言（例如通过海洋电缆），一般在传输之前要把交流电转换为直流电（DC），然后再转变成为交流电。在能源互联网中，电流或功率从电源向负荷沿电力网传输时，在电力网元件上将产生功率损耗和电压降落。假设电力线路的π形功率等效电路如图9.6所示。图9.6电力线路的π形功率等效电路为了提高能源互联网中输电的效率，可以采取减少线路中流过的无功功率、提高电压等级、降低线路阻抗等方法。1.3.1 交流电能传输能源互联网中的交流输电技术的发展是以增加输送容量、扩大输送距离和提高输电线路电压等级为标志的。从19世纪90年代的10kV左右电压、输送几十公里距离、几千千瓦功率发展到现今1000kV电压、超过1000km的输送距离、200万kW以上的功率，并且正在研究1150kV和1500kV的特高压电压等级输电。其中1150kV输电已有工业性试验线路运行。除了1000kV最高实际应用的电压外，还广泛采用35kV、66kV、110kV、230kV、287kV、330kV、400kV、500kV电压，不同的国家规定了自己的额定电压等级，以适应不同距离、不同输送功率的要求。与各额定电压等级相适应的输送距离和输送功率见表1.2。表1.2与各额定电压等级相适应的输送距离和输送功率线间电压／kV输送功率／MW输送距离／km100.2～2.06～20352.0～10.020～5011010.0～50.050～150220100.0～500100～300330200～800200～600500100～1500150～850750200～2500500以上与直流电能传输相比，交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以经济、方便地把机械能（水流能、风能等）、化学能（石油、天然气等）等其他形式的能转换为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便。这是交流电与直流电相比所具有的独特优势，也使得交流发电在能源互联网中的应用在现阶段远远大于直流输电。1.3.2 直流电能传输能源互联网中的直流输电是将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受电端交流电网的一种输电方式。直流输电主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成（见图9.7）。其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换。直流输电主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系统不稳定、调节快速、运行可靠等优点。图9.7直流输电系统的基本构成1—无功补偿装置2—交流断路器3—交流滤波器4—换流变压器5—换流装置6—平波电抗器7—避雷器8—直流滤波器9—直流输电线10—保护和控制在能源互联网中直流输电再次兴起并迅速发展，说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。并且随着能源互联网中直流发电设备的增加，直流输电技术也是当前急需解决的重要问题之一。直流输电相比于交流输电在下述情况下应用更具优势：远距离大功率输电。直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用。海底电缆送电是直流输电的主要用途之一。输送相同的功率，直流电缆不仅费用比交流省，而且由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过40km时，采