微電網(wǎng)儲能技術

1、微電網(wǎng)儲能技術0 引言在過去的幾十年里，電力系統(tǒng)已發(fā)展成為集中發(fā)電、遠距離輸電的大型互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)。 但是近年來隨著用電負荷的不斷增加，而電網(wǎng)建設卻沒有同步發(fā)展，使得遠距離輸電線路的 輸送容量不斷增大，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性下降。并且現(xiàn)階段用戶對電能質量和電力品 質的要求越來越高，以及環(huán)境和政策因素使這種傳統(tǒng)的大電網(wǎng)已經(jīng)不能很好地滿足各種負荷 的要求。鑒于上述問題，經(jīng)過不斷的發(fā)展，逐步形成了一種特殊電網(wǎng)形式：微電網(wǎng)。而儲能 系統(tǒng)作為微電網(wǎng)中必不可少的部分，發(fā)揮了至關重要的作用 1-2 。微電網(wǎng)可被看作電網(wǎng)中的一個可控單元，它可以在數(shù)秒鐘內(nèi)反應來滿足外部輸配電網(wǎng)絡 的需求，增加本地可靠性，降低饋

2、線損耗，保持本地電壓，保證電壓降的修正或者提供不間 斷電源。微電網(wǎng)可以滿足一片電力負荷聚集區(qū)的能量需要，這種聚集區(qū)可以是重要的辦公區(qū) 和廠區(qū)，或者傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的供電成本太高的遠郊居民區(qū)等。由于我國大部分地區(qū)是農(nóng)村地 區(qū)，供電可靠性不高，斷電事故時有發(fā)生，然而提高可靠性的成本又相當昂貴。如果在負荷 集中的地方建立微電網(wǎng)，并利用儲能系統(tǒng)儲存電能，當出現(xiàn)短時停電事故時，儲能系統(tǒng)就能 為負荷平穩(wěn)地供電。因此，儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中有非常大的市場前景，對電網(wǎng)的電能質量、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及 供電可靠性都有很大的提升。太陽能、風能等無污染可再生能源儲存在儲能系統(tǒng)中，適時提 供電能，不需要投資大的發(fā)電站，也不需要復雜

3、的輸送電網(wǎng)，是一種投資少、又能有效應用 可再生能源的節(jié)能措施。1 儲能技術在微電網(wǎng)中的作用1.1 提供短時供電 微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式：并網(wǎng)運行模式和孤島運行模式。在正常情況下，微電 網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行；當檢測到電網(wǎng)故障或發(fā)生電能質量事件時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng) 斷開獨立運行。微電網(wǎng)在這兩種模式的轉換中，往往會有一定的功率缺額，在系統(tǒng)中安裝一 定的儲能裝置儲存能量，就能保證在這兩種模式轉換下的平穩(wěn)過渡，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。在新 能源發(fā)電中，由于外界條件的變化，會導致經(jīng)常沒有電能輸出（光伏發(fā)電的夜間、風力發(fā)電 無風等），這時就需要儲能系統(tǒng)向系統(tǒng)中的用戶持續(xù)供電。1.2 電力調峰 由于微電網(wǎng)中

4、的微源主要由分布式電源組成，其負荷量不可能始終保持不變，并隨著天 氣的變化等情況發(fā)生波動。另外一般微電網(wǎng)的規(guī)模較小，系統(tǒng)的自我調節(jié)能力較差，電網(wǎng)及 負荷的波動就會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成十分嚴重的影響。為了調節(jié)系統(tǒng)中的峰值負荷，就 必須使用調峰電廠來解決，但是現(xiàn)階段主要運行的調峰電廠，運行昂貴，實現(xiàn)困難。儲能系統(tǒng)可以有效地解決這個問題，它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能，而在負 荷高峰時回饋給微電網(wǎng)以調節(jié)功率需求。儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用 越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負荷而安裝的發(fā)電機組，同時充分利用了負荷低谷時 機組的發(fā)電，避免浪費。1.3 改善微電網(wǎng)電能質量近年來

