含分布式電源電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)綜述

1引言

現(xiàn)今，隨著風(fēng)電，光伏發(fā)電等這些間歇性能源的快速發(fā)展，使得這些能源成為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成，然而由于這些能源自己本省具有波動(dòng)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)現(xiàn)今又成了新能源自身發(fā)展的障礙，隨著新能源發(fā)電規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)大，解決著這個(gè)問(wèn)題將顯得更為迫切。將富余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，用能高峰期再釋放出來(lái)，是解決新能源間歇性的重點(diǎn)。峰會(huì)上業(yè)界已經(jīng)取得的共識(shí)是：儲(chǔ)能正是從根本上解決可再生能源發(fā)電接入問(wèn)題的最有效途徑，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)可再生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性缺陷，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源電力平滑并入電網(wǎng)[2]。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，并有望得到國(guó)家大力支持，科技部發(fā)布了的《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》把儲(chǔ)能作為戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域。儲(chǔ)能技術(shù)將為改變現(xiàn)有的電網(wǎng)發(fā)展模式提供了可能，未來(lái)有望大范圍應(yīng)用。

2儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國(guó)外儲(chǔ)能技術(shù)最新發(fā)展

近些年來(lái)，世界先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)得到了各國(guó)大力支持，不斷發(fā)展，取得了大量成果。年來(lái)，日本、美國(guó)以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)投入較大，技術(shù)領(lǐng)先。日本在鈉硫電池的研究與應(yīng)用方面走在世界前列。

蓄電池儲(chǔ)能方面，2001 年，加拿大VRB Power Systems 公司在南非建造了250 kW 的全釩液流儲(chǔ)能電池示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全釩液流儲(chǔ)能電池的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。VRB Power Systems 公司為澳大利亞Hydro Tasmania on King Island 公司建造的與風(fēng)能發(fā)電配套的全釩液流儲(chǔ)能電池于2003 年11 月完成，該系統(tǒng)儲(chǔ)能容量為800 kWh，輸出功率為250 kW。2004 年2 月，VRB Power Systems 公司又為castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了輸出功率250 kW，儲(chǔ)能容量2 MWh 的全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。2006 年底該公司開(kāi)始為愛(ài)爾蘭建設(shè)迄今為止國(guó)際上最大的額定輸出功率2 MW(脈沖輸出功率3 MW)，儲(chǔ)能容量12 MWh 全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。美國(guó)利用日本住友電氣工業(yè)公司和VRB Power Systems 公司的技術(shù)，分別建立了2 MW 和6 MW的全釩液流儲(chǔ)能電池示范運(yùn)行系統(tǒng)[3]。

2003年日本NGK公司生產(chǎn)的鈉硫電池產(chǎn)量為30MW，到2005年達(dá)到48MW(960個(gè)模塊)，2008年達(dá)到90MW的規(guī)模(1800個(gè)模塊)，2010年的發(fā)展計(jì)劃為年產(chǎn)150MW。在全球已建成100余座鈉硫電池儲(chǔ)能站。2009年，歐盟斥資3千萬(wàn)歐元在芬蘭聯(lián)合建立了世界上最先進(jìn)的蓄電池實(shí)驗(yàn)室，電池兼容智能管理和監(jiān)控系統(tǒng)，預(yù)計(jì)到2012年完成100mAh產(chǎn)品量的擴(kuò)大。日本日立將在北美市場(chǎng)推出長(zhǎng)壽命鉛酸電池，將用于可再生能源并網(wǎng)。該產(chǎn)品已在日本上市，并在8個(gè)項(xiàng)目上取得成功。放電時(shí)間1-4小時(shí)，使用壽命15-17年，可循環(huán)利用。美國(guó)通用電氣投資1.6億美元研發(fā)專門用于電力系統(tǒng)的特殊Duration鈉鹵電池系統(tǒng)，使用壽命20年。能在極端溫度條件下發(fā)揮最佳性能，不會(huì)產(chǎn)生任何有毒化學(xué)物質(zhì)排放，并擁有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可回收利用。美國(guó)Axion Power國(guó)際公司獲得賓夕法尼亞州能源開(kāi)發(fā)局撥款248650美元，用于研究智能電網(wǎng)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，致力于研發(fā)使用少量鉛的鉛酸電池技術(shù)，該種電池可提供與超導(dǎo)儲(chǔ)能相似的高速傳輸速度，具有更快的充電時(shí)間和更長(zhǎng)的使用壽命，用于含風(fēng)能、太陽(yáng)能綜合系統(tǒng)中。

