儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

田 軍 朱永強 陳彩虹

（華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，北京 102206）

1 引言

可再生能源在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機性和間歇性，會對電網(wǎng)將產(chǎn)生沖擊，嚴重時將引發(fā)大規(guī)模惡性事故，這就需要在直流母線或交流系統(tǒng)中具備一定的儲能以跟蹤負荷的變化。因此，研發(fā)高效儲能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵[1-2]。另外，分布式發(fā)電系統(tǒng)，特別是在基于可再生能源的分布式發(fā)電（distributed generation，DG）中加入蓄能裝置可以有效地提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性[3-4]。

2 儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 飛輪儲能

飛輪儲能以動能的形式存儲能量，經(jīng)過功率變換器，完成機械能—電能相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，循環(huán)使用壽命長，工作溫區(qū)較寬，無噪聲，無污染，最大容量已達5kW·h[5]。主要用于不間斷電源（uninterrupted power supply，UPS）/應(yīng)急電源（emergency power system，EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰、頻率和電能質(zhì)量控制[6]。2000年，美國宇航局（NASA）Glenn研究中心及其合作單位研制的飛輪轉(zhuǎn)速達60kr/min（revolutions per minute），這標(biāo)志著飛輪電池在技術(shù)上可以取代化學(xué)電池。高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)具有控制簡單、儲能密度大、效率高、壽命長、維護容易等優(yōu)點，預(yù)計未來5年內(nèi)將首先在電力調(diào)節(jié)、UPS等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

2.2 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（superconducting magnetic energy storage，SMES）利用超導(dǎo)線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉(zhuǎn)換。具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大、壽命長、污染小等優(yōu)點，且沒有旋轉(zhuǎn)機械部件和動密封問題。主要用于輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力[7-8]。已有研究表明，對于輸配電應(yīng)用而言，微型（＜0.1MWh）和中型（0.1～100MWh）SMES系統(tǒng)更為經(jīng)濟[3]。

2.3 超級電容器儲能

超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電速度快，放電電流僅受內(nèi)阻和發(fā)熱限制，能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)使用壽命長，放電深度深，長期使用免維護，低溫特性好，沒有“記憶效應(yīng)”。歷經(jīng)紐扣型、卷繞型和大型三代，已形成電容量0.5～1000F、工作電壓12～400V、最大放電電流400～2000A系列產(chǎn)品。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級電容器正在開發(fā)中[9-10]。

2.4 蓄電池儲能系統(tǒng)

目前在分布式發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛，但存在初次投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。根據(jù)所使用的不同化學(xué)物質(zhì)，蓄電池可以分為許多不同類型。

鉛酸電池價格便宜，技術(shù)成熟，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時能發(fā)揮獨立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動電機、通信等提供電力。然而，其循環(huán)壽命較短，具有較低的比功率，且在制造過程中存在環(huán)境污染。鋰離子（鈷酸鋰為正極）電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但性能易受工藝和環(huán)境溫度等因素的影響。目前，磷酸基為正極材料的磷酸鐵鋰電池以其超長的循環(huán)壽命，良好的安全性能，較好的高溫性能，有望在數(shù)年內(nèi)成為鉛酸電池的有力競爭者[11]。

鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池儲能密度高，體積僅為普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達80%，單體壽命超過10年，且循環(huán)壽命超過6000次，便于模塊化制造，建設(shè)周期短[12]。液流電池電化學(xué)極化小，能夠100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨立，并可自由設(shè)計儲藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個體系，其中，全釩液流電池可避免正負極活性物質(zhì)交叉污染，成本低、壽命長，已成為液流電池體系中主要的商業(yè)化發(fā)展方向[13]。

