儲能技術在電氣工程領域中的應用研究

呂長濤

（河北省電力建設第一工程公司 河北石家莊 050031）

儲能技術在電氣工程領域中的應用研究

呂長濤

（河北省電力建設第一工程公司 河北石家莊 050031）

當前，我國儲能產業不斷發展，電力公司、高科技公司以及電力用戶均開始關注電力儲存技術的潛力。目前，儲能產業已經從概念發展成為智能電網規劃的重要組成部分，本文主要針對儲能技術在電氣工程領域中的應用展開了具體分析。

儲能技術；電氣工程；應用

1 引言

當前，在新電改背景下，我國儲能產業迎來了重要發展機遇，其在解決可再生能源難題方面發揮著重要作用，并成為了我國新一輪的投資熱點。目前，儲能涉及的技術路線較多，大致可分為三大類：物理儲能、化學儲能和其他儲能，應根據實際情況合理選擇、科學應用，獲得最大的經濟社會效益。

2 儲能技術的分類及應用模式

2.1 儲能技術分類

依據微電網的運行模式，適用于微電網的儲能技術可包括三類：①機械儲能：壓縮空氣儲能、抽水蓄能、飛輪儲能等。②電磁儲能：超級電容儲能和超導磁儲能等。③電化學儲能：蓄電池、氫鎳電池、鎘鎳電池、鋰離子電池、釩液流和鈉流電池等。

2.2 儲能技術應用模式

儲能技術的應用模式包括功率型和容量型兩類，根據兩種模式及其適用場合的區別，對儲能技術的性能要求也有所不同。①容量型：系統頻率調節、削峰填谷等運行狀態對儲能元件的容量要求很高，能滿足此運行模式要求的是容量型的儲能應用模式。②功率型：要求儲能系統的響應速度非常快，功率型的儲能應用模式包括系統穩定控制和電能質量調節應用模式等。

電力系統的供給和負荷的需求實時處于平衡，平衡狀態的保持很大程度上受到儲能元件容量小的限制。大容量儲能技術的產生，打破了這種局限，其大規模的應用，不但提高了供電質量和電網穩定性，并為更多的新能源系統連接到電網中提供了條件。

3 多元混合儲能技術在電氣工程領域中的應用

3.1 超導和蓄電池混合儲能

超導儲能系統主要是利用超導線圈將供電勵磁產生的磁場能量存儲起來，需要時再將存儲的能量送回。

（1）超導儲能的特點：響應快，效率高（可達95%），無噪聲污染，可靠性較高，其最大的不足是成本太高，另外需要泵和壓縮機來維持冷卻劑的溫度，因而使系統變得復雜，需要做定期的維護。

（2）蓄電池儲能的特點：蓄電池儲能的應用有利于解決高峰負荷時電能需求，并且能夠補償無功設備，抑制電壓閃變。同時，蓄電池價格便宜、可靠性好、技術非常成熟、實現大容量很容易。將超導磁儲能和蓄電池混合應用，可以有效控制電壓的瞬時波動，保證不間斷供電。

3.2 超級電容器和鋰電池混合儲能

鋰離子電池是一種新型的能量很高的二次電池，在電力工程領域應用廣泛。它的優點很多，如體積比較小、儲能密度很高、工作電壓高、自放電率小，而且輸出功率大，循環壽命長、無污染。然而鋰電子也存在著一些不足，如大規模生產鋰離子電池有一定難度，因為它內部的過充電保護電路和特殊的包裝造成了高成本。超級電容器的能量密度很低，超級電容器的能量密度是1～10wh/kg，是鋰電池的1/10。同時，超級電容的價格也很昂貴，是鋰電池的十倍以上，這也是它自身的一個局限。

將能量密度大的鋰電池和具有功率密度較小、快速充/放電、儲能效率高和壽命長等特點的超級電容器組成系統，就可以明顯減小電源的內部損耗，進而使電源的運行時間有所增加，應用優勢較大。

3.3 壓縮空氣與釩液流電池混合儲能

近幾年，釩液流電池也成為一種非常新型的儲能方式，釩電池具有特殊的電池結構，其優點主要有：①功率大，增加單個電池的數量和電極面積就可實現功率的增加；②容量大，增加電解液的容積即可任意調整容量；③效率高，釩電池的電極催化活性高；④效應速度快，充、放電切換在運行過程中僅需0.02s，響應速度低于1ms。缺點是目前成本仍較高，規模仍然受儲能容量和功率的限制。

