新能源并網及儲能技術研究綜述

孫 曉，李 妍

（1.國網山東省電力公司青島供電公司 市北供電中心，山東 青島 266000；2.青島大學 電氣工程學院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著國際社會對能源資源和環境保護等問題的日益重視，減少煤炭、石油等化石能源燃燒，加快開發和利用新型能源，已成為全球的普遍共識和戰略行動。以微型燃氣輪機、內燃機、光伏、風電、水電、海洋潮汐能、地熱能以及生物質能等利用清潔能源發電單元構成的分布式電源和其構成的微電網就近接入配電網，可有效減少環境污染，提高能源利用率[1]。研究發現，分布式電源接入配電網支線路末端可有效減少線路損耗，提升線路末端電壓，減少電力系統供電壓力，保障對重要用戶的可靠供電。獨立型的微網還可以解決偏遠地區、海島地區用電困難問題，實現大地區聯網，促進地區經濟發展[2]。分布式電源以風電雙饋感應電機發電為例，在提供線路末端電壓支撐、減小網損的同時，可以調節其無功出力大小參與配電網無功優化，減少大電網無功優化壓力，可在滿足電力系統正常運行條件下，通過無功補償或電源優化配置實現全網網損最小，提高電壓穩定可靠性和減少經濟成本[3]。隨著新能源發電規模的快速增長，研究分布式電源的輸出特性和并網對電力系統的電能質量、潮流分布、系統穩定可靠性和并網協同規劃等方面帶來的影響越來越重要。而電能的不可大量長久存儲一直是一個難題，電儲能和機械儲能技術的應用使得電能、熱能、機械能存儲成為可能。隨著新能源領域的發展，分布式電源電能儲存也相當關鍵。風電、光伏發電由于其輸出隨機性、波動性和無法大量儲存，決定了棄風和棄光程度[4]。

1 分布式電源分類

分布式電源是指為滿足負荷附近用電需求就近接入中低壓配電網的電源，具有裝機規模小、清潔能源保護環境、降低大電網供電壓力、促進地區經濟發展的優點[5]。分布式電源和一定負荷可形成微網，特定運行方式下可不受大電網調控影響孤島運行，減少電網運行風險。現有并網分布式電源主要有風力發電、太陽能光伏發電、微型燃氣輪機、燃料電池以及生物質能發電等[6]。

1.1 風力發電

風力發電通過風吹葉片驅動輪轂，經過齒輪箱變速帶動發電機運行，將風能轉化為電能接入電網，是除水電以外技術最成熟、成本最低、開發潛力最大的可再生能源，已在全球范圍內實現大規模的開發應用。它的輸出功率由風場風速、地理位置決定，在新能源發展中占有重要地位。目前，如何促進分布式風電消納關鍵技術和減少棄風度是研究的關鍵[7-8]，而由風力發電帶來的氣候變化也值得重視。

1.2 太陽能光伏發電

太陽能光伏電池利用半導體材料（如單晶硅、多晶硅）在一定光照強度下產生的光電效應，通過單體電池串并聯形成列陣，將太陽能轉化為直流電儲存在儲能系統中，然后根據負荷需求通過并網逆變器將直流電轉換為可以使用的交流電。它的光伏輸出功率主要受太陽光照強度和溫度影響。光伏發電具有無燃料消耗無污染、不受地區限制、不受電網調度影響、靈活可靠、維護簡單以及安全經濟等優點。目前，我國正大力推進光伏扶貧政策，農村地區用戶實行“自發自用，余電上網”，大力促進了貧困地區穩定增收，引導光伏產業“平價上網”是清潔可持續發展的新模式。

1.3 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機是指發出功率低于300 kW的小型熱力發電機，一般使用天然氣、甲烷、柴油和汽油為燃料。微型燃氣輪機先將空氣在離心式壓氣機壓縮，經過渦輪排氣預熱后與燃料充分混合燃燒產生熱力推動渦輪，帶動發電機發電，具有燃料消耗低、多燃料利用、污染排放少、低維護以及可遙控的特點，可作為分布式電源使用，也可作為供電備用使用。目前，熱電聯供產業在北方地區實現大規模使用，有助于增加熱能利用率，減少環境污染，是電力系統需求側管理的重要內容。

