微網能量管理及混合儲能技術的研究

池鳳泉 王書明 鞏倫才 陳建波

[摘? ? 要]現有研究和實驗表明，微網是將分布式能源整合到網絡中的有效途徑之一，它們與大網絡相互支持，首先分析了微電網的功能，它不僅可以提高分布式發電的利用率，而且可以有效地保證供電的可靠性，提高了系統的質量性能和穩定性。文章介紹了飛輪儲能、電池儲能、超級電容儲能和超導儲能技術的性能和優勢，根據微電網對儲能設備的需求，對各種儲能技術的應用進行了闡述。

[關鍵詞]微網;能量管理;混合儲能;技術研究

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–00–02

Research on Microgrid Energy Management and Hybrid Energy Storage Technology

Chi Feng-quan，Wang Shu-ming，Gong Lun-cai，Chen Jian-bo

[Abstract]Existing research and experiments show that microgrids are one of the effective ways to integrate distributed energy into the network. They support each other with large networks. First， the functions of microgrids are analyzed. It can not only improve the utilization of distributed power generation It can effectively ensure the reliability of power supply and improve the quality， performance and stability of the system. The performance and advantages of flywheel energy storage， battery energy storage， supercapacitor energy storage and superconducting energy storage technology are introduced. According to the requirements of microgrid for energy storage equipment， the application of various energy storage technologies is explained.

[Keywords]microgrid; energy management; hybrid energy storage; technology research

可再生能源的開發利用是未來網絡發展的必然趨勢。然而，大多數可再生能源分散且不穩定，近幾年來，人們發現建立微網是解決這些問題的有效途徑之一。微網由電源和負載組成，可以為用戶安全供電。為了解決可再生能源的問題，實現分布式電源配電體系，建立一個合適的儲能系統，是當今世界的熱門話題。隨著時間的推移，建立了固定數量的微電網試驗基地。

1 微電網儲能裝置在微電網中的作用

微電網有兩種運行方式。如果電網發生故障或電流波動過大，應斷開與電網的連接。氣輪機和電池的反應速度較慢，而快速的負載流動情況會給微型計算機帶來很大的問題，這種恒容量設備可以增加系統的慣性，增強系統的動態反應速度，以及提高系統的性能質量和整體穩定性與安全性;微網存儲設備的功能主要包括以下幾個方面：

（1）如果儲能系統在微網上運行。

（2）如果儲能大于所需能量，電源不足，則功率由負載決定，提高能源系統的穩定性和性能。

這方面的例子是風能和發電的性能質量，該儲能裝置能在能源市場有充足電能的環境下提高發電機的輸出電壓和頻率，市場價格高于生產成本，并將剩余能源出售，以達到經濟效益。

2 微電網統一規劃、調整和優化

不同能源的協調控制使微網穩定、可靠、經濟地運行，將能源管理的主要功能整合起來，形成中央控制，成為一種能源管理策略。協調配電和供電、計劃并適應生產，電源需要一個本地控制器（LCS）來響應中央控制命令。

（1）根據中短期負荷預測和年發電量預測，將能源管理中對微電源和負荷的實時控制和狀態信息納入能源管理的長期規劃和短期適應相關的生產計劃，以暫時解決能源之間的能量分配問題。

（2）為了達到功率平衡、電壓穩定和頻率穩定的目的，應根據系統狀態調整每個微電流源的性能參考值，使系統在氣候或負荷變化的影響下暫時不穩定。

3 儲能技術比較

根據儲能類型的不同，可儲存在物理儲能（如泵儲能）、電化學能（多電池儲能）、電能（超級電容儲能），磁能（超導儲能）等微電網儲能裝置，具有效率高、噪聲大、速度快、使用壽命長、維護更舒適等特點。并且它可以擴展容量，實現模塊對各種類型的儲能技術的比較。

3.1 飛輪儲能

飛輪儲能是一種無噪聲、無排放的物理能，飛輪儲能密度高，效率達90 %以上，循環使用壽命可達20a，工作溫度范圍為-40～50 ℃，可采用組合方式實現。但飛輪儲能在大容量系統中的應用，輸出時間短，放電深度低，價格高，維護成本高，經濟和安全也會受到限制。

3.2 電池儲能

正負極間的氧化還原反應是用來給電池充電和卸載的。根據所用化學物質的不同，蓄電池的儲能方式可分為不同的類型。

鉛酸蓄電池由于其發展較早，技術成熟，在電網中廣泛分布，當時的儲能系統容量為50 MW。與其他儲能系統相比，該儲能系統具有可靠性好、原料易獲取、價格低廉等優點。缺點是能量密度和功率密度低，壽命短，制造加工過程中維護量大，環境污染大，不建議使用。

鋰離子電池是一種儲能容量達兆瓦、高能量密度的高能二次電池。溫度范圍寬，裝卸速度快，使用壽命長。它具有無污染的優點，然而，鋰離子電池在安全性方面還存在一些問題，這是其高容量的主要障礙。過量充電是引起鋰離子的最危險因素，也是電池不安全行為的原因之一。

