微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

于曉輝 楊超 奕敬釗 尹梓安

摘要

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源問題的矛盾的加劇，微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以改善電能的質(zhì)量，解決微電網(wǎng)運(yùn)行中的問題，而且能夠彌補(bǔ)風(fēng)力和光伏發(fā)電的不足，滿足居民多樣化用電的需求。本文就微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行分析，指出目前儲(chǔ)能技術(shù)存在的不足和一些處理的建議。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng) 儲(chǔ)能技術(shù) 研究進(jìn)展

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的消耗也越來越大，節(jié)約和降低能耗是國(guó)家有關(guān)部門很多企業(yè)面臨的主要問題。電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要能源，如何利用高科技對(duì)電能進(jìn)行有效利用是很多企業(yè)需要解決的重要問題。微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是解決電能資源緊張，分配不均等問題的重要手段。

1 微電網(wǎng)的概念

微電網(wǎng)是一種運(yùn)行模式，它將各種小型的分布式電源和儲(chǔ)能裝置進(jìn)行組合，形成一個(gè)能負(fù)荷提供電能的低壓電網(wǎng)。微電網(wǎng)既可以解決大量的分散式發(fā)電接入的問題，又可以為電網(wǎng)和用戶提供各方面的效益，是一種新型電能系統(tǒng)。

2 微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)

在微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是重要的組成部分，它能夠不斷吸收能量并適時(shí)釋放能量，以滿足用戶對(duì)電量的大量需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)中的能量緩沖系統(tǒng)，能夠緩解電力對(duì)于電網(wǎng)的超負(fù)荷，還能優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)的配置，維持電網(wǎng)完全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足不同用戶對(duì)于電力的需求。

3 儲(chǔ)能技術(shù)的分類和特性

微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要采用五種儲(chǔ)能技術(shù)，它們就是蓄電池、超導(dǎo)磁能、液流電池、超級(jí)電容器和飛輪。首先蓄電池和液流電池都屬于電池類的儲(chǔ)能，它們有著相同的特性。蓄電池的種類多、體積小、工作電壓高，不僅循環(huán)壽命長(zhǎng)，而且建設(shè)周期短。而液流電池的性能更強(qiáng)，可以適合更大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。電池類的儲(chǔ)能雖然無污染、安裝靈活，但是電池的放電充電的次數(shù)受到限制，也不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率快速補(bǔ)償，不能穩(wěn)定電壓的波動(dòng)。

其次超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)線圈進(jìn)行儲(chǔ)電，并在需要的時(shí)候釋放出去。它具有釋放快、效率高，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。在微電網(wǎng)中運(yùn)用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)可以對(duì)電壓、頻率以及有功功率和無功功率進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)。

還有就是超級(jí)電容器技術(shù)。超級(jí)電容器的電容量大，但是維護(hù)工作量少，可靠性卻很高，讓它在微電網(wǎng)應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)。而且它的功率大，壽命長(zhǎng)，應(yīng)用也比較廣泛。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的地位和價(jià)值

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布世界各地，電力系統(tǒng)承擔(dān)著為世界各國(guó)輸送絕大部分的電力的任務(wù)，而且一直在不斷擴(kuò)展當(dāng)中，電力系統(tǒng)的壓力也日漸增大，它的脆弱性日漸顯現(xiàn)。比如在2003年的美國(guó)，就因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)出現(xiàn)問題而造成停電事故，讓很多公共交通設(shè)施停工，波及人數(shù)達(dá)五千萬人，給社會(huì)造成很大的不便。而早我國(guó)也曾因?yàn)樽匀粸?zāi)害導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，讓數(shù)百萬人在黑暗中生活了數(shù)十天，生產(chǎn)和生活都受到了很大的影響。更嚴(yán)重的是全球范圍內(nèi)的停電，波及人數(shù)達(dá)數(shù)億，工廠被迫停工，公共交通設(shè)施運(yùn)行中斷，給經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，也給成千上萬人帶了不便。電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展過快，覆蓋面廣，帶來巨大方便的同時(shí)，也帶來了全新的挑戰(zhàn)。一旦一個(gè)地區(qū)甚至一家出現(xiàn)問題，都可能波及整個(gè)電力系統(tǒng)。

而微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式發(fā)電，規(guī)模小且分散，能夠在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)電，可以減小電力事故對(duì)于地區(qū)和國(guó)家的影響。微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)降低電力事故的危害，而且能夠?qū)﹄娏M(jìn)行有效地調(diào)度，優(yōu)化電力資源配置，保證微電網(wǎng)的安全正常運(yùn)行。一般來說，在電力負(fù)荷聚集區(qū)設(shè)置微電網(wǎng)對(duì)重要和敏感負(fù)荷進(jìn)行及時(shí)供電，滿足當(dāng)?shù)夭煌脩魧?duì)于用電的需求，也為電力事故搶修工作贏得時(shí)間。

5 微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用研究

5.1 優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置

在微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行中，容量的配置合理與否，對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的影響很大。因?yàn)檫^容量偏小，就會(huì)造成多余的電量無法儲(chǔ)存，導(dǎo)致功率的浪費(fèi)。而容量過大，不但增加了經(jīng)濟(jì)成本，而且讓儲(chǔ)能裝置長(zhǎng)期處于充電不足，直接會(huì)影響它的使用壽命。因此對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置，對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很是重要。目前常用的優(yōu)化方法主要有以下幾種。