1.4 燃料電池

由于富氫燃料和氧化劑產生化學反應，將化學能轉化為電能發電的稱為燃料電池。由于電池使用電解質不同，燃料電池主要分為6種：固體聚合物燃料電池、生物質能燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池[9]。燃料電池具有能量轉換效率高、適應負荷變化強、發電功率高、清潔無污染、噪聲小以及安裝方便等特點。目前，燃料電池汽車已廣泛投入使用。隨著國家對氫能源發展的重視，未來如何降低氫能源成本和建立氫儲存站是主要的研究方向。

1.5 生物質能

生物質能通過動植物和微生物光合作用，將太陽能轉換成化學能儲存形成燃料，可大大減少工業、生產、生活垃圾排放，具有污染小、廢物利用率高、分布地區廣等優點，廣泛應用于林業和農業領域。目前，將生物質能轉向熱電聯產正在逐步推進。

2 分布式電源并網對配電網的影響

2.1 并網標準

分布式電源并網標準必須滿足總體要求、電能質量、功率控制、頻率響應、并網同步、安全保護以及計量通信等方面的要求。標準分布式電源并網總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%，并網電壓等級低于380 V時容量不宜超過200 kW，容量200 kW以上宜接入10 kV（6 kV）及以上電壓等級電網。當并網滲透率更高時，需要對配電臺區進行改造，解決分布式電源并網引起的電壓升高、短路電流過大等問題。并網時系統必須正常運行，分布式電源與電網的電壓幅值、相位角以及頻率偏差必須在可承受范圍內才可并網。

2.2 電能質量

分布式電源特別是風力發電和光伏發電的輸出功率隨機波動性會影響電力系統的電能質量，以下主要從電壓閃變、諧波和無功有功調度方面進行分析。

2.2.1 電壓閃變

當分布式電源由于用戶需求、電網規劃、天氣變化等因素投入或脫離電力系統時，會對配電網產生較大的沖擊電流而引起電壓閃變。

2.2.2 諧波污染

分布式電源通過電力電子裝置與電網相連，當電力電子轉換器控制分布式電源投入或進行電壓調節時，開關器件頻繁動作易產生諧波污染。

2.2.3 無功有功調度

風力發電機的類型可以分為異步電動機、雙饋感應電機和永磁同步電機。當異步發電機并網時會從電力系統中吸收大量無功，增大系統的無功壓力，造成并網節點電壓降低。因此，需要對電力系統進行無功優化，增加無功補償設備減少網損，還要控制系統經濟成本最小。

2.3 潮流分布

電力系統正常運行時支路潮流呈現單向流動。大規模分布式電源并網后，潮流分布轉為雙向流動。當分布式電源的輸出功率大于負載時，部分線路可能會出現逆向潮流，出現電壓越限行為影響電壓可靠性。分布式電源的輸出功率隨機性和間歇性會造成潮流無法預測，為電力系統運行和電網調度帶來極大困難，甚至影響發電廠的發電計劃。

2.4 電力系統運行安全可靠性

部分分布式電源具有低電壓穿越能力，可在系統發生故障時保持繼續運行，避免電壓驟降，保證電網可靠運行。若不具備這種能力，需要在系統故障時及時從電網中脫離，否則有可能造成節點電壓大幅跌落[10]。如果故障時分布式電源未快速脫網，短路電流過大會引起繼電保護誤動作，斷路器非同期重合不成功甚至造成電網崩潰，從而增加用戶停電時間而造成巨大的經濟損失。因此，充分利用儲能技術保證分布式電源輸出穩定十分重要。

3 儲能技術

儲能系統中，電化學儲能技術因其靈活性、穩定性目前已在電力系統等多個領域得到大范圍應用。

3.1 抽水儲能

抽水儲能用電動機將下游水庫的水抽到上游，將機械能轉化為水的勢能后轉化為電能。受地理位置、氣候變化影響，水力發電是除火力發電外規模最大的發電產業，主要用于電力系統調頻和負荷高峰儲備使用。目前，抽水儲能正加強對地下水和海洋水庫的建設。

