儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

呂長濤

（河北省電力建設(shè)第一工程公司 河北石家莊 050031）

儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

呂長濤

（河北省電力建設(shè)第一工程公司 河北石家莊 050031）

當(dāng)前，我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，電力公司、高科技公司以及電力用戶均開始關(guān)注電力儲(chǔ)存技術(shù)的潛力。目前，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從概念發(fā)展成為智能電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，本文主要針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用展開了具體分析。

儲(chǔ)能技術(shù)；電氣工程；應(yīng)用

1 引言

當(dāng)前，在新電改背景下，我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)迎來了重要發(fā)展機(jī)遇，其在解決可再生能源難題方面發(fā)揮著重要作用，并成為了我國新一輪的投資熱點(diǎn)。目前，儲(chǔ)能涉及的技術(shù)路線較多，大致可分為三大類：物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和其他儲(chǔ)能，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇、科學(xué)應(yīng)用，獲得最大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類及應(yīng)用模式

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)分類

依據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式，適用于微電網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)可包括三類：①機(jī)械儲(chǔ)能：壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能等。②電磁儲(chǔ)能：超級(jí)電容儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等。③電化學(xué)儲(chǔ)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。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用模式

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用模式包括功率型和容量型兩類，根據(jù)兩種模式及其適用場(chǎng)合的區(qū)別，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的性能要求也有所不同。①容量型：系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)、削峰填谷等運(yùn)行狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能元件的容量要求很高，能滿足此運(yùn)行模式要求的是容量型的儲(chǔ)能應(yīng)用模式。②功率型：要求儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度非常快，功率型的儲(chǔ)能應(yīng)用模式包括系統(tǒng)穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)應(yīng)用模式等。

電力系統(tǒng)的供給和負(fù)荷的需求實(shí)時(shí)處于平衡，平衡狀態(tài)的保持很大程度上受到儲(chǔ)能元件容量小的限制。大容量儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)生，打破了這種局限，其大規(guī)模的應(yīng)用，不但提高了供電質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性，并為更多的新能源系統(tǒng)連接到電網(wǎng)中提供了條件。

3 多元混合儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 超導(dǎo)和蓄電池混合儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是利用超導(dǎo)線圈將供電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)起來，需要時(shí)再將存儲(chǔ)的能量送回。

（1）超導(dǎo)儲(chǔ)能的特點(diǎn)：響應(yīng)快，效率高（可達(dá)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(jī)來維持冷卻劑的溫度，因而使系統(tǒng)變得復(fù)雜，需要做定期的維護(hù)。

（2）蓄電池儲(chǔ)能的特點(diǎn)：蓄電池儲(chǔ)能的應(yīng)用有利于解決高峰負(fù)荷時(shí)電能需求，并且能夠補(bǔ)償無功設(shè)備，抑制電壓閃變。同時(shí)，蓄電池價(jià)格便宜、可靠性好、技術(shù)非常成熟、實(shí)現(xiàn)大容量很容易。將超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和蓄電池混合應(yīng)用，可以有效控制電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，保證不間斷供電。

3.2 超級(jí)電容器和鋰電池混合儲(chǔ)能

鋰離子電池是一種新型的能量很高的二次電池，在電力工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)很多，如體積比較小、儲(chǔ)能密度很高、工作電壓高、自放電率小，而且輸出功率大，循環(huán)壽命長、無污染。然而鋰電子也存在著一些不足，如大規(guī)模生產(chǎn)鋰離子電池有一定難度，因?yàn)樗鼉?nèi)部的過充電保護(hù)電路和特殊的包裝造成了高成本。超級(jí)電容器的能量密度很低，超級(jí)電容器的能量密度是1～10wh/kg，是鋰電池的1/10。同時(shí)，超級(jí)電容的價(jià)格也很昂貴，是鋰電池的十倍以上，這也是它自身的一個(gè)局限。

將能量密度大的鋰電池和具有功率密度較小、快速充/放電、儲(chǔ)能效率高和壽命長等特點(diǎn)的超級(jí)電容器組成系統(tǒng)，就可以明顯減小電源的內(nèi)部損耗，進(jìn)而使電源的運(yùn)行時(shí)間有所增加，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較大。