超導(dǎo)儲(chǔ)能，美國(guó)能源部克魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、ABB公司、Super Power公司、休斯頓大學(xué)獲得420萬(wàn)美元聯(lián)邦資金、105萬(wàn)美元配套資金，以用于研究先進(jìn)的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。美國(guó)Beacon電力公司得到能源部4300萬(wàn)擔(dān)保貸款，用于紐約州Stephentown 20MW新型能量存儲(chǔ)概念工程。

壓縮空氣儲(chǔ)能，美國(guó)太平洋燃?xì)馀c電力公司、PG&E公司得到政府資助2500萬(wàn)美元，美國(guó)太平洋燃?xì)馀c電力公司、PG&E公司將進(jìn)行一個(gè)30萬(wàn)千瓦壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的可行性研究，PG&E公司將把資金用于項(xiàng)目一期工程，包括許可、聯(lián)網(wǎng)和電廠設(shè)計(jì)，項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)耗時(shí)15年[4]。

飛輪儲(chǔ)能方面，日本已經(jīng)制造出界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量26.5MVA，電壓1100V，轉(zhuǎn)速510690r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量710t·m2)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重172.8kg，工作轉(zhuǎn)速范圍11，610—46，345rpm，轉(zhuǎn)速為48，784rpm，系統(tǒng)輸出恒壓110-240V，全程效率為81%。經(jīng)濟(jì)分析表明，運(yùn)行3年時(shí)間可收回全部成本。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)發(fā)展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉(zhuǎn)時(shí)的能量損耗達(dá)到0.1%每小時(shí)。歐洲的法國(guó)國(guó)家科研中心、的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開(kāi)展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[5]。

2.2中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展[3]

在大規(guī)模電池儲(chǔ)能裝置技術(shù)方面，我國(guó)起步較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，主要表現(xiàn)在：一是設(shè)備容量規(guī)模還較小;二是設(shè)備的壽命短、利用效率低;三是設(shè)備的智能化水平薄弱。在儲(chǔ)能應(yīng)用方面我國(guó)距國(guó)外先進(jìn)水平差距也很大，國(guó)外已經(jīng)有數(shù)十套儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大容量電池儲(chǔ)能裝置的示范工程投入運(yùn)行。

目前，我國(guó)電池儲(chǔ)能的應(yīng)用規(guī)模還很小，但隨著國(guó)家能源政策的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策逐步落實(shí)，其應(yīng)用規(guī)模預(yù)計(jì)也將逐步擴(kuò)大。上海市電力公司已經(jīng)建設(shè)包括漕溪站、前衛(wèi)站、白銀站三個(gè)儲(chǔ)能示范電站，電力調(diào)度中心可以直接通過(guò)電網(wǎng)儲(chǔ)能管理系統(tǒng)對(duì)分布于各地的儲(chǔ)能站實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度與遠(yuǎn)程監(jiān)控。BYD 在深圳龍崗建立了一座1 MW(4MWh)儲(chǔ)能電站。

2.3 相關(guān)專利申請(qǐng)狀況[6]

隨著先進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量也急劇增加。日本、美國(guó)和中國(guó)是先進(jìn)儲(chǔ)能專利申請(qǐng)最多的國(guó)家，也是市場(chǎng)開(kāi)拓最大的地區(qū)，占據(jù)了世界先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的前3位。國(guó)際先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域主要包括燃料電池輔助裝置方法、燃料電池零部件、活性材料組成或包括活性材料的電極、用催化劑活化的惰性電極、燃料電池及其制造等領(lǐng)域

