標簽：智能電網 儲能技術 可再生能源 分布式發(fā)電

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

1 引言

可再生能源在未來的能源結構中將占有極其重要的位置。風能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機性和間歇性，會對電網將產生沖擊，嚴重時將引發(fā)大規(guī)模惡性事故，這就需要在直流母線或交流系統(tǒng)中具備一定的儲能以跟蹤負荷的變化。因此，研發(fā)高效儲能裝置及其配套設備，與風電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，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)的經濟性[3-4]。

2 儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 飛輪儲能

飛輪儲能以動能的形式存儲能量，經過功率變換器，完成機械能—電能相互轉換。飛輪儲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5kW·h[5]。主要用于不間斷電源(uninterruptedpower supply，UPS)/應急電源(emergency powersystem，EPS)、電網調峰、頻率和電能質量控制[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速達60kr/min(revolutionsper minute)，這標志著飛輪電池在技術上可以取代化學電池。高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)具有控制簡單、儲能密度大、效率高、壽命長、維護容易等優(yōu)點，預計未來5年內將首先在電力調節(jié)、UPS等領域實現(xiàn)商業(yè)應用。

2.2 超導磁儲能系統(tǒng)

超導磁儲能系統(tǒng)(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超導線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉換。具有響應速度快、轉換效率高、比容量/比功率大、壽命長、污染小等優(yōu)點，且沒有旋轉機械部件和動密封問題。主要用于輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節(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，對于輸配電應用而言，微型(0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系統(tǒng)更為經濟[3]。

2.3 超級電容器儲能

超級電容器根據(jù)電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電速度快，放電電流僅受內阻和發(fā)熱限制，能量轉換率高，循環(huán)使用壽命長，放電深度深，長期使用免維護，低溫特性好，沒有“記憶效應”。歷經紐扣型、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系列產品。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量高峰值功率場合。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 蓄電池儲能系統(tǒng)

目前在分布式發(fā)電中應用最為廣泛，但存在初次投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。根據(jù)所使用的不同化學物質，蓄電池可以分為許多不同類型。

鉛酸電池價格便宜，技術成熟，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時能發(fā)揮獨立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動電機、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能電池。鈉硫電池儲能密度高，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，建設周期短[12]。液流電池電化學極化小，能夠100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨立，并可自由設計儲藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個體系，其中，全釩液流電池可避免正負極活性物質交叉污染，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 其他儲能方式

其他儲能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個水庫，對建站地點要求苛刻，但是運行簡單，可靠且使用期較長[14]。CASE電站建設投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，響應速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[15]。熱能存儲常和STES(solar thermal electric steam)電廠結合起來，這種儲能方式比較可靠，成本相對低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點是不改變制冷機的空調工況，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)運行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點是需要較大的制冷量[16]。表1為部分儲能技術的性能比較。

3 分布式系統(tǒng)對儲能的要求

分布式發(fā)電是發(fā)電單元和儲能單元的組合，光伏、風電和燃料電池都是非常典型的分布式電源。具有以下特點：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能孤立運行或者并網，一般接在380V或10kV線路上[2]。此外，光伏發(fā)電中的儲能裝置，常處于放電狀態(tài)，放電深度不規(guī)則，而且一次充電時間短。而風電系統(tǒng)中的儲能裝置，放電時間分布比較均勻，充放電率比光伏大得多，也很少會處于欠充電狀態(tài)。

3.1 并網運行的一般要求

分布式電源所產生的電能具有顯著的隨機性和不確定性特征，并網對系統(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)計數(shù)據(jù)，穿透功率達到10%是可行的。所以，除非很大的負荷就在并網逆變器附近或者電網很弱，可以認為DG發(fā)出的功率完全被電網吸收[17]，但能量存儲可起到平抑系統(tǒng)擾動、維持發(fā)電/負荷動態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達到維持發(fā)電/負荷動態(tài)平衡的目的，儲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，儲能就得具有ms級響應速度和一定容量的功率補償能力?；诠夥β暑A測的并網光伏儲能容量計算：