5、人們對電能質量問題日益關注，國內(nèi)外都做了大量的研究3-4 。微電網(wǎng)要作為一個微源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，必須達到電網(wǎng)對功率因數(shù)、電流諧波畸變率、電壓閃變以及電壓 不對稱的要求。此外，微電網(wǎng)必須滿足自身負荷對電能質量的要求，保證供電電壓、頻率、 停電次數(shù)都在一個很小的范圍內(nèi)。 儲能系統(tǒng)對于微電網(wǎng)電能質量的提高起著十分重要的作用， 通過對微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的控制，就可以調節(jié)儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)和負荷提供有功和無功，達到 提高電能質量的目的。對于微電網(wǎng)中的光伏或者風電等微電源，外在條件的變化會導致輸出功率的變化從而引 起電能質量的下降。如果將這類微電源與儲能裝置結合，就可以很好地解決電壓驟降、電壓跌落等電能質量問

6、題。在微電網(wǎng)的電能質量調節(jié)裝置，針對系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時停電、電壓 驟升、電壓驟降等問題，此時利用儲能裝置提供快速功率緩沖，吸收或補充電能，提供有功 功率支撐，進行有功或無功補償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動。文獻3 利用儲能系統(tǒng)來解決諸如電壓驟降等電能質量問題。當微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運行時，微電網(wǎng)相當于一個有源電 力濾波器，能夠補償諧波電流和負載尖峰；當微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開孤島運行時，儲能系統(tǒng)能 夠很好地保持電壓穩(wěn)定。1.4 提升微電源性能 多數(shù)可再生能源諸如太陽能、風能、潮汐能等，由于其能量本身具有不均勻性和不可控 性，輸出的電能可能隨時發(fā)生變化。當外界的光照、溫度、風力等發(fā)生變化時，微源相應的

7、輸出能量就會發(fā)生變化，這就決定了系統(tǒng)需要一定的中間裝置來儲存能量 5 。如太陽能發(fā)電 的夜間，風力發(fā)電在無風的情況下，或者其他類型的微電源正處于維修期間，這時系統(tǒng)中的 儲能就能起過渡作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求。2 微電網(wǎng)中各種儲能方式比較 鑒于微電網(wǎng)系統(tǒng)的特點和儲能的作用，對儲能裝置的性能特點具有較為獨特的要求。概 括起來包括：能量密度大，能夠以較小的體積重量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供 系統(tǒng)功率突變時所需的補償功率，具有較快的響應速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠 適應一些特殊環(huán)境；以及環(huán)境友好等?，F(xiàn)階段微電網(wǎng)中可利用的儲能裝置很多，主要包括蓄 電池儲能、超導儲能、飛輪儲

8、能、超級電容器儲能 6 等。2.1 蓄電池儲能 蓄電池儲能是目前微電網(wǎng)中應用最廣泛、最有前途的儲能方式之一。蓄電池儲能可以解 決系統(tǒng)高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協(xié)助無功補償裝置，有利于抑制電壓波 動和閃變。然而蓄電池的充電電壓不能太高，要求充電器具有穩(wěn)壓和限壓功能。蓄電池的充 電電流不能過大，要求充電器具有穩(wěn)流和限流功能，所以它的充電回路也比較復雜。另外充 電時間長，充放電次數(shù)僅數(shù)百次，因此限制了使用壽命，維修費用高。如果過度充電或短路 容易爆炸，不如其他儲能方式安全。由于在蓄電池中使用了鉛等有害金屬，所以其還會造成 環(huán)境污染。蓄電池的效率一般在 60%80%7之間，取決于使用的周

9、期和電化學性質。目前，按照其使用不同的化學物質，可以將蓄電池儲能分為以下幾種方式：1）鉛酸蓄電池 盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點，但是目前能夠商業(yè)化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具 有幾個比較顯著的優(yōu)點：成本低廉，原材料豐富，制造技術成熟，能夠實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。但 是鉛酸蓄電池體積較大，特性受環(huán)境溫度影響比較明顯。2）鋰離子電池鋰離子電池是近年來興起的新型高能量二次電池， 由日本的索尼公司在 1992 年率先推出 其工作電壓高、體積小、儲能密度高（300400kWh/m3 ）、無污染、循環(huán)壽命長。但是鋰離 子電池要想大規(guī)模生產(chǎn)還有一定難度，因為它特殊的包裝和內(nèi)部的過充電保護電路造成了鋰 離子電池的高成