3.2 蓄電池儲能

蓄電池包括鉛酸電池、鋰電池、鈉基電池和液流電池等。鋰離子電池以其安全性高、輸出功率高、使用壽命長的優點，大規模用于電動汽車和規模化發電站[11]。除美國Tesla電動汽車公司擁有世界上最大的鋰電池儲能站外，我國是世界上最大的鋰電池生產基地。基于鋰離子能源稀缺、成本高的缺點，鈉離子電池可進一步降低儲能成本。此外，比傳統鉛酸電池充放電速度更快、成本更低的鉛碳電池也得到了快速發展。當前，吉林大學研究的高性能鉛碳電池已經成功應用于超級電容，而液流電池被廣泛應用于電網應急備用電源和負荷削峰填谷儲備[12]。

3.3 超導磁儲能

超導磁儲能是在低溫惰性氣體環境中工作的超導線圈儲存在電流磁場中的能量。超導磁儲能具有體積小、質量輕、電磁響應快、儲能效率高、儲能時間長、損耗低以及輸出功率高等優點[13]，目前廣泛應用于提高電力系統暫態穩定性方面。超導磁儲能在世界上還處于初始發展階段，未來使用高溫超導體降低儲能成本、加強惰性氣體低溫儲存是發展關鍵。

3.4 飛輪儲能

飛輪儲能系統包括轉子部分、軸承部分和能量轉換部分。飛輪高速運轉時轉動慣量不斷增大，儲存能力也越來越大。在真空條件下運行可以減小運行阻力，實現儲能效率最大，具有壽命長、維護少的優點[14]。目前，大功率的飛輪儲能系統主要應用風力發電和航空航天。風力發電時保持最佳尖速比，可實現最大風能捕獲，減少風損。

3.5 超級電容儲能

超級電容是介于蓄電池和常規電容器之間的一種特殊的雙電層電化學元器件，相比傳統電容器儲存能量更大，相比蓄電池可反復循環充電，具有充電時間短、清潔環保、功率密度高、使用壽命長等優點，可有效針對分布式電源輸出波動性隨機性特征進行儲能，尤其是風力發電變槳系統[15]。目前，超級電容器廣泛應用于新能源汽車電池，改善了以往鋰電池充放電時間長、壽命短的缺點，大大延長了電動汽車電池使用壽命。目前，上海已建成超級電容供電公交車專線，未來基于納米技術可實現超級電容更加快速的高能量充放電。

3.6 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是利用電力系統處于負荷低谷時的剩余電力進行空氣壓縮，然后將高壓空氣儲存在報廢礦井、地下洞穴、海底儲氣罐或新建儲氣井中[16]。當負荷高峰時膨脹釋放驅動汽輪機發電，減少電力系統供電壓力，具有儲存成本低、工作時間長、可大量儲存、使用壽命長、安全可靠性高的優點。壓縮空氣可以彌補不具備建設風電、水電站的地區缺憾，具有良好的發展前景。目前，我國對壓縮空氣儲能技術還在積極探索中，如何做到壓縮空氣儲能清潔高效和實現快速響應也是技術難點。

電力市場改革刺激分布式電源大規模發展，新的儲能技術與分布式電源結合可有效解決分布式電源并網難題。考慮分布式電源輸出隨機波動性，開發高效率、能量密集、成本低的混合儲能管理系統不僅可以使分布式電源并網安全可靠運行，還可優化充放電過程，實現儲能裝置經濟、穩定輸出。

另外，基于發電側、電網側儲能系統發展，開發用戶側儲能如建立光儲充一體化充電站、工業園區，可有效實現負荷削峰填谷、降低基本電價，是電網新一輪改革的關鍵，也是分布式電源并網未來重要的發展方向。

4 結 論

隨著社會經濟的發展，綠色能源和生態環境得到了越來越多的關注。分布式電源作為能源低碳發展和電力系統改革轉型的載體，有助于國內外微電網發展，保護環境，縮小供電距離，帶動國民經濟更好地發展。隨著電力系統的不斷發展壯大，儲能技術和分布式電源協同規劃成為電力系統發展的重要推動力。本文詳細介紹分布式能源開發現狀和分布式電源并網對配電網的一系列影響，闡述儲能技術現狀，并提出儲能技術對未來分布式電源并網發展的關鍵作用，希望未來分布式電源不僅能保持穩定、安全應用，而且電能也能實現大量、長時間儲存，更好地服務國民經濟。