新型混合儲能技術在微電網中的應用研究

張曉紅，馬 列，李美林

（1.山西大學，山西 太原030013；2.沈陽工程學院 ，遼寧 沈陽110136；3.大連交通大學 ，遼寧 大連116028）

0 引 言

近年來，電網建設顯然不能隨用電負荷的增加而同步發展，這就要求在遠距離輸送電能時增加線路的輸送容量，從而導致電網運行可靠性降低，同時大電網跟蹤電力負荷變化的靈活性不強，存在著很大的安全隱患問題。為了解決存在的問題，微電網應運而生。

微電網中加入儲能元件后，對需求側可以實現有效地管理控制，平滑地切換負荷，消去晝夜之間峰谷差，在降低供電成本和設備利用上有顯著的效益。微電網中的儲能元件充放電頻繁，而且功率很大，同時深度放電，而單一的儲能元件的能量密度較低，很難滿足微電網的運行要求，因此，由多種儲能元件組成的混合儲能系統推動微電網的發展具有重要的意義［1-3］。

1 儲能技術的分類及應用模式

1.1 儲能技術的分類

依據微電網的運行模式，適用于微電網的儲能技術可包括三類：

（1）機械儲能：壓縮空氣儲能、抽水蓄能、飛輪儲能等。

（2）電磁儲能：：超級電容儲能和超導磁儲能等。

（3）電化學儲能：蓄電池、氫鎳電池、鎘鎳電池、鋰離子電池、釩液流和鈉流電池等。

1.2 儲能技術的應用模式

儲能技術的應用模式包括功率型和容量型兩類，根據兩種模式及其適用場合的區別，對儲能技術的性能要求也有所不同。

（1）容量型

在微電網運行中，系統的頻率調節，削峰填谷等運行狀態對儲能元件的容量要求很高，能滿足此運行模式要求的是容量型的儲能應用模式。

（2）功率型

要求儲能系統的響應速度非常快，在電網功率切換的瞬間能給予有力支撐的是功率型的儲能應用模式，功率型的儲能應用模式包括系統穩定控制和電能質量調節應用模式等［1-3］。

電力系統的供給和負荷的需求實時處于平衡，平衡狀態的保持很大程度上受到儲能元件容量小的限制。大容量儲能技術的產生，打破了這種局限，其大規模的應用不但提高了供電質量和電網穩定性，并為更多的新能源系統連接到電網中提供了條件。

2 混合儲能技術在微電網中的必要性

微電網系統是由微電源與負荷構成，它可為負荷提供電和熱。微電網電源間的能量轉換需要由電力電子設備完成，為了提高供電的可靠性，微電網和大電網之間能量的交換是通過PCC完成［4］。圖1是微電網的結構框圖，其中可作為微電源的有光伏發電、燃料電池、微型燃氣輪機等。

圖1 微電網的結構圖

微電網的運行狀態：孤島和并網。作為微電網中的微電源主要由變流器和儲能裝置構成，在孤島運行時，儲能系統加速切換時間，進一步提高電能的質量，在并網運行時，儲能系統實現儲能的作用［4］。

微電網儲能要求不間斷和有一定的儲能容量，同時還要保證供電的良好品質，在這樣的背景下，單一的儲能元件很難滿足全部要求，為了發揮儲能技術的最優性能，采用混合儲能技術通過能量型和功率型儲能元件有機結合，將響應速度快和儲能容量大的儲能元件配合使用，可以滿足微電網對儲能系統功率和能量的多重要求。

3 應用于微電網的多元混合儲能方式

3.1 超導和蓄電池混合儲能

超導儲能系統主要是利用超導線圈將電網中供電勵磁產生的磁場能量存儲起來，若電網需要時再將存儲的能量送回。

超導儲能有幾個明顯特征：響應快，效率高（可達95%），無噪聲污染，可靠性較高。其最大的不足是成本太高，另外需要泵和壓縮機來維持冷卻劑的溫度，因而使系統變得復雜，需要做定期的維護。