5.1.1 差額補(bǔ)充的方法

差額補(bǔ)充法是一種比較傳統(tǒng)的配置方法，它根據(jù)系統(tǒng)的最小發(fā)電量與雨雪天氣的差額進(jìn)行配置，方法簡(jiǎn)單，不用進(jìn)行復(fù)雜的建模和計(jì)算。但是配置的容量不能根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化而配置，因此對(duì)容量的配置往往不準(zhǔn)確。

5.1.2 平抑分析的方法

這種方法是根據(jù)系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)功率的平抑效果，以及電能的質(zhì)量進(jìn)行配置容量。優(yōu)化的角度不同也會(huì)有不同的配置方法，但是很多方法經(jīng)常會(huì)受到功率波動(dòng)的影響為產(chǎn)生誤差，而且不能對(duì)容量進(jìn)行定量分析，因此有缺陷。但是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性出發(fā)，運(yùn)用最小儲(chǔ)能容量的配置方法，能夠配置較為精確的容量。

5.1.3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的方法

這種方法是通過建立函數(shù)和相關(guān)的約束條件，經(jīng)過一定的計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化配置儲(chǔ)能容量。可以通過遺傳算法、粒子群算法等方法，計(jì)算最優(yōu)的容量配置。這種方法有時(shí)更符合實(shí)際情況，具有現(xiàn)實(shí)意義。

5.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行措施

儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域間用電的安全，降低因電力事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高電力資源的合理利用，提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也保證了電力的安全穩(wěn)定，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行當(dāng)中，主要有兩大措施。

5.2.1 并網(wǎng)運(yùn)行

在微電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，不僅要考慮內(nèi)部電源之間的組合和調(diào)度問題，而要考慮外部電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的電能交易問題。并網(wǎng)運(yùn)行就是在電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電組無法滿足超負(fù)荷的要求的情況下，優(yōu)先啟用內(nèi)部蓄電池進(jìn)行放電，而如果蓄電池也無法滿足時(shí)，就要根據(jù)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)情況，從外部進(jìn)行電量調(diào)度的措施。

5.2.2 孤島運(yùn)行

如果微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行正常，在負(fù)荷需求下，可以在內(nèi)部依靠微電源和儲(chǔ)能裝置滿足電力供應(yīng)，就是孤島運(yùn)行的方式。這種方式下的微電網(wǎng)的能量配置能夠滿足負(fù)荷的要求，因此根據(jù)實(shí)際的用電情況，采用不同的調(diào)度策略和競(jìng)價(jià)手段，滿足用電的需求。這種方法可以促進(jìn)可再生資源的利用，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

5.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制措施

5.3.1 調(diào)度模式

這是一種對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行集中控制的模式，通過接受上層的調(diào)度對(duì)單元控制器和中央控制器進(jìn)行集中控制。它能夠在保證儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5.3.2 自主模式

自主模式對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，就是指分散協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制模式。這種一般針對(duì)于快速響應(yīng)的應(yīng)用，進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。這種自主模式的控制，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行之間的切換，協(xié)調(diào)各個(gè)分布式的電源。采用自主模式能夠?qū)π铍姵氐姆烹娺^程進(jìn)行優(yōu)化控制，延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置的使用壽命。

5.4 復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)

隨著微電網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的要求也越來越高。單一的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)不能同時(shí)滿足高密度、高功率、高儲(chǔ)能功率和使用壽命、成本等性能指標(biāo)，需要將兩種或者幾種儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合，形成復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。目前復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)在蓄電池和超級(jí)電容器組合中應(yīng)用廣泛，因此兩種儲(chǔ)能技術(shù)有著很大的互補(bǔ)性。蓄電池的能量密度大，但是功率小，壽命短，充放電頻率低。而超級(jí)電容器的功率大，充放電頻率高、壽命長(zhǎng)，但是能量密度小，因此將兩者進(jìn)行復(fù)核使用，在提高儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置的性能方面上有很大的幫助。

6 儲(chǔ)能技術(shù)存在的問題和發(fā)展方向

雖然儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)應(yīng)用上取得了很大的進(jìn)展，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中仍然存在著很多問題。

（1）優(yōu)化配置的問題。新能源的開發(fā)加快也促使著發(fā)電量的增長(zhǎng)，如何配置大容量、大功率的儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前需要解決的問題。

（2）由于現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)有限，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)度還存在著困難。

（3）復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)也給微電網(wǎng)帶來新的挑戰(zhàn)。針對(duì)這些問題，研究者們制定了新建儲(chǔ)能電站、采用最新信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)其它儲(chǔ)能技術(shù)組合進(jìn)行研究等措施，積極解決存在的問題。

7 結(jié)束語

微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與研究，對(duì)于我國(guó)電能的可再生循環(huán)使用，維護(hù)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，提高電能的質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益都有重要作用。有關(guān)部門應(yīng)積極推廣儲(chǔ)能技術(shù)，加大對(duì)最新技術(shù)的研究力度，完善儲(chǔ)能系統(tǒng)，保證用戶用電安全與整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定，提高資源的利用率，緩解電力資源的緊張。

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