壓縮空氣儲能系統是一種可實現大容量高功率的儲能裝置。在用電的高峰期間，快速釋放并使用電能，這樣便實現了削峰填谷、平衡電力負荷的作用。壓縮空氣儲能可以提供穩定電力，完成釋能過程，具有規模大、無污染、儲能周期長和不受地理條件限制等優點。鑒于壓縮空氣儲能和釩電池儲能特點的互補性以及提高微電網穩定性的需求，把釩液流電池/壓縮空氣混合儲能應用到電氣工程領域中，可有效改善電源的性能，保證電氣工程的穩定運行。

4 實例分析

本文主要就由超級電容器和蓄電池構成的混合儲能系統（HESS）展開具體分析。

蓄電池和超級電容器接入直流微電網的方式很多，其中最常見的三種方式如圖 1（a）、（b）、（c）所示。圖 1（a）為蓄電池組直接接入直流母線，而超級電容器通過DC/DC變換器接入直流母線；圖1（b）為蓄電池組通過DC/DC變換器接入直流母線，而超級電容器直接接入直流母線；圖1（c）為蓄電池和超級電容器分別通過DC/DC變換器接入直流母線。由于蓄電池或超級電容器直接接入直流母線，無法實現充放電電流的有效控制，可控性低，很容易因過流、過壓等原因造成蓄電池或超級電容器損壞，為此本文采用圖1（c）所示的并聯式拓撲結構。

圖1 蓄電池和超級電容器接入直流母線方式

由于光伏等DG也具有一定的脈動性，為了簡化分析，本文用脈動負荷Rload2（如圖3所示）來等效DG及實際脈動負荷。圖2為簡化后混合儲能系統結構及控制原理圖。圖中，Sw（1）、Sw（2）為切合直流斷路器，用來控制各端口的投切；K1、K2為保護直流斷路器，啟動后為常閉狀態，在出現過壓、過流等故障時斷開；Rs為啟動電阻，啟動階段與K1配合，避免啟動瞬間沖擊電流對裝置的影響；為儲能電感，Csc、Cbat為濾波電容，SR1、SR2為負荷斷路器，Rload1、Rload2分別為固定負荷和等效脈動負荷；isc、ibat分別為超級電容器組和蓄電池組充放電電流，Udc為直流母線電壓，iload為負荷電流。

針對脈動功率突變對直流母線電壓、蓄電池組正常運行造成劇烈沖擊的問題，提出了一種基于移動平均濾波算法的混合儲能系統能量分配控制策略（圖3），該控制策略以優化蓄電池組充放電為目標。首先，通過移動平均濾波算法將脈動負荷功率進行濾波，得到Pload2；然后將Pload2與Pload1相加，計算出Pbat；而負荷實際消耗功率Pload與蓄電池組端口實時功率傳輸值Pbat_t的功率差值由超級電容器通過對直流母線電壓閉環控制快速補償。

圖2 簡化后混合儲能系統結構及控制原理圖

圖3

最后，為驗證混合儲能系統功率分配策略對優化蓄電池組充放電的有效性，需對其進行實驗驗證，本文開發了額定功率3.6kW，50～80V/130V，可接入1組超級電容器組、1組蓄電池組的混合儲能系統實驗樣機和直流微電網實驗平臺。通過實驗，驗證了所提出的能量分配策略的有效性，該控制策略在保證直流母線電壓穩定的同時，利用超級電容器很大程度上優化了蓄電池的充放電過程，延長了蓄電池使用壽命，其可應用于含有脈動荷載較多的孤立直流微電網或直流艦船、航空航天等領域，在滿足負荷即插即用性要求的同時，有效提高系統全壽命周期的經濟性。

5 結語

綜上所述，儲能技術的應用具有調峰、調頻、調壓、容量調節等價值，儲能產業已經受到了全球關注，近幾年來，我國政府及相關研究機構針對我國在規模化儲能、微電網儲能、分布式可再生能源儲能、通訊基站儲能、工業節能用儲能技術、家庭儲能等應用領域的需求，積極組織實施儲能產業技術研究，推動前瞻性關鍵技術、產業標準的發展。

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TM61

A

1004-7344（2016）12-0093-02

2016-4-9

呂長濤（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事火電、核電廠建設，電氣熱控技術管理工作。