微電網儲能技術研究綜述

陳慶雯　李婷　黃淳　白凡　張珂偉

【摘 要】本文對儲能技術在微電網中的應用研究進行了綜述。簡要闡述了微電網中儲能系統存在的必要性，分析了儲能技術在微電網中的作用，比較全面地介紹了蓄電池儲能、飛輪儲能、超導儲能、超級電容器儲能、其他儲能以及復合儲能在微電網中的應用研究現狀，分別說明了各儲能方式的優點和不足之處并著重分析了最具前景的蓄電池與超級電容器混合儲能的儲能方式。最后根據微電網的特點和要求，指出了微電網儲能技術研究目前存在的問題和未來發展趨勢。

【關鍵詞】微電網；儲能技術；蓄電池儲能；超級電容器儲能；混合儲能

【Abstract】This paper introduces the academic research of storage technology applied to micro grid.Firstly， it clarifies the necessity of the existence of the energy storage system in micro grid， then it analyzes the role of the energy storage in micro grid.Then the application research of the battery storage， flywheel storage， superconductive magnetic energy storage， supercapacitor storage， other energy storage and hybrid storage in micro grid are discussed. The advantages and disadvantages of various storage methods are introduced， whats more， it emphasizes on the most prospective storage method called hybrid storage.Finally， 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；Supercapacitor storage；Hybrid storage

1 微電網中儲能系統存在的必要性

作為新能源接入的一種解決方案，微電網的概念應運而生。微電網從系統觀點將發電機、負荷、儲能裝置及控制裝置等結合，形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能和熱能。由于電源總供給功率和負荷不能時刻處于供需平衡狀態，這就需要由儲能系統吸收系統多余的能量或釋放能量以彌補系統能量的不足。在離網及并網運行時利用儲能設備穩定電壓和調整頻率達到安全、可靠供電的目的，在接入分布式電源和向負荷供給高質量的電能時平衡系統功率。因此，儲能系統在微網中是必需的，可解決電能供需不平衡問題，在電力系統中主要起電力調峰、提高微電網運行穩定性和電能質量的作用。

離網運行狀態時，由于單個分布式電源獨立運行，很難維持整個系統的頻率和電壓穩定，而有研究指出一旦可再生能源的裝機容量所占比例超過系統容量10%后，將對局部電網產生明顯沖擊，所以在電網難以達到的邊遠或孤立地區，微電網一般采用分布式電源聯合運行來為這些地區提供可靠的電力。它們包括：風/光互補聯合發電系統、光/柴聯合型發電系統、微型燃氣輪機/風力發電混合系統。利用互補特性聯合運行以獲得比較穩定的系統性能，在保證同樣供電穩定性和可靠性的情況下，大大減少儲能的容量，雖然聯合發電系統能夠確保連續24h不間斷供電，然而，當發電電源發生轉變時，常常不能快速做出響應，而必須通過儲能實現過渡。

儲能系統是調節微電源性能、保證負荷供電質量、維持電網穩定的重要環節，因此研究儲能系統設計、開發儲能在微網技術中的應用十分重要。

2 儲能技術在微電網中的作用

2.1 提供短時供電

微電網有兩種典型的運行模式：并網運行模式和孤島運行模式。在正常情況下，微電網與常規配電網并網運行；當電網出現故障或發生電能質量事件時，微電網將及時與電網斷開獨立運行。為避免微電網在這兩種模式的轉換中所伴隨的有一定功率缺額的情況，可以在系統中安裝一定的儲能裝置儲存能量，這樣就能保證在這兩種模式轉換下的平穩過渡，保證系統的穩定。在新能源發電中，由于外界條件的不確定性，會導致經常沒有電能輸出（光伏發電的夜間、風力發電無風等），這時就需要儲能系統向系統中的用戶持續供電。

2.2 電力調峰

微電網中的微源主要由分布式電源組成，這就導致其負荷量不可能始終保持不變，且天氣的變化等情況也會使其發生波動。另外一般微電網的規模較小，系統的自我調節能力較差，電網及負荷的波動就會對微電網的穩定運行造成十分嚴重的影響。為了調節系統中的峰值負荷，就必須使用調峰電廠來解決，但是現階段主要運行的調峰電廠，運行昂貴，實現困難。

儲能系統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以調節功率需求。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環節，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電機組，同時充分利用了負荷低谷時機組的發電，避免浪費。

2.3 改善微電網電能質量

微電網的運行機制和微源的特性決定了其在運行過程中易產生電能質量問題。微源向微電網的投切過程、微電網向大電網的投切過程、微源和負荷的隨機性功率變化，會產生如電壓波形畸變、直流偏移、頻率波動、功率因數降低和三相不平衡等電壓質量問題。尤其是在包括風電或光伏等可再生能源發電的微電網中，微源輸出功率的間歇性、隨機性和基于電力電子裝置的發電方式會進一步加劇系統的電能質量問題。儲能系統通過對微電網并網逆變器的控制[14]，就可以調節儲能系統向電網和負荷提供有功和無功，達到提高電能質量的目的，因此儲能系統對于微電網電能質量的提高起著十分重要的作用。