蓄電池儲能的特點是：既能解決系統高峰負荷時電能需求，也可用來補償無功設備，抑制電壓閃變。同時價格便宜、可靠性好、技術非常成熟、實現大容量很容易等。將超導磁儲能和蓄電池混合應用，可以實現穩定微電網的頻率，控制微電網電壓的瞬時波動，保證給用戶提供不間斷供電等功能，進而提高供電質量。

3.2 超級電容器和鋰電池混合儲能

鋰離子電池是一種新型的能量很高的二次電池，在電力領域中應用廣泛。它的優點很多，如體積比較小、儲能密度很高、工作電壓高、自放電率小，而且輸出功率大，循環壽命長、無污染。然而鋰電子也存在著一些不足，如大規模生產鋰離子電池有一定難度，因為它內部的過充電保護電路和特殊的包裝造成了高成本。

超級電容器的能量密度很低［5］。超級電容器的能量密度是1～10 wh／kg，是鋰電池的1／10。同時超級電容的價格也很昂貴，是鋰電池的十倍以上。價格昂貴是它自身的一個局限。

把能量密度大的鋰電池和具有功率密度較小、快速充／放電、儲能效率高和壽命長等特點的超級電容器組成系統，就可以明顯減小電源的內部損耗，進而使電源的運行時間有所增加，使得它在微電網中的應用有很大的優勢。

3.3 壓縮空氣與釩液流電池混合儲能

近幾年，釩液流電池也成為一種非常新型的儲能方式，釩電池具有特殊的電池結構，其優點主要有：

（1）功率大，增加單個電池的數量和電極面積就可實現功率的增加；

（2）容量大，增加電解液的容積即可任意調整容量；

（3）效率高，釩電池的電極催化活性高；

（4）效應速度快，充、放電切換在運行過程中僅需0.02 s，響應速度低于1 ms。

缺點是目前成本仍較高，規模仍然受儲能容量和功率的限制。因此，釩液流電池容量大、功率高可用于微電網調峰；利用充放電速度快可起到提高電能質量的作用；響應迅速快還可以保證微電網中間歇式電源輸出穩定電能［6］。

壓縮空氣儲能系統是一種可實現大容量高功率的儲能裝置。在用電的高峰期間，快速釋放并使用電能，這樣便實現了削峰填谷、平衡電力負荷的作用。

壓縮空氣儲能可以提供穩定電力，完成釋能過程，具有規模大、無污染、儲能周期長和不受地理條件限制等優點。鑒于壓縮空氣儲能和釩電池儲能特點的互補性以及提高微電網穩定性的需求，把釩液流電池／壓縮空氣混合儲能應用到微電網中，使微電網內部能量達到瞬時平衡，可靠地保證了微電網的平穩運行以及改善了微電源的性能。

4 結束語

隨著微電網的不斷建設，各種儲能技術的配合使用及其協調發展，不僅支撐著微電網有條不紊的穩定運行，還提高了微電網的電能質量和經濟效益。由此可見，混合儲能技術在微電網中廣泛應用，已然成為改善微電網電能品質的非常有效手段。

［1］周 林，黃 勇，郭 珂，馮 玉.微電網儲能技術研究綜述［J］.電力系統保護與控制，2011，39（7）：148-152.

［2］陳 深，毛曉明，房 敏，劉文勝.微電網中儲能技術研究進展與展望［J］.廣東電力，2014，27（2）：12-16.

［3］王文星，路進升.微電網儲能電源的選擇及混合應用［J］.電源技術，2013，（9）：1697-1699.

［4］楊心麗，羅銳利，奚培鋒.分布式發電并網技術的研究［J］.低壓電器，2012，23（15）：50-65.

［5］閆曉金，潘艷，寧武，陳永真.超級電容-蓄電池復合電源結構選型與設計［J］.電力電子技術，2010，44（5）：75-77.

［6］張聞一，王松楠，張師，張會強.釩電池技術在微電網儲能系統中的應用［J］.電氣開關，2015，（1）：88-91.