（1）飞轮储能

飞轮储能属于一种机械储能方式，通过高速旋转的飞轮作为能量存储的介质，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机，电动机带动飞轮旋转，高速旋转的飞轮以机械能的形式把电能存储起来。大多数现代飞轮储能系统都是由一个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承组成的支撑机构组成，从而消除摩擦损耗，提高系统寿命。

目前，已经开发出大功率飞轮储能系统，并应用于航空以及不间断电源（Uninterrupt⁃ible Power Supply，UPS）领域，已有2kW/6kW·h（储能功率2kW，容量6kW·h）的飞轮储能系统用于通信设备供电，采用飞轮组（Flywheel Farm Approach）可以实现输出功率为兆瓦级、持续时间为数分钟或者数小时的储能装置。为了保证足够高的储能效率，飞轮系统应该运行于真空度较高的环境中，以减少风阻损耗。飞轮与电动机或者发电机相连，通过某种形式的电力电子装置，可进行飞轮转速的调节，实现储能装置与电网之间的功率交换。飞轮储能的一个突出优点就是几乎不需要运行维护、设备寿命长（20年或者数万次深度充放能量过程）且对环境没有不良的影响。飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。

飞轮储能的原理如图1.5所示，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转，从而带动飞轮旋转将电能存储为机械能，当飞轮的旋转角速度达到ω时，总的能量可表示为E＝Jω²/2，其中J为飞轮的转动惯量；当需要释放能量时，飞轮带动发电机旋转，将动能变换为电能，电力电子装置将对输出电能的频率和电压进行变换以满足负载的要求。飞轮储能基本结构一般由5个部分组成：飞轮转子、轴承、电动机/发电机、电力转换器和真空室。另外，飞轮储能装置中还必须加入监测系统以监测飞轮的位置、电机参数、振动和转速、真空度等运行参数。

图1.5 飞轮储能原理图

飞轮储能具有寿命长、效率高、高储能量、充电快捷、充放电次数无限、建设周期短、对环境无污染等优点，故其在电网中有着广阔的应用前景。

（2）抽水蓄能

抽水储能是在电力系统中得到最为广泛应用的一种储能技术，其主要应用领域包括能量管理、频率控制以及提供系统的备用容量。抽水储能最早于19世纪90年代在意大利和瑞士得到应用，1933年出现了可逆机组（包括泵水轮机和电动与发电机），现在出现了转速可调机组以提高能量的效率。抽水蓄能电站可以按照任意容量建造，存储能量的释放时间可以从几小时到几天，其效率为70％～85％。目前，全世界共有超过90GW的抽水储能机组投入运行，约占全球总装机容量的3％。限制抽水蓄能电站更广泛应用的一个重要制约因素是建设工期长，工程投资较大。抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站，与常规水电站的主要不同之处在于：它有上、下两个水库将水循环利用；它的机组不仅能像常规水电站一样发电，而且也能像水泵站那样抽水：它不仅供给电网电量，进行调峰，而且也消耗电网电能，用于抽水；它生产的产品是电，消耗的原材料还是电。

抽水蓄能电站的机组可以以水轮机和水泵两种方式工作，进行蓄能和发电。在电力系统处于负荷低谷时，抽水蓄能电站通过水泵利用整个电力系统中多余的电能，将下水库的水抽到上水库。等到了电力系统用电高峰时，抽水蓄能电站再将上水库的水放到下水库，并通过水轮机发电，以补充高峰电量，满足整个电力系统的调峰需求。如此不断循环工作，其能量转换过程如图1.6所示。

图1.6 抽水蓄能电站能量转换过程

抽水蓄能电站为电网提供高峰电力，减少系统峰谷差，将系统价值低、多余的低谷电能转换为价值高、必需的高峰电能。抽水蓄能电站起停迅速，具有调峰填谷、无功调节、调频、备用、黑起动等辅助服务功能，运行灵活、可靠，在保证电网安全、稳定运行中发挥着重要作用，是电网重要的保安电源，同时具有节能与环保等显著的社会经济效益。随着我国电力体制改革的进行，抽水蓄能电站将以其特有的优点发挥越来越重要的作用。(www.daowen.com)

（3）超导磁储能

超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）系统利用超导线圈通过大功率电力电子变换装置，将超导储能磁体与电力系统相连，将电网过剩的能量以电磁能形式存储起来；在需要的时候再通过逆变器将能量馈送给电网的一种电磁储能方式。尽管早在1911年人们就发现了超导现象，但直到20世纪70年代，才有人首次提出将SMES作为一种储能技术应用于电力系统。SMES由于具有快速电磁响应特性和很高的储能效率，很快吸引了电力工业和军方的注意。SMES在电力系统中的应用包括负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、电压稳定、频率调整、输电能力提高以及电能质量改善等方面。

超导线圈电阻为零，通直流时没有热损耗，通过的平均电流密度比常规线圈高1～2个数量级，且可产生很强的磁场，因而能量密度可达108J/m³，储能效率高达95％。超导线圈以直流方式储能，因此必须通过变流器才能实现与工频交流电网交换电能，从而参与电网的功率调节。SMES装置一般由超导线圈、制冷装置、变换器、失超保护系统和测控系统几个主要部分组成，其结构如图1.7所示。

图1.7 SMES装置示意图

SMES与其他储能技术相比，具有能量效率高，可长期无损存储能量，能量释放快，可方便调节电网电压、频率、有功和无功功率等显著优点。电力电子技术和高温超导技术的发展促进了SMES装置在电力系统中的应用。SMES灵活的四象限调节能力和快速的功率吞吐能力，使得它可以有效地跟踪电气量的波动，提高系统的阻尼。

（4）压缩空气储能

压缩空气储能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电。

压缩空气储能是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统，工作原理非常类似。压缩空气储能一般包括5个主要部件：压气机、燃烧室（含换热器）、透平、储气装置（地下或地上洞穴或压力容器）、电动机/发电机，如图1.8所示。其工作原理与燃气轮机稍有不同的是：压气机和透平不同时工作，电动机与发电机共用一机。在储能时，压缩空气储能中的电动机耗用电能，驱动压气机压缩空气并存于储气装置中；放气发电过程中，高压空气从储气装置释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动透平带动发电机输出电能。由于压缩空气来自储气装置，透平不必消耗功率带动压气机，透平的出力几乎全用于发电。

图1.8 压缩空气储能系统原理图

压缩空气储能电站的储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷起动、黑起动，响应速度快，其建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。压缩空气储能电站主要用于削峰填谷、调频、分布式储能和发电系统备用。目前，压缩空气储能电站多采用报废矿井、山洞、过期油气井、沉降在海底的储气罐和新建储气井等多种模式。