圖1 世界先進(jìn)儲(chǔ)能專利申

請(qǐng)前20位國(guó)家、組織及區(qū)域分布

我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)專利申請(qǐng)?jiān)?6年之前增長(zhǎng)緩慢，主要是由于缺乏與國(guó)際的技術(shù)交流，以及本身發(fā)展緩慢造成，加入WTO之后，國(guó)外企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)意識(shí)到中國(guó)已經(jīng)成為國(guó)際儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要市場(chǎng)，紛紛在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)專利技術(shù)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)申請(qǐng)的專利比重曾一度降至最低點(diǎn)。但隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新能力不斷提高，國(guó)內(nèi)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)的專利比重逐年增加。

圖2 我國(guó)先進(jìn)儲(chǔ)能專利逐年申請(qǐng)情況

3 儲(chǔ)能技術(shù)的分類

3.1飛輪儲(chǔ)能[7,8]

飛輪儲(chǔ)能是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，在整個(gè)電能的存儲(chǔ)和釋放過(guò)程中都利用了電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能密度的大小是由飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小決定的。以目前的最好的碳素纖維復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，這種材料的飛輪轉(zhuǎn)子可以承受的最大線速度達(dá)到 1000m/s 以上，儲(chǔ)能密度可達(dá)到 230Wh/kg，預(yù)計(jì)正在研制的熔融石英材料的飛輪儲(chǔ)能密度可達(dá)到 800Wh/kg，碳納米管材料將使飛輪的儲(chǔ)能密度提高到 2700Wh/kg。隨著超導(dǎo)塊材的發(fā)展，采用超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能可以將軸承的摩擦系數(shù)降低到10-7，儲(chǔ)能能量密度和效率都得到了很大的提高。

飛輪儲(chǔ)能的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1)儲(chǔ)能密度高;比超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和一般的蓄電池都要高。

2)充放電時(shí)間短，且無(wú)過(guò)充放電問(wèn)題，壽命長(zhǎng);飛輪儲(chǔ)能充電只需要幾分鐘，

而不像化學(xué)電池需要幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命主要取決于其電力電子的壽命，一般可達(dá)到 20 年左右。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸有：

a) 技術(shù)成本相對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)比較高;

b) 軸承材料還有待進(jìn)一步的突破;

c) 自放電現(xiàn)象很嚴(yán)重。

3.2超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)[7]

SMES 是指利用超導(dǎo)線圈繞制的電感來(lái)儲(chǔ)存電能，因?yàn)槌瑢?dǎo)的零電阻特性使其具有超過(guò)常導(dǎo) 2個(gè)數(shù)量級(jí)的通流能力，所以SMES具有比較大的儲(chǔ)能密度，能量密度可達(dá) 108J/m3量級(jí)，而且通過(guò)直流電流時(shí)沒(méi)有焦耳損耗。在 SMES 中超導(dǎo)線圈的能量是以直流形式存儲(chǔ)，參與電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)是通過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交換的方式。SMES 裝置一般由超導(dǎo)磁體及低溫杜瓦、變流系統(tǒng)、制冷設(shè)備和測(cè)控系統(tǒng)四個(gè)主要部件組成。

相比其他儲(chǔ)能 SMES 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)響應(yīng)速度快，可以達(dá)到 1~5ms，這是其他的儲(chǔ)能達(dá)不到的響應(yīng)速度，這樣對(duì)電網(wǎng)發(fā)生的故障可以很快做出反應(yīng)，進(jìn)行功率的補(bǔ)償;

(2)通過(guò)變流器可以進(jìn)行四象限可控的功率交換，并可以同時(shí)進(jìn)行有功和無(wú)功的交換;

(3)可以短時(shí)間輸出很高的功率，能量損失小，系統(tǒng)效率高;輸出的功率密度很高，由于沒(méi)有直流電阻引起的焦耳熱，能量效率很高，理想可以達(dá)到 95%以上。

目前 SMES 廣泛應(yīng)用的主要問(wèn)題關(guān)鍵還在于超導(dǎo)材料的突破，包括材料的性能和成本等;以及低溫制冷技術(shù)的進(jìn)步。

3.3超級(jí)電容器

普通電解電容器由于材料和容量原因，其存儲(chǔ)能量過(guò)小，所以不能用作大的儲(chǔ)能應(yīng)用。超級(jí)電容器的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通電容器103倍以上。由于超級(jí)電容器自身的雙電層和內(nèi)阻較大的特點(diǎn)，使其具有很高的功率密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。與蓄電池和普通電容器相比，超級(jí)電容器的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1)功率密度很高：可達(dá)102~l05W/kg，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有蓄電池的功率密度水平;

