儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

標(biāo)簽：智能電網(wǎng) 儲(chǔ)能技術(shù) 可再生能源   分布式發(fā)電

摘要 儲(chǔ)能方式主要有物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能;電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級電容器儲(chǔ)能;電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能;相變儲(chǔ)能包括蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。本文著重分析了它們的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展前景及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對分布式發(fā)電不同應(yīng)用場合進(jìn)行了探討。

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(jī)性和間歇性，會(huì)對電網(wǎng)將產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)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(chǔ)能以跟蹤負(fù)荷的變化。因此，研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)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(jì)性[3-4]。

2 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)能量，經(jīng)過功率變換器，完成機(jī)械能—電能相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)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(dá)5kW·h[5]。主要用于不間斷電源(uninterruptedpower supply，UPS)/應(yīng)急電源(emergency powersystem，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(dá)60kr/min(revolutionsper 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(chǔ)能系統(tǒng)具有控制簡單、儲(chǔ)能密度大、效率高、壽命長、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)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(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存磁場能量，能量交換和功率補(bǔ)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(diǎn)，且沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題。主要用于輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)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(jì)[3]。

2.3 超級電容器儲(chǔ)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(qiáng)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(hù)，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(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)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(chǔ)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(jià)格便宜，技術(shù)成熟，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時(shí)能發(fā)揮獨(dú)立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動(dòng)電機(jī)、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(chǔ)能電池。鈉硫電池儲(chǔ)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(dá)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(chǔ)存壽命長，額定功率和容量相互獨(dú)立，并可自由設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，其中，全釩液流電池可避免正負(fù)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(chǔ)能方式

其他儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個(gè)水庫，對建站地點(diǎn)要求苛刻，但是運(yùn)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(chǔ)常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來，這種儲(chǔ)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(diǎn)是不改變制冷機(jī)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(yùn)行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點(diǎn)是需要較大的制冷量[16]。表1為部分儲(chǔ)能技術(shù)的性能比較。

3 分布式系統(tǒng)對儲(chǔ)能的要求

分布式發(fā)電是發(fā)電單元和儲(chǔ)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(diǎn)：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(yùn)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(chǔ)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(shí)間短。而風(fēng)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，放電時(shí)間分布比較均勻，充放電率比光伏大得多，也很少會(huì)處于欠充電狀態(tài)。

3.1 并網(wǎng)運(yùn)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(jī)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(jì)數(shù)據(jù)，穿透功率達(dá)到10%是可行的。所以，除非很大的負(fù)荷就在并網(wǎng)逆變器附近或者電網(wǎng)很弱，可以認(rèn)為DG發(fā)出的功率完全被電網(wǎng)吸收[17]，但能量存儲(chǔ)可起到平抑系統(tǒng)擾動(dòng)、維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達(dá)到維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡的目的，儲(chǔ)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(chǔ)能就得具有ms級響應(yīng)速度和一定容量的功率補(bǔ)償能力?；诠夥β暑A(yù)測的并網(wǎng)光伏儲(chǔ)能容量計(jì)算：

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

3.2 獨(dú)立運(yùn)行的一般要求

由于單個(gè)分布式電源獨(dú)立運(yùn)行，很難維持整個(gè)系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。所以在大電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)或孤立地區(qū)，一般采用分布式電源聯(lián)合運(yùn)行來為這些地區(qū)提供可靠的電力。它們包括：風(fēng)/光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光/柴聯(lián)合型發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)/燃料電池混合系統(tǒng)等。聯(lián)合運(yùn)行的共同特點(diǎn)就是利用互補(bǔ)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(chǔ)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(jī)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(fèi)低于蓄電池作后備。然而，當(dāng)光伏輸出發(fā)生變化時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)不能快速做出響應(yīng)，而通過儲(chǔ)能的過渡作用，可滿足負(fù)載對快速響應(yīng)的要求。燃料電池響應(yīng)負(fù)載的速度也較慢(電流斜率約4A/s)，配置儲(chǔ)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(chǔ)能裝置就得具有響應(yīng)速度快，功率密度高的特性。獨(dú)立光伏電站儲(chǔ)能容量計(jì)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(chǔ)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(dòng)。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(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑功率波動(dòng)，提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量。從實(shí)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(jī)波動(dòng)，要求儲(chǔ)能具有秒級響應(yīng)速度和一定的功率補(bǔ)償能力?？紤]到隨機(jī)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(chǔ)能容量對儲(chǔ)能在分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義，如圖1所示。

