储能技术在分布式发电中的应用

标签：智能电网 储能技术 可再生能源 分布式发电

摘要 储能方式主要有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容器储能;电化学储能包括铅酸、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括蓄热和蓄冷储能等。本文着重分析了它们的技术现状、发展前景及优缺点，并针对分布式发电不同应用场合进行了探讨。

1 引言

可再生能源在未来的能源结构中将占有极其重要的位置。风能、太阳能等可再生能源发电具有随机性和间歇性，会对电网将产生冲击，严重时将引发大规模恶性事故，这就需要在直流母线或交流系统中具备一定的储能以跟踪负荷的变化。因此，研发高效储能装置及其配套设备，与风电/光伏发电机组容量相匹配，支持充放电状态的迅速切换，确保系统的安全稳定已成为可再生能源充分利用的关键[1-2]。另外，分布式发电系统，特别是在基于可再生能源的分布式发电(distributed generation，DG)中加入蓄能装置可以有效地提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的经济性[3-4]。

2 储能技术发展现状

2.1 飞轮储能

飞轮储能以动能的形式存储能量，经过功率变换器，完成机械能—电能相互转换。飞轮储能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，循环使用寿命长，工作温区较宽，无噪声，无污染，最大容量已达5kW·h[5]。主要用于不间断电源(uninterruptedpower supply，UPS)/应急电源(emergency powersystem，EPS)、电网调峰、频率和电能质量控制[6]。2000年，美国宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作单位研制的飞轮转速达60kr/min(revolutionsper minute)，这标志着飞轮电池在技术上可以取代化学电池。高温超导飞轮储能系统具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、维护容易等优点，预计未来5年内将首先在电力调节、UPS等领域实现商业应用。

2.2 超导磁储能系统

超导磁储能系统(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超导线圈储存磁场能量，能量交换和功率补偿无需能源形式的转换。具有响应速度快、转换效率高、比容量/比功率大、寿命长、污染小等优点，且没有旋转机械部件和动密封问题。主要用于输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力[7-8]。已有研究表明，对于输配电应用而言，微型(0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系统更为经济[3]。

2.3 超级电容器储能

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电速度快，放电电流仅受内阻和发热限制，能量转换率高，循环使用寿命长，放电深度深，长期使用免维护，低温特性好，没有“记忆效应”。历经纽扣型、卷绕型和大型三代，已形成电容量0.5~1000F、工作电压12~400V、最大放电电流400~2000A系列产品。但超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合。目前，基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代超级电容器正在开发中[9-10]。

2.4 蓄电池储能系统

目前在分布式发电中应用最为广泛，但存在初次投资高、寿命短、环境污染等诸多问题。根据所使用的不同化学物质，蓄电池可以分为许多不同类型。

铅酸电池价格便宜，技术成熟，在发电厂、变电所供电中断时能发挥独立电源的作用，并为断路器、继保装置、拖动电机、通信等提供电力。然而，其循环寿命较短，具有较低的比功率，且在制造过程中存在环境污染。锂离子(钴酸锂为正极)电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好，但性能易受工艺和环境温度等因素的影响。目前，磷酸基为正极材料的磷酸铁锂电池以其超长的循环寿命，良好的安全性能，较好的高温性能，有望在数年内成为铅酸电池的有力竞争者[11]。

钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。钠硫电池储能密度高，体积仅为普通铅酸蓄电池的1/5，系统效率可达80%，单体寿命超过10年，且循环寿命超过6000次，便于模块化制造，建设周期短[12]。液流电池电化学极化小，能够100%深度放电，储存寿命长，额定功率和容量相互独立，并可自由设计储藏形状。液流电池已有钒–溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体系，其中，全钒液流电池可避免正负极活性物质交叉污染，成本低、寿命长，已成为液流电池体系中主要的商业化发展方向[13]。

2.5 其他储能方式

其他储能方式包括抽水蓄能、压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)、蓄热和蓄冷储能等。抽水蓄能电站必须配备上、下两个水库，对建站地点要求苛刻，但是运行简单，可靠且使用期较长[14]。CASE电站建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，寿命长，响应速度快，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制[15]。热能存储常和STES(solar thermal electric steam)电厂结合起来，这种储能方式比较可靠，成本相对低廉。蓄冷常见的主要是水蓄冷和冰蓄冷，转换效率分别为90%和80%。水蓄冷优点是不改变制冷机的空调工况，但水的蓄冷密度低(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池体积大，冷量损耗也大。冰蓄冷相变潜热为334.4kJ/kg，容积大幅减小，这种系统运行管理方便，能为系统提供2℃~4℃的冷冻水，主要缺点是需要较大的制冷量[16]。表1为部分储能技术的性能比较。

3 分布式系统对储能的要求

分布式发电是发电单元和储能单元的组合，光伏、风电和燃料电池都是非常典型的分布式电源。具有以下特点：①非常接近终端用户;②容量很小，一般为几十千瓦到几十兆瓦;③能孤立运行或者并网，一般接在380V或10kV线路上[2]。此外，光伏发电中的储能装置，常处于放电状态，放电深度不规则，而且一次充电时间短。而风电系统中的储能装置，放电时间分布比较均匀，充放电率比光伏大得多，也很少会处于欠充电状态。

3.1 并网运行的一般要求

分布式电源所产生的电能具有显著的随机性和不确定性特征，并网对系统的影响主要取决于其穿透功率极限，根据欧洲国家的一些统计数据，穿透功率达到10%是可行的。所以，除非很大的负荷就在并网逆变器附近或者电网很弱，可以认为DG发出的功率完全被电网吸收[17]，但能量存储可起到平抑系统扰动、维持发电/负荷动态平衡、保持电压/频率稳定的重要作用。要达到维持发电/负荷动态平衡的目的，储能必须具有大容量能量/功率吞吐能力。而为了保持系统电压/频率稳定，储能就得具有ms级响应速度和一定容量的功率补偿能力。基于光伏功率预测的并网光伏储能容量计算：