對于微電網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題。針對系統故障引發的瞬時停電、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，以穩定、平滑電網電壓的波動。當微電網與大電網并聯運行時，微電網能夠補償諧波電流和負載尖峰；當微電網與大電網斷開孤島運行時，儲能系統能夠很好地保持電壓穩定。

2.4 提升微電源性能

多數諸如太陽能、風能、潮汐能等的可再生能源，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生變化。當外界的光照、溫度、風力等發生變化時，微源相應的輸出能量就會發生變化，這就決定了系統需要一定的起過渡作用的儲能裝置來儲存能量，如太陽能發電的夜間，風力發電在無風的情況下，或者其他類型的微電源正處于維修期間，而其儲能的多少主要取決于負荷需求。

除了上述四點以外，儲能在微網中的作用還有很多，例如系統啟動，穩定控制，適度容量可信度等等。

3 微網的儲能技術種類

針對儲能裝置起到的作用，目前電能的存儲形式可分為機械儲能、電磁儲能和電化學儲能三大類，如圖1所示。

3.1 蓄電池儲能

蓄電池儲能是目前微網中應用最廣泛、最有前途的儲能方式之一。蓄電池儲能可以解決系統高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協助無功補償裝置，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，充放電次數僅數百次，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，在安全方面稍遜于其他儲能方式。另外蓄電池中使用了鉛等有害金屬，所以其還會造成環境污染。蓄電池的效率一般在60%～80%之間，取決于使用的周期和電化學性質。

圖1 儲能技術示意圖

3.2 超導磁儲能（SMES）

超導儲能系統（SMES）利用由超導體制成的線圈，將電網供電勵磁產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可使電網電壓、頻率、有功和無功功率容易調節。但是，超導體由于價格太高，造成了一次性投資太大，難以大規模投入使用。隨著高溫超導和電力電子技術的快速發展，超導儲能裝置在電力系統中有了越加廣泛的應用，將超導儲能和現代電力電子變換技術相結合，可以實現它與電力系統的快速高效能量交換，從而以較小的儲能容量實現較大的功率調節，在提高電力系統的動態穩定性和保證供電品質方面有著獨特的優勢。

3.3 飛輪儲能

現代飛輪儲能技術主要包括低速飛輪儲能和高速飛輪儲能兩類。飛輪儲能兼顧高能量密度和高功率密度的優點，循環壽命長，具有較好的應用前景。儲能應用于微電網穩定控制或電能質量控制時，需頻繁釋放或吸收能量，因此低速飛輪和高速飛輪均具有較好的適應性。

飛輪儲能的原理如圖2所示[1]。當飛輪存儲能量時，電動機帶動飛輪旋轉加速，飛輪將電能轉化為機械能；當外部負載需要能量時，飛輪帶動發電機旋轉，將動能變換為電能輸送出去，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2 飛輪儲能原理圖

飛輪儲能具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能量等優點，并且充電快捷，充放電次數無限，對環境無污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。

3.4 超級電容器儲能

根據儲能原理的不同，超級電容器可以分為雙電層電容器和電化學電容器。 超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，它比普通電容器具有更高的介電常數，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，同時又保持了傳統電容器釋放能量快的特點，在儲能領域中受到越來越多的重視。

超級電容器作為一種新興的儲能原件，較之于其他儲能方式有很大的優勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。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中有一定優勢。在邊遠的缺電地區，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，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。超級電容器適用于大功率頻繁充放電場合，在微電網中對穩定控制、電能質量治理等具有較高適應性。

但是超級電容器也存在不少缺點，主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大、電容的串聯均壓問題。

3.5 其他儲能

在微電網系統中，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，它是一種調峰用燃氣輪機發電廠，但是當負荷需要時消耗的燃氣比常規燃氣輪機消耗的要少40%。表1為各種儲能方式性能比較[1]。從表1可以看出，現階段由于技術和成本的原因，鉛酸蓄電池的優勢還比較明顯，但是從長遠考慮，隨著其他儲能方式價格的下降，技術的成熟和環保要求的逐漸提高，其他儲能以及混合儲能將會在微電網中得到更加廣泛地運用。

表1 各種儲能方式性能比較

Tab1 Performance comparison of various energy storage methods

4 儲能技術的混合應用

4.1 復合儲能的必要性

就目前的儲能技術而言，無論是傳統的還是新型的儲能，沒有一種單一的儲能技術可以同時滿足能量密度、功率密度、使用壽命、儲能效率、環境特性及成本等多項指標。此時若將兩種或兩種以上的性能互補性較強的儲能技術結合起來組成復合儲能，則可取得良好的技術經濟性能。文獻[10]和[11]提出采用超級電容器與蓄電池混合儲能的儲能方式，對于解決可再生能源發電的間歇性和脈動性負荷的供電具有較好的技術經濟性。

