微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述

第 39 卷 第 7 期 電力系統(tǒng)保護與控制 Vol.39 No.7 2011 年 4 月 1 日 Power System Protection and Control Apr.1, 2011 微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述 周 林，黃 勇，郭 珂，馮 玉 （重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400030） 摘要：對儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究進行了綜述。簡要回顧了儲能技術(shù)的發(fā)展歷程，闡述了微電網(wǎng)中儲能技術(shù)研究的意義和價值。分析了儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的作用，比較全面地介紹了蓄電池儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能、混合儲能和其他儲能在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，分別說明了各種儲能方式的優(yōu)點和不足之處，并對各種儲能方式的性能指標(biāo)進行了比較。根據(jù)微電網(wǎng)的特點和要求，指出了微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究目前存在的問題和未來發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；儲能技術(shù)；蓄電池儲能；超導(dǎo)儲能；飛輪儲能；超級電容器儲能（SMES）；混合儲能 A survey of energy storage technology for micro grid ZHOU Lin，HUANG Yong，GUO Ke，F(xiàn)ENG Yu （State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology，Chongqing University， Chongqing 400030，China） Abstract：This paper introduces the academic research of storage technology applied to micro gridFirstly，it reviews the development of storage technology，expounds the research meanings and values, and analyzes the role of the energy storage in micro gridThen the application research of the battery storage，flywheel storage，superconductive magnetic energy storage，supercapacitor storage，hybrid storage and other energy storage in micro grid are discussedThe advantages and disadvantages of various storage methods are introduced, and their performance indexes are comparedFinally，considering the characteristics and requirements of micro grid，both some existing problems and the future development trend of energy storage technology are presented Key words：micro grid；energy storage technology；battery storage； superconductive magnetic energy storage （SMES）；flywheel storage；supercapacitor storage；hybrid storage 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(luò)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(shè)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(zhì)量和電力品質(zhì)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(guān) 基金項目：輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室自主研究項目（2007DA10512709204）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（CDJXS11151153） 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(yīng)來滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求，增加本地可靠性，降低饋線損耗，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(dāng)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(dāng)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(zhì)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(fēng)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(fù)雜的輸送電網(wǎng)，是一種投資少、又能有效應(yīng)用可再生能源的節(jié)能措施。 1 儲能技術(shù)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(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或發(fā)生電能質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)致經(jīng)常沒有電能輸出（光伏發(fā)電的夜間、風(fēng)力發(fā)電無風(fēng)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(diào)峰 由于微電網(wǎng)中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(diào)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(yán)重的影響。為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的峰值負荷，就必須使用調(diào)峰電廠來解決，但是現(xiàn)階段主要運行的調(diào)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(diào)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(zhì)量 近年來人們對電能質(zhì)量問題日益關(guān)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(zhì)量的目的。 對于微電網(wǎng)中的光伏或者風(fēng)電等微電源，外在條件的變化會導(dǎo)致輸出功率的變化從而引起電能質(zhì)量的下降。如果將這類微電源與儲能裝置結(jié)合，就可以很好地解決電壓驟降、電壓跌落等電能質(zhì)量問題。在微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)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(zhì)量問題。當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運行時，微電網(wǎng)相當(dāng)于一個有源電力濾波器，能夠補償諧波電流和負載尖峰；當(dāng)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(fēng)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(dāng)外界的光照、溫度、風(fēng)力等發(fā)生變化時，微源相應(yīng)的輸出能量就會發(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(fēng)力發(fā)電在無風(fēng)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(yīng)速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應(yīng)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(dǎo)儲能、飛輪儲能、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(yīng)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(fù)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，取決于使用的周期和電化學(xué)性質(zhì)。 