3.3 壓縮空氣與釩液流電池混合儲(chǔ)能

近幾年，釩液流電池也成為一種非常新型的儲(chǔ)能方式，釩電池具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)主要有：①功率大，增加單個(gè)電池的數(shù)量和電極面積就可實(shí)現(xiàn)功率的增加；②容量大，增加電解液的容積即可任意調(diào)整容量；③效率高，釩電池的電極催化活性高；④效應(yīng)速度快，充、放電切換在運(yùn)行過程中僅需0.02s，響應(yīng)速度低于1ms。缺點(diǎn)是目前成本仍較高，規(guī)模仍然受儲(chǔ)能容量和功率的限制。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種可實(shí)現(xiàn)大容量高功率的儲(chǔ)能裝置。在用電的高峰期間，快速釋放并使用電能，這樣便實(shí)現(xiàn)了削峰填谷、平衡電力負(fù)荷的作用。壓縮空氣儲(chǔ)能可以提供穩(wěn)定電力，完成釋能過程，具有規(guī)模大、無污染、儲(chǔ)能周期長和不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)。鑒于壓縮空氣儲(chǔ)能和釩電池儲(chǔ)能特點(diǎn)的互補(bǔ)性以及提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性的需求，把釩液流電池/壓縮空氣混合儲(chǔ)能應(yīng)用到電氣工程領(lǐng)域中，可有效改善電源的性能，保證電氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 實(shí)例分析

本文主要就由超級(jí)電容器和蓄電池構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）展開具體分析。

蓄電池和超級(jí)電容器接入直流微電網(wǎng)的方式很多，其中最常見的三種方式如圖 1（a）、（b）、（c）所示。圖 1（a）為蓄電池組直接接入直流母線，而超級(jí)電容器通過DC/DC變換器接入直流母線；圖1（b）為蓄電池組通過DC/DC變換器接入直流母線，而超級(jí)電容器直接接入直流母線；圖1（c）為蓄電池和超級(jí)電容器分別通過DC/DC變換器接入直流母線。由于蓄電池或超級(jí)電容器直接接入直流母線，無法實(shí)現(xiàn)充放電電流的有效控制，可控性低，很容易因過流、過壓等原因造成蓄電池或超級(jí)電容器損壞，為此本文采用圖1（c）所示的并聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 蓄電池和超級(jí)電容器接入直流母線方式

由于光伏等DG也具有一定的脈動(dòng)性，為了簡化分析，本文用脈動(dòng)負(fù)荷Rload2（如圖3所示）來等效DG及實(shí)際脈動(dòng)負(fù)荷。圖2為簡化后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理圖。圖中，Sw（1）、Sw（2）為切合直流斷路器，用來控制各端口的投切；K1、K2為保護(hù)直流斷路器，啟動(dòng)后為常閉狀態(tài)，在出現(xiàn)過壓、過流等故障時(shí)斷開；Rs為啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)階段與K1配合，避免啟動(dòng)瞬間沖擊電流對(duì)裝置的影響；為儲(chǔ)能電感，Csc、Cbat為濾波電容，SR1、SR2為負(fù)荷斷路器，Rload1、Rload2分別為固定負(fù)荷和等效脈動(dòng)負(fù)荷；isc、ibat分別為超級(jí)電容器組和蓄電池組充放電電流，Udc為直流母線電壓，iload為負(fù)荷電流。

針對(duì)脈動(dòng)功率突變對(duì)直流母線電壓、蓄電池組正常運(yùn)行造成劇烈沖擊的問題，提出了一種基于移動(dòng)平均濾波算法的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量分配控制策略（圖3），該控制策略以優(yōu)化蓄電池組充放電為目標(biāo)。首先，通過移動(dòng)平均濾波算法將脈動(dòng)負(fù)荷功率進(jìn)行濾波，得到Pload2；然后將Pload2與Pload1相加，計(jì)算出Pbat；而負(fù)荷實(shí)際消耗功率Pload與蓄電池組端口實(shí)時(shí)功率傳輸值Pbat_t的功率差值由超級(jí)電容器通過對(duì)直流母線電壓閉環(huán)控制快速補(bǔ)償。

圖2 簡化后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理圖

圖3

最后，為驗(yàn)證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略對(duì)優(yōu)化蓄電池組充放電的有效性，需對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文開發(fā)了額定功率3.6kW，50～80V/130V，可接入1組超級(jí)電容器組、1組蓄電池組的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和直流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的能量分配策略的有效性，該控制策略在保證直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，利用超級(jí)電容器很大程度上優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，延長了蓄電池使用壽命，其可應(yīng)用于含有脈動(dòng)荷載較多的孤立直流微電網(wǎng)或直流艦船、航空航天等領(lǐng)域，在滿足負(fù)荷即插即用性要求的同時(shí)，有效提高系統(tǒng)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

綜上所述，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、容量調(diào)節(jié)等價(jià)值，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)受到了全球關(guān)注，近幾年來，我國政府及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)我國在規(guī)模化儲(chǔ)能、微電網(wǎng)儲(chǔ)能、分布式可再生能源儲(chǔ)能、通訊基站儲(chǔ)能、工業(yè)節(jié)能用儲(chǔ)能技術(shù)、家庭儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域的需求，積極組織實(shí)施儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，推動(dòng)前瞻性關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

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TM61

A

1004-7344（2016）12-0093-02

2016-4-9

呂長濤（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事火電、核電廠建設(shè)，電氣熱控技術(shù)管理工作。