10、本。3）其他電池 隨著技術的不斷發(fā)展，近年來鈉硫電池和液流釩電池的研究取得突破性進展。這兩種電 池具有高能量效率、無放電現(xiàn)象、使用壽命長等優(yōu)良特性 8，在國外一些微電網(wǎng)研究系統(tǒng)中 得到運用 9。但是，由于價格原因，在微電網(wǎng)中的大規(guī)模運用還有待時日。2.2 超導儲能超導儲能系統(tǒng)（SMES）利用由超導體制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存 起來，在需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)或直接給負荷供電。SMES 與其他儲能技術相比，由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高；并且 能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘，因此采用SMES可使電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率容易調節(jié)10。但是，超導體由于價格

11、太高，造成了一次性投資太大。隨著高溫超導和電 力電子技術的發(fā)展促進了超導儲能裝置在電力系統(tǒng)中的應用，在20世紀90年代已被應用于風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。SMES快速的功率吞吐能力和較為靈活的四象限調節(jié)能力， 使得它可以有效地跟蹤電氣量的波動，提高系統(tǒng)的阻尼。文獻11提出使用超導儲能單元使風 力發(fā)電機組輸出的電壓和頻率穩(wěn)定，SMES單元接于異步發(fā)電機的母線上，SMES的有功控制器采用異步發(fā)電機的轉速偏差量作為控制信號。文獻12利用超導儲能系統(tǒng)使光伏系統(tǒng)運行穩(wěn)定性增加，并能提高吸收和釋放有功、無功的速率。2.3飛輪儲能飛輪儲能技術是一種機械儲能方式。早在 20世紀50年代就有人提出利用高速旋轉

12、的飛 輪來儲存能量，并應用于電動汽車的構想。但是直到 80年代，隨著磁懸浮技術、高強度碳素 纖維和現(xiàn)代電力電子技術的新進展13-14，使得飛輪儲能才真正得到應用。飛輪儲能的原理如圖1所示。當飛輪存儲能量時，電動機帶動飛輪旋轉加速，飛輪將電 能儲存為機械能；當外部負載需要能量時，飛輪帶動發(fā)電機旋轉，將動能變換為電能，并通 過電力電子裝置對輸出電能進行頻率、電壓的變換，滿足負載的需求。飛輪儲齪蕉理筆飛輪儲能具有效率高15-16、建設周期短、壽命長、高儲能量等優(yōu)點，并且充電快捷， 充放電次數(shù)無限，對環(huán)境無污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。 國內(nèi)外對其在微電網(wǎng)中的運用做了不少研

13、究。文獻17提到利用飛輪儲能解決微電網(wǎng)穩(wěn)定性的問題，建立了微網(wǎng)中的飛輪儲能模型，并利用PQ控制實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻18采用靜止無功補償器與飛輪儲能系統(tǒng)相結合，以減小風電引起的電能質量問題，文中建立了系統(tǒng) 的模型，并取得了很好的效果。2.4超級電容器儲能超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質， 與普通電容器相比，它具有更高的介電常數(shù)， 更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點，逐漸在儲能領 域中被接受。根據(jù)儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學電容器。超級電容器作為一種新興的儲能元件，它與其他儲能方式比較起來有很多的優(yōu)勢。超級 電容器與蓄電池比較具有

14、功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高19、充放電速率快20-21 、高低溫性能好、能量儲存壽命長22等特點。與飛輪儲能和超導儲能相比，它在 工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，相應的可靠性非常高。這樣的特點使得它在應用 于微電網(wǎng)中有一定優(yōu)勢。在邊遠的缺電地區(qū)，太陽能和風能是最方便的能源，作為這兩種電 能的儲能系統(tǒng)，蓄電池有使用壽命短、有污染的弱點，超導儲能和飛輪儲能成本太高，超級 電容器成為較為理想的儲能裝置。目前，超級電容器已經(jīng)不斷應用于諸如高山氣象臺、邊防 哨所等的電源供應場合。但是超級電容器也存在不少的缺點，主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大23-24、 電容的串聯(lián)均壓問題2

