储能的作用及其电力系统应用
文劲宇
思构（SGO）课题组 华中科技大学 电气与电子工程学院 强电磁工程与新技术 国家重点实验室
/ jinyu.wen@
汇报提纲
• 电力系统储能技术 • 新一代能源系统中的储能技术 • 华中科技大学部分相关研究进展 • 一些认识
压缩空气 汞储存
能 源 管 理 旋 转 备 用
超导能
1W
10KW
100KW
1MW
10MW 100MW
功率
超导储能具有极佳的可反复充放电特性
各种储能特性对比（续）
GW MW
发电厂
大型涡轮机
超导磁体 小型/微型柴 储能 油机，涡轮机
功 kW 率
W
飞轮
电池 超级电容器
mW
电容器
μW
24 hrs 30min 1sec
虽然能量能够在天然气管网中大规模存储，但单纯 的利用其系统柔性作为储能，需要考虑能量转化的 损耗
P2G储能需要考虑管道承受氢气腐蚀的能力、天然 气调度问题及混合燃料燃烧特性变化等问题
汇报提纲
• 电力系统储能技术 • 新一代能源系统中的储能技术 • 华中科技大学部分相关研究进展
高比例可再生能源并网 液态金属电池 超导储能SMES 利用抽蓄消纳可再生能源
P2G：Power-to-Gas
用于高比例可再生能源并网的P2G
欧洲的P2G示范工程
应当考虑综合利用能源并避免能 量重复转化，从而减少损失。
P2G对电网和天然气管网的影响 （可调度负荷、天然气管道接纳 H2能力等）
能源网络互联有利于电能存储
相对于电而言，在传输网层面上，气、热系统中的 大规模储能是比较成熟的技术，因此可以与电能存 储实现互补
传统电力系统的特点
发电
输电、变电、配电
用电
调度
电能难以大规模存储 发出电能需即时传输 发电／负荷实时平衡
传统电力系统：刚性（充裕性、稳定性）
电力系统储能的作用
储能把发电与用电从时间和空间上分隔开来 发出的电力不再需要即时传输 用电和发电不再需要实时平衡
储能使传统的“刚性”电力系统变得“柔性” 是高比例可再生能源并网电力系统的关键支撑技术
主要特征：
a. 实现可再生能源优先、因地 制宜的多元能源结构
b. 集中分布并举、相互协同的 可靠能源生产和供应模式
c. 各类能源综合利用，供需互 动、节约高效的用能方式
d. 面向全社会的平台性、商业 性和用户服务性。
摘自：周孝信、程时杰、吴青华、鲁宗相、荆朝霞、文劲宇：“新一代 能源系统基础科学问题和关键技术”重点专项建议网 生物质 CO2
能源互联网的关键设备与支撑技术
关键设备分类
能量的生产与转换 能量的传输 能量的分配和使用 不同能源网络之间的接口 能量的存储
支撑技术分类
规划 运行 市场
文劲宇，方家琨. 能源互联网中的关键设备与支撑技术. 电力系统自动化 （待发表）
1) 高比例可再生能源并网
提出了基于多元复合储能的高比例可再生能源并网 的拓扑结构和规划运行方法
高压远距离输电
区域大电网
功率型 储能
能量型 储能
文劲宇，国家自然科学基金重点项目：基于储能的新型电力系统安全运行 基础理论和方法研究（50937002）
1) 高比例可再生能源并网（续）
直流自耦变压器（DC Auto） VSC1 idc2
ms
μs
响应时间
目前还没有能同时满足功率型 + 能量型需求的电力系统储能技术
汇报提纲
• 电力系统储能技术 • 新一代能源系统中的储能技术 • 华中科技大学部分相关研究进展 • 一些认识
新一代能源系统（能源互联网）
定义： 各种一次、二次能源的生
产、传输、使用、存储和转换 装置以及它们的信息、通信、 控制和保护装置直接或间接连 接的以电网为主干的网络化物 理系统。（能源互联网的基础 设施）
半桥型
0.05~0.1
0.5~1
热损失
长期存储较大 长期存储较大
低
储能周期
有限（有热损失） 有限（有热损失） 理论上无限
运输
短距离
短距离
理论上无限制
优点
成本低技术成熟
储热密度中等， 体积小
储能密度高、长距 离运输、损耗小
缺点
损耗大、装置大
导热率低、腐蚀 性强、损耗大
技术复杂、一次性 投资大
显热储热较成熟；潜热储热依靠材料的发展，也较成熟。两者都已有一 定的工业应用
化学储热目前仍在朝着更合适的体系发展，包括系统设计，反应物选择， 特性建模，经济分析等
储气
地上储气库
地下储气库
主要采用储气库，其相关设备技术主要是建库及其运行管理和维护技术： 气库类型（枯竭油气/盐穴）及其对应的工艺、稳定性密封性分析等技术 垫底技术及提高有效储量和生产技术 地面系统自动化控制，传感技术
储电：功率型 与 能量型
超导磁储能（功率型）
响应速度快 可反复多次充放电 容量有限 冷却维护量大
抽水蓄能（能量型）
以湖北白莲河抽蓄为例 300MW抽发一体可逆式机组 循环效率79~80% 6min内进行各种极限状态切换
储热
特性
显热储热
潜热储热
化学储热
质量密度/kW·h·kg-1
0.02~0.03
储能：功率型 与 能量型
超导磁储能（功率型）
响应速度快 可反复多次充放电 容量有限 冷却维护量大
抽水蓄能（能量型）
能量大 响应速度慢 地理条件制约
各种储能技术特性对比
小 时
最 大 放 电 时 间
分 钟
秒
抽水蓄能
金属空气 电池
钠硫电池
液流电池
高级电池
超级电容
铅酸电池
储能飞轮
UPS与电能质量 低能飞轮
1
8.25亿元
37.5%
林卫星，文劲宇，程时杰，具备阻断直流故障电流能力的直流–直流自耦变压器, 中国电机工程学报，2015， 35(4): 985-994
1) 高比例可再生能源并网（续）
自阻型MMC子模块
ISM
+
UT3
D3 -
C
+
UC - D4
T3
电容数量 二极管数量 IGBT数量 阻断直流故障 设计制造难度
idc1
i1
E1
E2
E1
iVSC2
1:k2
Bus i2
E2
VSC2
MMC1
MMC2
常规DC-AC-DC直流变压器拓扑
v
VSC3
i3
直流自耦变压器拓扑
DC 320kV / 500kV，1000MW DC-AC-DC DC Auto
换流器容量 | 比例
2000MW
1
720MW
36%
成本 | 比例
22亿元