2.5 其他儲能方式

其他儲能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能（compressed air energy storage，CAES）、蓄熱和蓄冷儲能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個水庫，對建站地點要求苛刻，但是運行簡單，可靠且使用期較長[14]。CASE電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，響應(yīng)速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[15]。熱能存儲常和STES（solar thermal electric steam）電廠結(jié)合起來，這種儲能方式比較可靠，成本相對低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉(zhuǎn)換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點是不改變制冷機的空調(diào)工況，但水的蓄冷密度低（33.4kJ/kg），所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統(tǒng)運行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃～4℃的冷凍水，主要缺點是需要較大的制冷量[16]。表1為部分儲能技術(shù)的性能比較。

3 分布式系統(tǒng)對儲能的要求

分布式發(fā)電是發(fā)電單元和儲能單元的組合，光伏、風(fēng)電和燃料電池都是非常典型的分布式電源。具有以下特點：①非常接近終端用戶；②容量很小，一般為幾十千瓦到幾十兆瓦；③能孤立運行或者并網(wǎng)，一般接在380V或10kV線路上[2]。此外，光伏發(fā)電中的儲能裝置，常處于放電狀態(tài)，放電深度不規(guī)則，而且一次充電時間短。而風(fēng)電系統(tǒng)中的儲能裝置，放電時間分布比較均勻，充放電率比光伏大得多，也很少會處于欠充電狀態(tài)。

3.1 并網(wǎng)運行的一般要求

分布式電源所產(chǎn)生的電能具有顯著的隨機性和不確定性特征，并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響主要取決于其穿透功率極限，根據(jù)歐洲國家的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，穿透功率達到10%是可行的。所以，除非很大的負荷就在并網(wǎng)逆變器附近或者電網(wǎng)很弱，可以認為DG發(fā)出的功率完全被電網(wǎng)吸收[17]，但能量存儲可起到平抑系統(tǒng)擾動、維持發(fā)電/負荷動態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達到維持發(fā)電/負荷動態(tài)平衡的目的，儲能必須具有大容量能量/功率吞吐能力。而為了保持系統(tǒng)電壓/頻率穩(wěn)定，儲能就得具有ms級響應(yīng)速度和一定容量的功率補償能力。基于光伏功率預(yù)測的并網(wǎng)光伏儲能容量計算：

式中，Ppv為光伏陣列實際輸出功率；為光伏陣列輸出功率預(yù)測值；T為儲能投入時間；η 為逆變器效率；η2為儲能裝置充放電效率；K為溫度修正系數(shù)；S為放電深度。

表1 各種儲能技術(shù)性能

3.2 獨立運行的一般要求

由于單個分布式電源獨立運行，很難維持整個系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。所以在大電網(wǎng)難以達到的邊遠或孤立地區(qū)，一般采用分布式電源聯(lián)合運行來為這些地區(qū)提供可靠的電力。它們包括：風(fēng)/光互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光/柴聯(lián)合型發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機/燃料電池混合系統(tǒng)等。聯(lián)合運行的共同特點就是利用互補特性，獲得比較穩(wěn)定的總輸出，在保證同樣供電穩(wěn)定性和可靠性的情況下，大大減少儲能的容量，一般從數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦[4]。以光伏/柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為例，雖然柴油發(fā)電機與光伏發(fā)電相結(jié)合能夠確保連續(xù)24h不間斷供電，且資金花費低于蓄電池作后備。然而，當(dāng)光伏輸出發(fā)生變化時，柴油發(fā)電機不能快速做出響應(yīng)，而通過儲能的過渡作用，可滿足負載對快速響應(yīng)的要求。燃料電池響應(yīng)負載的速度也較慢（電流斜率約4A/s），配置儲能可提高其可靠性和壽命[13]。這樣在光伏、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中儲能裝置就得具有響應(yīng)速度快，功率密度高的特性。獨立光伏電站儲能容量計算公式：