鈉硫電池是一種高能電池。鈉硫細菌儲存的能量通常是電池的5倍（同等質量），這得益于無排放、使用壽命長和維護成本低。缺電是成本高，原材料工作溫度高，高溫是限制鈉硫電池大規模使用的最重要因素。

釩電池是一種流動電池。儲能范圍靈活，適用于大型儲能系統。通過增加反應器的功率，可以通過增加儲能容量或提高電解液濃度來增加電池容量，釩的使用壽命長，再生率可達13000次以上，遠高于其他電池。反應速度快（MS級），可在室溫下工作。

3.3 超級電容儲能

超級電容器具有高功率密度，可以快速充電和卸載。可靠性高，使用壽命長，裝卸次數10萬次以上，工作溫度寬，工作溫度-40～70℃;維護簡單，無污染，維護成本低。缺點是能量密度低，價格高。超級電容器和電池的性能是非常互補的，不僅能顯著提高高峰值輸出功率，而且可以提高電能質量。它還降低了電源、電源的體積和質量，減少了內部損耗。延長電源的使用壽命。

3.4 超導儲能

超導磁儲能是利用超導線圈來儲存電能，而長期儲存未損壞的電能效率高。反應快，體積密度高，工作密度高，使用壽命長，無污染。缺點是超導材料的工作溫度很高，超導線圈需要液氦來冷卻。對于高溫超導材料，其溫度僅為77K，維護量大，是制約超導儲能質量單一應用程序的瓶頸。

4 微網儲能系統

微網儲能系統有5種儲能方式。根據儲能方式的不同，還有不同的技術指標。

（1）保證供電的可靠性：如果一個大電網發生故障，可作為應急電源（如可中斷電源）轉換為獨自運行，電源儲能系統要求反應速度足夠快。

（2）保證性能質量，如應力補償。確保服務質量要求，能源系統的容量足夠大。

（3）可再生能源發電：例如限制波動和中斷風能。

（4）提高用電效率：例如，將電能儲存在低功耗中，以備將來電網放電，以降低電網的峰值壓力。

（5）使用壽命長，環保，維修方便。

為了選擇合適的微電網儲能裝置，對各種技術的性能進行了綜合比較。發現飛輪具有較長的儲能壽命。高效率、無排放、高放電深度、高功率密度，確保可靠的能源供應和儲能。電池儲存技術是鉛酸電池儲存技術最成熟、最便宜的，但壽命短、維護保養、環境污染;鋰離子電池使用壽命長、效率高，但容易爆炸和燃燒，安全性低;鈉硫電池更節能，無污染，但價格昂貴，且溫度限制。在使用范圍內，電池儲能可以保證電能質量，提高電能效率。但從使用、安全、環保和發展的角度來看，鉛酸、鋰、鈉硫電池不易使用。相比之下。全釩液流電池、超水平電容器和超導儲能器響應速度快。可作為儲能裝置，保證供電可靠性。選擇用于生產可再生能源的儲能裝置，為了滿足大容量和高響應速度的要求，可以選擇超級電容器等混合儲能方式。

5 微網能源管理策略

5.1 風、光微電管理

光伏電源和雙電源風力發電機組是風電儲能微網的一部分。電力的發展和低碳經濟的需要，要求微網的運行最大限度地利用新能源，這樣風能和太陽能微能通常發揮最大的作用動力。為了一種特定的風力發電模式，可根據風電的具體需求進行棄電。

5.2 需求側管理

在能源管理中，需求側管理也非常重要。本文將風能儲存在大負荷和可控負荷下，如果系統總功率低于負荷要求，有必要根據其重要性對負荷進行降低。為此，根據負荷分離的電耗結果，確定能切斷可控負荷、保證重要負荷不間斷供電的負荷分離系統。能源管理系統收集的電力消耗要求和單個微電源的狀態，當風和光照增加可控負荷時，微功率有一定的緯度。

5.3 協調管理的混合儲能

超級電容混合儲能系統具有功率密度高、反應速度快、循環時間長等特點。適用于處理由于外部環境變化引起的臨時波動以及負荷波動現象。但是，由于能量密度較低，鋰電池具有能量密度高的優點，但是頻繁的充放電會顯著影響鋰電池的使用壽命。這就是為什么鋰電池是根據預測計劃的，超級電容器負責實時的功率平衡和進度調整。

6 結束語

隨著分布式發電的大量開發和使用，微電網接入電網將優化能源結構，提高用電效率，提高能源系統的安全性具有十分重要的意義。微電網配有固定容量儲能裝置。通過合理的控制，可以增加系統慣性，穩定系統波動，改善系統波動的電能質量，提高系統的穩定性。本文介紹并比較了現有的各種儲能方式和不同的儲能方式。針對目前的研究現狀和發展狀況，提出在微網儲能中選擇大容量儲能方式時，應優先考慮全釩儲能裝置，在大容量、快反應速度的儲能方式中，應優先選擇超導儲能和循環儲能方式，當采用全釩電池或超級電容器時，最好采用混合電池組合儲能。

參考文獻

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