新能源并網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述

孫 曉，李 妍

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司 市北供電中心，山東 青島 266000；2.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)能源資源和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的日益重視，減少煤炭、石油等化石能源燃燒，加快開(kāi)發(fā)和利用新型能源，已成為全球的普遍共識(shí)和戰(zhàn)略行動(dòng)。以微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、光伏、風(fēng)電、水電、海洋潮汐能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能等利用清潔能源發(fā)電單元構(gòu)成的分布式電源和其構(gòu)成的微電網(wǎng)就近接入配電網(wǎng)，可有效減少環(huán)境污染，提高能源利用率[1]。研究發(fā)現(xiàn)，分布式電源接入配電網(wǎng)支線路末端可有效減少線路損耗，提升線路末端電壓，減少電力系統(tǒng)供電壓力，保障對(duì)重要用戶的可靠供電。獨(dú)立型的微網(wǎng)還可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島地區(qū)用電困難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大地區(qū)聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。分布式電源以風(fēng)電雙饋感應(yīng)電機(jī)發(fā)電為例，在提供線路末端電壓支撐、減小網(wǎng)損的同時(shí)，可以調(diào)節(jié)其無(wú)功出力大小參與配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化，減少大電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化壓力，可在滿足電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償或電源優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)網(wǎng)損最小，提高電壓穩(wěn)定可靠性和減少經(jīng)濟(jì)成本[3]。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的快速增長(zhǎng)，研究分布式電源的輸出特性和并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、潮流分布、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和并網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃等方面帶來(lái)的影響越來(lái)越重要。而電能的不可大量長(zhǎng)久存儲(chǔ)一直是一個(gè)難題，電儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用使得電能、熱能、機(jī)械能存儲(chǔ)成為可能。隨著新能源領(lǐng)域的發(fā)展，分布式電源電能儲(chǔ)存也相當(dāng)關(guān)鍵。風(fēng)電、光伏發(fā)電由于其輸出隨機(jī)性、波動(dòng)性和無(wú)法大量?jī)?chǔ)存，決定了棄風(fēng)和棄光程度[4]。

1 分布式電源分類

分布式電源是指為滿足負(fù)荷附近用電需求就近接入中低壓配電網(wǎng)的電源，具有裝機(jī)規(guī)模小、清潔能源保護(hù)環(huán)境、降低大電網(wǎng)供電壓力、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)[5]。分布式電源和一定負(fù)荷可形成微網(wǎng)，特定運(yùn)行方式下可不受大電網(wǎng)調(diào)控影響孤島運(yùn)行，減少電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有并網(wǎng)分布式電源主要有風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池以及生物質(zhì)能發(fā)電等[6]。

1.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電通過(guò)風(fēng)吹葉片驅(qū)動(dòng)輪轂，經(jīng)過(guò)齒輪箱變速帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能接入電網(wǎng)，是除水電以外技術(shù)最成熟、成本最低、開(kāi)發(fā)潛力最大的可再生能源，已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。它的輸出功率由風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速、地理位置決定，在新能源發(fā)展中占有重要地位。目前，如何促進(jìn)分布式風(fēng)電消納關(guān)鍵技術(shù)和減少棄風(fēng)度是研究的關(guān)鍵[7-8]，而由風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的氣候變化也值得重視。

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏電池利用半導(dǎo)體材料（如單晶硅、多晶硅）在一定光照強(qiáng)度下產(chǎn)生的光電效應(yīng)，通過(guò)單體電池串并聯(lián)形成列陣，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，然后根據(jù)負(fù)荷需求通過(guò)并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為可以使用的交流電。它的光伏輸出功率主要受太陽(yáng)光照強(qiáng)度和溫度影響。光伏發(fā)電具有無(wú)燃料消耗無(wú)污染、不受地區(qū)限制、不受電網(wǎng)調(diào)度影響、靈活可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單以及安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)正大力推進(jìn)光伏扶貧政策，農(nóng)村地區(qū)用戶實(shí)行“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”，大力促進(jìn)了貧困地區(qū)穩(wěn)定增收，引導(dǎo)光伏產(chǎn)業(yè)“平價(jià)上網(wǎng)”是清潔可持續(xù)發(fā)展的新模式。

1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)是指發(fā)出功率低于300 kW的小型熱力發(fā)電機(jī)，一般使用天然氣、甲烷、柴油和汽油為燃料。微型燃?xì)廨啓C(jī)先將空氣在離心式壓氣機(jī)壓縮，經(jīng)過(guò)渦輪排氣預(yù)熱后與燃料充分混合燃燒產(chǎn)生熱力推動(dòng)渦輪，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，具有燃料消耗低、多燃料利用、污染排放少、低維護(hù)以及可遙控的特點(diǎn)，可作為分布式電源使用，也可作為供電備用使用。目前，熱電聯(lián)供產(chǎn)業(yè)在北方地區(qū)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用，有助于增加熱能利用率，減少環(huán)境污染，是電力系統(tǒng)需求側(cè)管理的重要內(nèi)容。