式中，Q為日用電量；D為支持天數(shù)；η 為逆變器效率；η2為儲能裝置充放電效率；K為溫度修正系數(shù)；S為放電深度。

3.3 特殊要求

（1）抑制DG輸出功率波動。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機性，而儲能可以平抑功率波動，提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量。從實際風(fēng)力發(fā)電的角度出發(fā)，考慮到發(fā)電功率一般以秒級周期隨機波動，要求儲能具有秒級響應(yīng)速度和一定的功率補償能力。考慮到隨機性是分布式電源并網(wǎng)所造成的不利影響的本質(zhì)原因，研究分布式電源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)，分析發(fā)電功率預(yù)測誤差，以此為依據(jù)優(yōu)化儲能容量對儲能在分布式電源并網(wǎng)運行具有重要的實際意義，如圖1所示。

圖1 基于光伏功率預(yù)測誤差的儲能容量優(yōu)化

（2）使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進行發(fā)電。鑒于在根本上改變分布式電源間歇性投資巨大且并無必要，可將目標(biāo)定位在使包含分布式電源的局部網(wǎng)絡(luò)潮流曲線按照計劃推進，儲能只是填補分布式電源輸出與預(yù)期曲線之間的差額部分，而不是對分布式電源的功率波動完全補償。這對電網(wǎng)的調(diào)度控制和安全經(jīng)濟運行具有重要作用，而所需的儲能容量也大大降低，如圖2所示。

圖2 基于含風(fēng)電場局部潮流曲線的儲能容量優(yōu)化

4 儲能技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中起的作用可概括為4方面：

（1）增強系統(tǒng)并網(wǎng)可靠性。分布式電源發(fā)出的電能具有隨機性和不確定性，能量存儲使得DG即使在波動較快和較大的情況下也能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平[1]。

（2）孤立運行的DG單元切換或退出時起過渡作用。太陽能和風(fēng)力發(fā)電輸出具有間歇性，適量的儲能可起過渡的作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求[18]。

（3）抑制DG輸出功率波動，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機性，而儲能可以平抑脈沖功率波動[3]。

（4）使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進行發(fā)電，提高并網(wǎng)運行的可靠性和調(diào)度靈活性[19]。

4.1 并網(wǎng)運行

抽水蓄能機組容量已達2000MW，單元效率雖然不高，但運行可靠，壽命長，不足之處就是用于分布式發(fā)電系統(tǒng)，固定成本太高。到目前為止，國內(nèi)已建成抽水蓄能電站裝機容量約為5.7GW，占全國裝機容量的1.8%。文獻[20]就西藏阿里地區(qū)獨特的水能、光能和風(fēng)能分布的自然條件，對風(fēng)光互補抽水蓄能電站的系統(tǒng)進行了研究。壓縮空氣儲能與燃氣輪機結(jié)合，容量可達數(shù)百MW，效率已接近60%，且壽命長，可冷起動和黑起動，其投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，8～12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)（micro-CAES）已成為并網(wǎng)研究熱點，應(yīng)用前景十分廣闊。

飛輪儲能系統(tǒng)的能量密度較大，占據(jù)空間相對較小，充電快捷，充放電次數(shù)無限。5kW·h/100kW等級的飛輪正在進行整機安裝調(diào)試實驗。國外已將飛輪儲能引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。試驗表明，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出性能及經(jīng)濟性能較未采用飛輪儲能有很大改善。圖3給出了基于飛輪和抽水蓄能的混合儲能特性示意。

圖3 基于飛輪和抽水蓄能的混合儲能特性

水蓄冷和冰蓄冷儲能雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在解決電力峰谷差的成熟技術(shù)中經(jīng)濟效益和轉(zhuǎn)換效率較高，已有效蓄冷容積2100m3，蓄冷量5600rth的水蓄冷空調(diào)。SMES具有大容量能量/功率補償特性，然而容量高于100MW·h的線圈在技術(shù)和經(jīng)濟上存在困難。在風(fēng)力/蓄電池并網(wǎng)運行方式中，鉛酸電池體積龐大，充電/放電頻繁，故障率顯著提高，增加了系統(tǒng)運行的成本，但其技術(shù)成熟，價格便宜，已獲得實際應(yīng)用。