2)循環(huán)壽命較長(zhǎng)：在上萬(wàn)次很短時(shí)間的高速深度循環(huán)后，超級(jí)電容器的性能依然變化很小，容量和內(nèi)阻僅降低 10%~20%;

3)工作溫度范圍：由于超級(jí)電容器中離子的吸脫附速度在低溫下變化很小，市場(chǎng)上商業(yè)化超級(jí)電容器的工作溫度范圍可達(dá)-30~60℃;

4)綠色環(huán)保：在超級(jí)電容器的生產(chǎn)過(guò)程中避免了使用重金屬等有害的化學(xué)物質(zhì)，因而是一種新型的綠色環(huán)保儲(chǔ)能裝置。

目前超級(jí)電容器的應(yīng)用比較廣泛，但在使用安全和穩(wěn)定上還有待加強(qiáng)。

3.4蓄電池儲(chǔ)能

在電網(wǎng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池。原理都是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，等需要時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)使用。鉛酸蓄電池發(fā)展使用的時(shí)間比較長(zhǎng)，技術(shù)也較成熟，并逐漸進(jìn)入以密封型免維護(hù)產(chǎn)品為主的階段，而且成本較低，能量密度則在各類電池中處于適中水平。在環(huán)境影響上，基于密封閥控型的鉛酸電池也具有較高的運(yùn)行可靠性，只是能量密度較一般，其劣勢(shì)已不甚明顯。

但是相比鉛酸電池，鈉硫電池和液流電池具有其它化學(xué)電池不具備的優(yōu)點(diǎn)：

1)存儲(chǔ)容量更大，可以達(dá)到幾百千瓦甚至上兆瓦，是普通鉛蓄電池的8~10倍;

2)鈉硫電池和液流電池?zé)o污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境有影響;

3)壽命高，穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)就是工作環(huán)境需要較高溫度，達(dá) 300℃~500℃，技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。

3.5 其他儲(chǔ)能方式[9]

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(kù)，對(duì)建站地點(diǎn)要求苛刻，但是運(yùn)行簡(jiǎn)單，可靠且使用期較長(zhǎng)[10]。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(zhǎng)，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[11]。熱能存儲(chǔ)常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來(lái)，這種儲(chǔ)能方式比較可靠，成本相對(duì)低廉。蓄冷常見(jiàn)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(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[12]。

表 1.1 幾種主要儲(chǔ)能技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

表 1.2 幾種主要儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用[13]

配電網(wǎng)主要面向電力負(fù)荷直接供電，且現(xiàn)階段用戶對(duì)電能質(zhì)量和電力品質(zhì)的要求越來(lái)越高，以及環(huán)境和政策因素使這種傳統(tǒng)的大電網(wǎng)已經(jīng)不能很好地滿足各種負(fù)荷的要求，儲(chǔ)能技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了新的路徑。儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中有非常大的市場(chǎng)前景，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電可靠性都有很大的提升。

4.1提供短時(shí)供電

微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式。在正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或發(fā)生電能質(zhì)量事件時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行。微電網(wǎng)在這兩種模式的轉(zhuǎn)換中，往往會(huì)有一定的功率缺額，在系統(tǒng)中安裝一定的儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存能量，就能保證在這兩種模式轉(zhuǎn)換下的平穩(wěn)過(guò)渡，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。在新能源發(fā)電中，由于外界條件的變化，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)常沒(méi)有電能輸出(光伏發(fā)電的夜間、風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)等)，這時(shí)就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)向系統(tǒng)中的用戶持續(xù)供電。