目前，按照其使用不同的化學(xué)物質(zhì)，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(shù)成熟，能夠?qū)崿F(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（300400 kWh/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本。 3）其他電池 隨著技術(shù)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(dǎo)儲能 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）利用由超導(dǎo)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(shù)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(diào)節(jié)10。但是，超導(dǎo)體由于價格太高，造成了一次性投資太大。隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的發(fā)展促進了超導(dǎo)儲能裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，在 20 世紀(jì) 90 年代已被應(yīng)用于風(fēng)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(diào)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(dǎo)儲能單元使風(fēng)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(zhuǎn)速偏差量作為控制信號。文獻12利用超導(dǎo)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(shù)是一種機械儲能方式。早在 20 世紀(jì) 50 年代就有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存能量，并應(yīng)用于電動汽車的構(gòu)想。但是直到 80 年代，隨著磁懸浮技術(shù)、高強度碳素纖維和現(xiàn)代電力電子技術(shù)的新進展13-14，使得飛輪儲能才真正得到應(yīng)用。 飛輪儲能的原理如圖 1 所示。當(dāng)飛輪存儲能量時，電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)加速，飛輪將電能儲存為機械能；當(dāng)外部負載需要能量時，飛輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，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。 圖1 飛輪儲能原理圖 Fig.1 Schematic of flywheel energy storage 飛輪儲能具有效率高15-16、建設(shè)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(jié)合，以減小風(fēng)電引起的電能質(zhì)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(zhì)，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(lǐng)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(xué)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(dǎo)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(yīng)的可靠性非常高。這樣的特點使得它在應(yīng)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(fēng)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(dǎo)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(yīng)用于諸如高山氣象臺、邊防哨所等的電源供應(yīng)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25-26。 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(shù)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(diào)峰。壓縮空氣儲能是將空氣壓縮到高壓容器中，它是一種調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，但是當(dāng)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(shù)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(shù)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表1 各種儲能方式性能比較 Tab.1 Performance comparison of various energy storage methods 儲能方式 能量密度/（Wh.kg-1） 功率密度/ （W.kg-1）使用壽命/y效率/%安全性維護量對環(huán)境影響 年平均價格/（元.kWh-1）超級電容器 25 7 00018 000 30 95 高 小 無污染 750 超導(dǎo)儲能 1 1 000 30 90 低 大 無污染 1 800 鉛酸蓄電池 30200 100700 8 92 高 較小 污染 120 飛輪儲能 550 1801 800 30 90 不高 較大 無污染 500 用。 3 微電網(wǎng)儲能研究發(fā)展趨勢 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(shù)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(shù)發(fā)展還處于起步階段，各種儲能技術(shù)發(fā)展還很不成熟，因此微電網(wǎng)中的儲能技術(shù)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(shù)大規(guī)模推廣運用的最大瓶頸，提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是儲能技術(shù)研發(fā)的一個重要方向。儲能技術(shù)在提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的過程中，電能的存儲和釋放速度是控制的關(guān)鍵。 2）各種儲能技術(shù)的有機結(jié)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(jié)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(yīng)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(chǔ)上，研究儲能裝置內(nèi)部的復(fù)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。 4）市場化條件下儲能裝置實現(xiàn)能量管理的理論和方法：微電網(wǎng)中儲能裝置的擁有者必須得到實時的電網(wǎng)信息，包括電價以及電網(wǎng)故障等，才能使微電網(wǎng)儲能裝置的作用得到充分發(fā)揮。 4 結(jié)語 周 林，等 微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述 - 151 - 近年來，由于大電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、安全性的下降，電力系統(tǒng)集中式、超高壓輸電的弊端顯現(xiàn)出來，而微電網(wǎng)的出現(xiàn)很好地實現(xiàn)分散電力負荷的需求，提高大電網(wǎng)的可靠性。儲能技術(shù)作為微電網(wǎng)中十分重要的一個環(huán)節(jié)，它起著提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高微電網(wǎng)經(jīng)濟效益、承擔(dān)電力調(diào)峰等功能，起著非常重要的作用。隨著可再生能源的蓬勃發(fā)展，微電網(wǎng)的不斷建設(shè)，儲能技術(shù)的不斷發(fā)展進步，儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。 參考文獻 郭力，王成山. 含多種分布式電源的微網(wǎng)動態(tài)仿真J. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33（2）：82-86. 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