15、5-26。2.5超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)從蓄電池和超級電容器的特點來看，兩者在技術性能上有很強的互補性。蓄電池的能量 密度大，但功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短，對充放電過程敏感，大功率充放電和 頻繁充放電的適應性不強。而超級電容器則相反，其功率密度大，充放電效率高，循環(huán)壽命 長，非常適應于大功率充放電和循環(huán)充放電的場合，但能量密度與蓄電池相比偏低，還不適 宜于大規(guī)模的電力儲能。如果將超級電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、 循環(huán)壽命長等特點相結合，無疑會大大提高儲能裝置的性能。文獻27-31研究發(fā)現(xiàn)，超級電容器與蓄電池并聯(lián)，可以提高混合儲能裝置的功率輸

16、出能力、 降低內(nèi)部損耗、增加放電時間； 可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，延長使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電 系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。國外在這方面作了一些理論研究和模型測試，文獻32-35研究了混合儲能系統(tǒng)在可再生能源的利用。根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和負載用電的要求，蓄電池和超級電容器可以包括直接并聯(lián)、同電 感器并聯(lián)和同功率變換器并聯(lián)等36，通過后一種方式可以利用功率變換器的變流作用，獲 得最大的性能提高。2.6其他儲能在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，除了以上幾種儲能方式外，還有可能用到抽水儲能、壓縮空氣儲能等。 抽水儲能在集中方式中用得較多，并且主要是用來調峰。壓縮空氣儲能是將空氣壓縮到高壓 容器中，它

17、是一種調峰用燃氣輪機發(fā)電廠，但是當負荷需要時消耗的燃氣比常規(guī)燃氣輪機消 耗的要少40%。表1為各種儲能方式性能比較。從表1可以看出，現(xiàn)階段由于技術和成本的 原因，鉛酸蓄電池的優(yōu)勢還比較明顯，但是從長遠考慮，隨著其他儲能方式價格的下降、技 術的成熟和環(huán)保要求的逐漸提高，其他儲能以及混合儲能將會在微電網(wǎng)中得到更加廣泛的運 用。羨i各種詵能左式性能比較TibFccknnfiKC cunipanjon of varioj? etrpv star ace惴訪st就匹底門門蹲.腳寶星則4芍7DOCSIS *000m小750越導閤盤1世1 tof語諸電述3按i述3-刃訊0-180?X較大3微電網(wǎng)儲能研究發(fā)展

18、趨勢通過以上分析可知，各種儲能方法都不能完全兼顧安全性、高比功率、高比能量、長使 用壽命、技術成熟以及工作溫度范圍寬等多方面的要求。由于微電網(wǎng)儲能技術發(fā)展還處于起 步階段，各種儲能技術發(fā)展還很不成熟，因此微電網(wǎng)中的儲能技術還有很大的研究前景和發(fā) 展空間。1）研發(fā)快速高效低成本的儲能電池：現(xiàn)階段成本過高是儲能技術大規(guī)模推廣運用的最大 瓶頸，提高轉換效率和降低成本是儲能技術研發(fā)的一個重要方向。儲能技術在提高微電網(wǎng)穩(wěn) 定性和電能質量的過程中，電能的存儲和釋放速度是控制的關鍵。2）各種儲能技術的有機結合：由于各種微電網(wǎng)儲能方法均存在著一定的缺點或者局限性， 并且由于本身的固有特性對其進行改進又要付出實現(xiàn)難易度以及成本上的代價，因此對各種 方法有機結合則可以揚長避短，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點，實現(xiàn)能量和功率等方面的多重要求，并且可以顯著延長儲能元件的循環(huán)壽命，這也成為儲能研究的一個新熱點。文獻37-38提出在分布式發(fā)電中以燃料電池做主能量源，蓄電池和超級電容器作輔助能源，提高系統(tǒng)使 用壽命。3）儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中應用的分析理論和方法： 在充分理解含儲能裝置的微電網(wǎng)的動態(tài) 特性的基礎上，研究儲能裝置內(nèi)部的復雜非線性電磁問題，以及儲能裝置和系統(tǒng)中元件之間 的相互作用