4.2 微網對儲能技術的要求

復合儲能可以是儲能器件內部的器件級復合，也可以是儲能器件之間的系統級復合。要實現微電網的穩定控制，電能質量改善和重要負荷不間斷供電等多重功能，儲能不僅要具備短時高功率支撐能力，還需提供較長時間的能量支撐，對儲能的技術性和經濟性要求較高。如將超導儲能、飛輪儲能或超級電容器等功率密度高、儲能效率高及循環壽命長的儲能技術與蓄電池、鈉硫電池或液流電池等能量密度高但受制于電化學反應過程的儲能技術相結合，可最大程度發揮各儲能技術的優勢，提高系統經濟性。

4.3 選擇方案比較

在物理儲能方式中抽水蓄能和壓縮空氣儲能具有規模大、能量轉換效率高、循環壽命長和運行費用低等優點，但要受到諸如特殊的地理條件和場地等外部條件的限制，建設的局限性較大，且一次性投資費用也較高，響應速度慢，無法滿足微電網并離網轉換及正常運行時實時控制的動態需求。

目前儲能主要采用的鉛酸蓄電池存在循環壽命較短、不可深度放電、其容量與放電的功率密切相關、運行維護費用高等缺點，如不進行技術方面的提高很難滿足未來電力系統儲能設備大容量的發展。鎳鎘蓄電池與鉛酸蓄電池相比具有體積小、可深放電、耐過充和過放電、以及使用壽命長，維護簡單等優點。主要缺點是內阻大、電動勢較低、造價高、有記憶效應。同低成本的鉛酸蓄電池比較，鎳鎘電池初始成本高3～4倍，因此在微電網供電系統中較少采用。

電磁儲能供電力系統調峰用的大規模超導蓄能裝置、大型線圈產生的電磁力的約束、制冷技術等方面還未成熟，該項技術尚不能進入大規模工業化應用。

與飛輪儲能和超導儲能相比，超級電容器在工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，可靠性非常高，使得它在小型的分布式發電裝置中應用有一定優勢，性能比較見表2[2]。

表2 超級電容、鋰電池、鉛酸蓄電池特性比較

4.4 儲能設備的復合應用

分布式發電系統，特別是在基于可再生能源的分布式發電（distributed generation，DG）中加入蓄能裝置可以有效地提高能源利用率、降低環境污染、改善系統的經濟性。使DG按照預先制定的規劃進行發電，提高并網運行的可靠性和調度靈活性。

超級電容器在其額定電壓范圍內可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而蓄電池則受自身化學反應限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。

蓄電池如果經常受高功率脈沖影響，必然會導致其壽命的減短。體積相當的蓄電池與超級電容器相比，前者可以存儲更多的能量。超級電容器可以快速充電并且反復循環數十萬次，而蓄電池僅允許幾百個循環。超級電容器目前由于受容量和價格方面的抑制，不適合于大規模儲能場合。因此將超級電容器的高功率特性和蓄電池的高能量存儲能力結合起來，是一種較好的儲能方式。

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，循環壽命長，非常適應于大功率充放電和循環充放電的場合，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、循環壽命長等特點相結合，無疑會大大提高儲能裝置的性能。研究發現，超級電容器與蓄電池并聯，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內部損耗、增加放電時間；可以減少蓄電池的充放電循環次數，延長使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統的可靠性和經濟性。

當然，除了超級電容器與蓄電池的混合儲能技術外，光伏系統中采用蓄電池作為能源存儲設備，光伏系統中采用氫能方式實現能源存儲，以及綜合互補氫氣與蓄電池的優缺點而同時采用氫能與蓄電池的混合儲能技術來實現光伏微網的功率平衡等等措施均為混合儲能系統提供了一些可實施的方案。

5 微電網儲能研究發展趨勢及存在的問題

通過以上分析可知，各種儲能方式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。因此，本文著重研究的例如蓄電池與超級電容器混合儲能的儲能方式將存在很大的研究前景和發展空間。但由于時間和精力有限，本文還有部分難題尚未解決：

（1）儲能裝置的功率及容量配置問題[4]；

（2）儲能裝置的控制方法；

（3）儲能裝置如何保證微網在并網運行模式與孤島運行模式之間的平滑切換；

（4）如何保證儲能裝置的經濟運行等[8]。

6 結語

近年來，由于大電網運行穩定性、安全性的下降，電力系統集中式、超高壓輸電的弊端顯現出來，而微電網的出現很好地實現分散電力負荷的需求，提高大電網的可靠性。儲能技術作為微電網中十分重要的一個環節，它起著提高微電網電能質量、增加系統穩定性、提高微電網經濟效益、承擔電力調峰等功能，起著非常重要的作用。隨著可再生能源的蓬勃發展，微電網的不斷建設，儲能技術的不斷發展進步，儲能技術在微電網中將得到更加廣泛的應用。

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[責任編輯：薛俊歌]