4.2電力調(diào)峰

由于微電網(wǎng)中的微源主要由分布式電源組成，其負(fù)荷量不可能始終保持不變，并隨著天氣的變化等情況發(fā)生波動(dòng)。另外一般微電網(wǎng)的規(guī)模較小，系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力較差，電網(wǎng)及負(fù)荷的波動(dòng)就會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成十分嚴(yán)重的影響。為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的峰值負(fù)荷，就必須使用調(diào)峰電廠來(lái)解決，但是現(xiàn)階段主要運(yùn)行的調(diào)峰電廠，運(yùn)行昂貴，實(shí)現(xiàn)困難。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，它可以在負(fù)荷低落時(shí)儲(chǔ)存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)節(jié)功率需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來(lái)越重要。它不僅避免了為滿足峰值負(fù)荷而安裝的發(fā)電機(jī)組，同時(shí)充分利用了負(fù)荷低谷時(shí)機(jī)組的發(fā)電，避免浪費(fèi)。

4.3改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量

微電網(wǎng)要作為一個(gè)微源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，必須達(dá)到電網(wǎng)對(duì)功率因數(shù)、電流諧波畸變率、電壓閃變以及電壓不對(duì)稱的要求。此外，微電網(wǎng)必須滿足自身負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求，保證供電電壓、頻率、停電次數(shù)都在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起著十分重要的作用，通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的控制，就可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)和負(fù)荷提供有功和無(wú)功，達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。

對(duì)于微電網(wǎng)中的光伏或者風(fēng)電等微電源，外在條件的變化會(huì)導(dǎo)致輸出功率的變化從而引起電能質(zhì)量的下降。如果將這類微電源與儲(chǔ)能裝置結(jié)合，就可以很好地解決電壓驟降、電壓跌落等電能質(zhì)量問(wèn)題。在微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，針對(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問(wèn)題，此時(shí)利用儲(chǔ)能裝置提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐，進(jìn)行有功或無(wú)功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

4.4提升微電源性能

多數(shù)可再生能源諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等，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(shí)發(fā)生變化。當(dāng)外界的光照、溫度、風(fēng)力等發(fā)生變化時(shí)，微源相應(yīng)的輸出能量就會(huì)發(fā)生變化，這就決定了系統(tǒng)需要一定的中間裝置來(lái)儲(chǔ)存能量[14]。如太陽(yáng)能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無(wú)風(fēng)的情況下，或者其他類型的微電源正處于維修期間，這時(shí)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能就能起過(guò)渡作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求。

5儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用[15]

5.1利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電穩(wěn)定性

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速吸收或釋放有功及無(wú)功功率的特點(diǎn)，對(duì)改善系統(tǒng)的功率平衡狀況以及提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性都有很大幫助。據(jù)目前的研究和仿真結(jié)果顯示，超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)降低并網(wǎng)處風(fēng)電的電壓波動(dòng)和平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出的波動(dòng)具有很好的效果，同時(shí)還能起到增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的作用。

另外風(fēng)電的穩(wěn)定還表現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定性，目前這方面問(wèn)題的研究主要集中在利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑風(fēng)電輸出功率頻率波動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)在學(xué)者的很多理論和試驗(yàn)研究結(jié)果，儲(chǔ)能系統(tǒng)確實(shí)能有效的改善風(fēng)電系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，且儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越大響應(yīng)速度越快效果越好。

故增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)的能力，如SMES、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等儲(chǔ)能方式，因?yàn)闀簯B(tài)過(guò)程中系統(tǒng)的各參量變化很快，因此就需要儲(chǔ)能裝置能夠快速補(bǔ)償功率不平衡量，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，上述提到的幾種儲(chǔ)能方式響應(yīng)速度可以達(dá)到1-20ms，在提高穩(wěn)定性的應(yīng)用中對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的要求卻不高。

5.2增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組 LVRT 功能

當(dāng)在電力系統(tǒng)中風(fēng)電容量所占比例較高時(shí)，風(fēng)電機(jī)組是否具有低電壓穿越能力是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性很關(guān)鍵的一個(gè)因素。有低電壓穿越功能的風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)時(shí)如外部電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，能夠有效解決故障所引起的電壓劇烈下降問(wèn)題，起到增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性的作用。而機(jī)組的低電壓穿越功能可以通過(guò)在變流器直流部分并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這種方式不僅能從根本上解決故障期間風(fēng)電機(jī)組過(guò)電流燒壞轉(zhuǎn)子或變流器的問(wèn)題，還可以很大程度上增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓引起機(jī)組退網(wǎng)運(yùn)行的功能。

5.3增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)功率穿越極限(WPP)