1.4 燃料電池

由于富氫燃料和氧化劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電的稱為燃料電池。由于電池使用電解質(zhì)不同，燃料電池主要分為6種：固體聚合物燃料電池、生物質(zhì)能燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池[9]。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)負(fù)荷變化強(qiáng)、發(fā)電功率高、清潔無(wú)污染、噪聲小以及安裝方便等特點(diǎn)。目前，燃料電池汽車已廣泛投入使用。隨著國(guó)家對(duì)氫能源發(fā)展的重視，未來(lái)如何降低氫能源成本和建立氫儲(chǔ)存站是主要的研究方向。

1.5 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能通過(guò)動(dòng)植物和微生物光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存形成燃料，可大大減少工業(yè)、生產(chǎn)、生活垃圾排放，具有污染小、廢物利用率高、分布地區(qū)廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于林業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。目前，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)向熱電聯(lián)產(chǎn)正在逐步推進(jìn)。

2 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

2.1 并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)必須滿足總體要求、電能質(zhì)量、功率控制、頻率響應(yīng)、并網(wǎng)同步、安全保護(hù)以及計(jì)量通信等方面的要求。標(biāo)準(zhǔn)分布式電源并網(wǎng)總?cè)萘吭瓌t上不宜超過(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%，并網(wǎng)電壓等級(jí)低于380 V時(shí)容量不宜超過(guò)200 kW，容量200 kW以上宜接入10 kV（6 kV）及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)滲透率更高時(shí)，需要對(duì)配電臺(tái)區(qū)進(jìn)行改造，解決分布式電源并網(wǎng)引起的電壓升高、短路電流過(guò)大等問(wèn)題。并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)必須正常運(yùn)行，分布式電源與電網(wǎng)的電壓幅值、相位角以及頻率偏差必須在可承受范圍內(nèi)才可并網(wǎng)。

2.2 電能質(zhì)量

分布式電源特別是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出功率隨機(jī)波動(dòng)性會(huì)影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，以下主要從電壓閃變、諧波和無(wú)功有功調(diào)度方面進(jìn)行分析。

2.2.1 電壓閃變

當(dāng)分布式電源由于用戶需求、電網(wǎng)規(guī)劃、天氣變化等因素投入或脫離電力系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊電流而引起電壓閃變。

2.2.2 諧波污染

分布式電源通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連，當(dāng)電力電子轉(zhuǎn)換器控制分布式電源投入或進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時(shí)，開(kāi)關(guān)器件頻繁動(dòng)作易產(chǎn)生諧波污染。

2.2.3 無(wú)功有功調(diào)度

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型可以分為異步電動(dòng)機(jī)、雙饋感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。當(dāng)異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)會(huì)從電力系統(tǒng)中吸收大量無(wú)功，增大系統(tǒng)的無(wú)功壓力，造成并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓降低。因此，需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備減少網(wǎng)損，還要控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本最小。

2.3 潮流分布

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)支路潮流呈現(xiàn)單向流動(dòng)。大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)后，潮流分布轉(zhuǎn)為雙向流動(dòng)。當(dāng)分布式電源的輸出功率大于負(fù)載時(shí)，部分線路可能會(huì)出現(xiàn)逆向潮流，出現(xiàn)電壓越限行為影響電壓可靠性。分布式電源的輸出功率隨機(jī)性和間歇性會(huì)造成潮流無(wú)法預(yù)測(cè)，為電力系統(tǒng)運(yùn)行和電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)極大困難，甚至影響發(fā)電廠的發(fā)電計(jì)劃。

2.4 電力系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性

部分分布式電源具有低電壓穿越能力，可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)保持繼續(xù)運(yùn)行，避免電壓驟降，保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行。若不具備這種能力，需要在系統(tǒng)故障時(shí)及時(shí)從電網(wǎng)中脫離，否則有可能造成節(jié)點(diǎn)電壓大幅跌落[10]。如果故障時(shí)分布式電源未快速脫網(wǎng)，短路電流過(guò)大會(huì)引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作，斷路器非同期重合不成功甚至造成電網(wǎng)崩潰，從而增加用戶停電時(shí)間而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，充分利用儲(chǔ)能技術(shù)保證分布式電源輸出穩(wěn)定十分重要。

3 儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)因其靈活性、穩(wěn)定性目前已在電力系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到大范圍應(yīng)用。

3.1 抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能用電動(dòng)機(jī)將下游水庫(kù)的水抽到上游，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能后轉(zhuǎn)化為電能。受地理位置、氣候變化影響，水力發(fā)電是除火力發(fā)電外規(guī)模最大的發(fā)電產(chǎn)業(yè)，主要用于電力系統(tǒng)調(diào)頻和負(fù)荷高峰儲(chǔ)備使用。目前，抽水儲(chǔ)能正加強(qiáng)對(duì)地下水和海洋水庫(kù)的建設(shè)。