SMES的ms級響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞特性決定了它在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動對電網(wǎng)的沖擊，在提高網(wǎng)絡(luò)動態(tài)穩(wěn)定性方面具有無可替代的作用[21]。目前，D-SMES（Distributed SMES，D-SMES）的容量水平達18Mvar/3MW，最大有功功率輸出可以持續(xù)0.5s，最大無功功率輸出可持續(xù)時間1s，足夠處理電壓崩潰事件[8]。我國已先后研制成功25kJ～1MJ Bi系SMES系統(tǒng)，但Bi系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機冷卻，穩(wěn)定裕度低。中國電力科學(xué)研究院正在開展以液氮溫區(qū)運行的YBCO—釔鋇銅氧涂層高溫超導(dǎo)儲能單元的研究，并將與柔性技術(shù)相結(jié)合，進一步降低投資和運行成本。

4.2 獨立運行

鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，構(gòu)造成本低，可靠性好，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。獨立運行分布式發(fā)電系統(tǒng)中所采用的鉛酸蓄電池系統(tǒng)一般充電時間有限，充電功率有限，充電模式一般只限于恒流充電階段。

鈉硫電池儲能密度高達140kW·h/m3，單體壽命長，充放電效率高（＞90%），無記憶效應(yīng)，長期使用免維護，安裝容量的近2/3已用于平滑負荷，將其用于平滑DG輸出功率波動，技術(shù)已成熟。2009年10月，中科院上海硅酸鹽研究所與上海電力公司成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的容量為650Ah的鈉硫儲能單體電池，并建成了一條2MW的中試生產(chǎn)示范線和一套10kW的儲能系統(tǒng)示范裝置。

超級電容器功率密度高，相當(dāng)于電池的5～10倍，響應(yīng)時間小于1s，放電深度深且沒有“記憶效應(yīng)”，長期使用免維護，溫度范圍寬達-40℃～+70℃，儲能量已達到1MW/5.7Wh。在小型獨立光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中是理想的儲能裝置，且超級電容器與蓄電池在技術(shù)性能上具有較強的互補性，用于平滑功率波動時可利用超級電容器高功率密度特性，只需其存儲與尖峰負荷相當(dāng)?shù)哪芰浚铍姵卮鎯蓵r的能量。這將具有很好的負載適應(yīng)能力，能夠縮小裝置體積，提高供電可靠性和經(jīng)濟性[10]。

全釩液流電池可以100%深度放電，儲能壽命長，通過增加溶液量就可方便提高電池容量，隨著技術(shù)的日益成熟，有望在提高可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用[13]。自1995年起，我國就開始了全釩液流電池的研究，國產(chǎn)化全氟磺酸離子膜有望取代進口離子膜材料，現(xiàn)已成功開發(fā)出10kW級儲能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大于80%，最大輸出功率超過25kW。

飛輪儲能密度高達108J/m3，充電快捷，循環(huán)使用壽命可達20年，工作溫區(qū)為-40℃～+50℃，維護簡單。文獻[22]在分析風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)運行影響的基礎(chǔ)上，提出了一種用飛輪輔助風(fēng)力發(fā)電的方案，研究了風(fēng)力發(fā)電–飛輪系統(tǒng)功率和頻率綜合控制方法。抽水蓄能和壓縮空氣儲能響應(yīng)時間一般都在分鐘級且用于分布式發(fā)電系統(tǒng)投資成本較高。SMES雖然具有ms級響應(yīng)速度，大容量能量/功率傳遞特性，用于解決功率波動問題技術(shù)優(yōu)勢明顯，但運行和投資成本過高。

5 結(jié)論

本文綜述了各種儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀，以及它們在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。隨著儲能技術(shù)朝儲能方式混合化、轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化、應(yīng)用低成本化、環(huán)境友好方向發(fā)展，分布式發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合將大大提高系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟性。

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