影響 WPP 水平的因素與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)，如頻率和電壓穩(wěn)定等因素，因此采用的儲(chǔ)能方式也就不盡相同。一般來(lái)說(shuō)采取一定的控制策略下，飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能通過(guò)與電網(wǎng)之間有功和無(wú)功功率的交換有效改善系統(tǒng)的頻率特性，改善并網(wǎng)處的電壓波動(dòng)性，從而增加系統(tǒng)的WPP。

5.4提高風(fēng)電場(chǎng)供電質(zhì)量

在提高電能質(zhì)量應(yīng)用方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用是快速的與系統(tǒng)之間進(jìn)行有功、無(wú)功功率交換，以此來(lái)有效改善電壓波動(dòng)性，如電壓暫降、波形畸變及閃變等。另外，解決電壓波動(dòng)、電壓暫降等電能質(zhì)量問(wèn)題主要是短時(shí)功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，這就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)具備ms級(jí)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的能力，結(jié)合前面對(duì)幾種儲(chǔ)能方式的分析，SMES、超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能都滿足要求。

5.5改善風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性

隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)電作為電源接入電網(wǎng)，將導(dǎo)致原有系統(tǒng)的備用容量增加，甚至還需要額外配備平衡穩(wěn)定裝置，使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有所降低。在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠得到很大的程度上的緩解，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)雙贏的目的。另外，在現(xiàn)今的電力市場(chǎng)環(huán)境下風(fēng)電面臨著成本較高、供電質(zhì)量不高等問(wèn)題，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力較差，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)配合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行，對(duì)有效的解決緩解實(shí)現(xiàn)風(fēng)電效益最大化是一個(gè)很好的途徑。

6儲(chǔ)能研究發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，各種儲(chǔ)能方法都不能完全兼顧安全性、高比功率、高比能量、長(zhǎng)使用壽命、技術(shù)成熟以及工作溫度范圍寬等多方面的要求，各種儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展還很不成熟，因此可大規(guī)模應(yīng)用于電網(wǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)還有很大的研究前景和發(fā)展空間。

(1) 研發(fā)快速高效低成本的儲(chǔ)能電池：現(xiàn)階段成本過(guò)高是儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模推廣運(yùn)用的最大瓶頸，提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要。

(2) 各種儲(chǔ)能技術(shù)的綜合應(yīng)用：由于各種儲(chǔ)能方法均存在著一定的缺點(diǎn)或者局限性，并且由于本身的固有特性對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)又要付出實(shí)現(xiàn)難易度以及成本上的代價(jià)，因此對(duì)各種方法有機(jī)結(jié)合則可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能量和功率等方面的多重要求，并且可以顯著延長(zhǎng)儲(chǔ)能元件的循環(huán)壽命，這也成為儲(chǔ)能研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。

(3) 儲(chǔ)能系統(tǒng)電網(wǎng)中應(yīng)用的分析理論和方法：在充分理解含儲(chǔ)能裝置在電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，研究?jī)?chǔ)能裝置內(nèi)部的復(fù)雜非線性電磁問(wèn)題，以及儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)中元件之間的相互作用。

(4) 研究有效的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略：研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)綜合特性，穩(wěn)態(tài)特性，暫態(tài)特性，充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng);提高傳統(tǒng)電源，新能源，負(fù)荷等數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)共享，合理安排充放電時(shí)間，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)利用效果。

7 結(jié)語(yǔ)

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)電網(wǎng)定將會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)具有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的，以清潔能源為主、化石能源為輔，發(fā)電和輸電系統(tǒng)適度發(fā)展，用電安全性、靈活性和服務(wù)品質(zhì)大幅提升，負(fù)荷調(diào)控系統(tǒng)合理配置，并輔之以高性能電力電子器件、柔性輸電、分布式電源、需求響應(yīng)、清潔能源高效控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的全新發(fā)展模式[16]。然而，僅依賴對(duì)間歇式新能源的精確預(yù)測(cè)和控制水平提升，并不能從根本上實(shí)現(xiàn)該類能源的綜合高效利用。只有將分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合大大提高了系統(tǒng)的能源利用率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。因此，加快發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，應(yīng)作為未來(lái)電網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展重點(diǎn)。

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