圖1 基于光伏功率預(yù)測誤差的儲(chǔ)能容量優(yōu)化

(2)使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)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(jì)劃推進(jìn)，儲(chǔ)能只是填補(bǔ)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(dòng)完全補(bǔ)償。這對電網(wǎng)的調(diào)度控制和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用，而所需的儲(chǔ)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(chǔ)能容量優(yōu)化

4 儲(chǔ)能技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

(2)孤立運(yùn)行的DG單元切換或退出時(shí)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(chǔ)能可起過渡的作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求[18]。

(3)抑制DG輸出功率波動(dòng)，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(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑脈沖功率波動(dòng)[3]。

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

4.1 并網(wǎng)運(yùn)行

抽水蓄能機(jī)組容量已達(dá)2000MW，單元效率雖然不高，但運(yùn)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(jī)容量約為5.7GW，占全國裝機(jī)容量的1.8%。文獻(xiàn)[20]就西藏阿里地區(qū)獨(dú)特的水能、光能和風(fēng)能分布的自然條件，對風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，容量可達(dá)數(shù)百M(fèi)W，效率已接近60%，且壽命長，可冷起動(dòng)和黑起動(dòng)，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(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

飛輪儲(chǔ)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(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)。國外已將飛輪儲(chǔ)能引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出性能及經(jīng)濟(jì)性能較未采用飛輪儲(chǔ)能有很大改善。圖3給出了基于飛輪和抽水蓄能的混合儲(chǔ)能特性示意。

圖3 基于飛輪和抽水蓄能的混合儲(chǔ)能特性

水蓄冷和冰蓄冷儲(chǔ)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(jì)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(bǔ)償特性，然而容量高于100MW·h的線圈在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上存在困難。在風(fēng)力/蓄電池并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行的成本，但其技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，已獲得實(shí)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(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊，在提高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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(dá)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(shí)間1s，足夠處理電壓崩潰事件[8]。我國已先后研制成功25kJ~1MJBi系SMES系統(tǒng)，但Bi系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機(jī)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(yùn)行的YBCO—釔鋇銅氧涂層高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能單元的研究，并將與柔性技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本。

4.2 獨(dú)立運(yùn)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(dú)立運(yùn)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(shí)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(chǔ)能密度高達(dá)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(hù)，安裝容量的近2/3已用于平滑負(fù)荷，將其用于平滑DG輸出功率波動(dòng)，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(shí)產(chǎn)權(quán)的容量為650Ah的鈉硫儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)間小于1s，放電深度深且沒有“記憶效應(yīng)”，長期使用免維護(hù)，溫度范圍寬達(dá)-40℃~+70℃，儲(chǔ)能量已達(dá)到1MW/5.7Wh。在小型獨(dú)立光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中是理想的儲(chǔ)能裝置，且超級電容器與蓄電池在技術(shù)性能上具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，用于平滑功率波動(dòng)時(shí)可利用超級電容器高功率密度特性，只需其存儲(chǔ)與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰?，而蓄電池存?chǔ)基荷時(shí)的能量。這將具有很好的負(fù)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(jì)性[10]。

全釩液流電池可以100%深度放電，儲(chǔ)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(jìn)口離子膜材料，現(xiàn)已成功開發(fā)出10kW級儲(chǔ)能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大于80%，最大輸出功率超過25kW。

飛輪儲(chǔ)能密度高達(dá)108J/m3，充電快捷，循環(huán)使用壽命可達(dá)20年，工作溫區(qū)為-40℃~+50℃，維護(hù)簡單。文獻(xiàn)[22]在分析風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)能響應(yīng)時(shí)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(dòng)問題技術(shù)優(yōu)勢明顯，但運(yùn)行和投資成本過高。

5 結(jié)論

本文綜述了各種儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)朝儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)性。

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