3.2 蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池包括鉛酸電池、鋰電池、鈉基電池和液流電池等。鋰離子電池以其安全性高、輸出功率高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，大規(guī)模用于電動(dòng)汽車和規(guī)模化發(fā)電站[11]。除美國(guó)Tesla電動(dòng)汽車公司擁有世界上最大的鋰電池儲(chǔ)能站外，我國(guó)是世界上最大的鋰電池生產(chǎn)基地。基于鋰離子能源稀缺、成本高的缺點(diǎn)，鈉離子電池可進(jìn)一步降低儲(chǔ)能成本。此外，比傳統(tǒng)鉛酸電池充放電速度更快、成本更低的鉛碳電池也得到了快速發(fā)展。當(dāng)前，吉林大學(xué)研究的高性能鉛碳電池已經(jīng)成功應(yīng)用于超級(jí)電容，而液流電池被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)應(yīng)急備用電源和負(fù)荷削峰填谷儲(chǔ)備[12]。

3.3 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是在低溫惰性氣體環(huán)境中工作的超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存在電流磁場(chǎng)中的能量。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能具有體積小、質(zhì)量輕、電磁響應(yīng)快、儲(chǔ)能效率高、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、損耗低以及輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)[13]，目前廣泛應(yīng)用于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能在世界上還處于初始發(fā)展階段，未來(lái)使用高溫超導(dǎo)體降低儲(chǔ)能成本、加強(qiáng)惰性氣體低溫儲(chǔ)存是發(fā)展關(guān)鍵。

3.4 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子部分、軸承部分和能量轉(zhuǎn)換部分。飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷增大，儲(chǔ)存能力也越來(lái)越大。在真空條件下運(yùn)行可以減小運(yùn)行阻力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效率最大，具有壽命長(zhǎng)、維護(hù)少的優(yōu)點(diǎn)[14]。目前，大功率的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電和航空航天。風(fēng)力發(fā)電時(shí)保持最佳尖速比，可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，減少風(fēng)損。

3.5 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容是介于蓄電池和常規(guī)電容器之間的一種特殊的雙電層電化學(xué)元器件，相比傳統(tǒng)電容器儲(chǔ)存能量更大，相比蓄電池可反復(fù)循環(huán)充電，具有充電時(shí)間短、清潔環(huán)保、功率密度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效針對(duì)分布式電源輸出波動(dòng)性隨機(jī)性特征進(jìn)行儲(chǔ)能，尤其是風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)[15]。目前，超級(jí)電容器廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池，改善了以往鋰電池充放電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短的缺點(diǎn)，大大延長(zhǎng)了電動(dòng)汽車電池使用壽命。目前，上海已建成超級(jí)電容供電公交車專線，未來(lái)基于納米技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容更加快速的高能量充放電。

3.6 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能是利用電力系統(tǒng)處于負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力進(jìn)行空氣壓縮，然后將高壓空氣儲(chǔ)存在報(bào)廢礦井、地下洞穴、海底儲(chǔ)氣罐或新建儲(chǔ)氣井中[16]。當(dāng)負(fù)荷高峰時(shí)膨脹釋放驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，減少電力系統(tǒng)供電壓力，具有儲(chǔ)存成本低、工作時(shí)間長(zhǎng)、可大量?jī)?chǔ)存、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣可以彌補(bǔ)不具備建設(shè)風(fēng)電、水電站的地區(qū)缺憾，具有良好的發(fā)展前景。目前，我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)還在積極探索中，如何做到壓縮空氣儲(chǔ)能清潔高效和實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)也是技術(shù)難點(diǎn)。

電力市場(chǎng)改革刺激分布式電源大規(guī)模發(fā)展，新的儲(chǔ)能技術(shù)與分布式電源結(jié)合可有效解決分布式電源并網(wǎng)難題。考慮分布式電源輸出隨機(jī)波動(dòng)性，開(kāi)發(fā)高效率、能量密集、成本低的混合儲(chǔ)能管理系統(tǒng)不僅可以使分布式電源并網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，還可優(yōu)化充放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定輸出。

另外，基于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展，開(kāi)發(fā)用戶側(cè)儲(chǔ)能如建立光儲(chǔ)充一體化充電站、工業(yè)園區(qū)，可有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷、降低基本電價(jià)，是電網(wǎng)新一輪改革的關(guān)鍵，也是分布式電源并網(wǎng)未來(lái)重要的發(fā)展方向。

4 結(jié) 論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色能源和生態(tài)環(huán)境得到了越來(lái)越多的關(guān)注。分布式電源作為能源低碳發(fā)展和電力系統(tǒng)改革轉(zhuǎn)型的載體，有助于國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境，縮小供電距離，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)更好地發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，儲(chǔ)能技術(shù)和分布式電源協(xié)同規(guī)劃成為電力系統(tǒng)發(fā)展的重要推動(dòng)力。本文詳細(xì)介紹分布式能源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的一系列影響，闡述儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀，并提出儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)未來(lái)分布式電源并網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵作用，希望未來(lái)分布式電源不僅能保持穩(wěn)定、安全應(yīng)用，而且電能也能實(shí)現(xiàn)大量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，更好地服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)。