小规模储能技术在微网中的应用前景分析

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1、小规模储能技术在微网中的应用前景分析 梁尚超;白恺;陈豪;李大中【摘 要】微网是可再生能源发电应用的重要形式.微网中的小规模储能对于充分利用可再生能源,抑制电压和频率波动,为用户提供优质电能具有积极作用.介绍了多种小规模储能技术的发展现状及其在在微网中的作用,评价了小规模储能的技术经济指标,最后展望了小规模储能未来技术发展趋势和应用前景.【期刊名称】华北电力技术【年(卷),期】2013(000)011【总页数】6 页(P36-40,52)【关键词】微网;可再生能源发电;小规模储能;技术经济评价;应用前景【作 者】梁尚超;白恺;陈豪;李大中【作者单位】华北电力大学,河北保定 071003;华北电

2、力科学研究院有限责任公司,北京 100045;华北电力科学研究院有限责任公司,北京 100045;华北电力大学,河北保定 071003【正文语种】中 文【中图分类】TM61 0 引言 过去几十年里，集中发电、远距离输电的大电网系统是电力系统的主要形式，随着近年来长距离输电线路的输送容量不断增加，电网可靠性、抗灾性、灵活性问题日益突出。同时，可再生能源如风能和太阳能等在能源结构中已占有越来越重要的位置，随之分布式发电和微电网概念被提出，储能技术在其中也发挥了重要的作用1。分布式发电是指将发电系统以小规模(数千瓦至 50 MW 的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或冷能的

3、系统。但因分布式发电本身还有技术障碍，例如分布式电源的间歇性和不可调度性，现有的电网技术仍不能完全适应分布式发电的接入要求等问题，因此为使分布式发电得到充分利用，西方的一些学者提出了微型电网(MicroGrid，简称微网)的概念。微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微网通过有效的协调控制，使主要基于可再生能源的分布式电源并网所产生的问题能在微网中得到解决，从而减少了分布式电源并网对大电网产生的各种扰动。微网中的储能系统可以通过快速存取电能调节功率、平衡电能供需、改善电能质量、提高稳定性和应

4、对突发事件能力，为分布式电源更好地接入微网提供了保障23。目前，大规模储能种类较多，有些大规模储能如抽水蓄能、压缩空气、液流电池因地理条件限制和安全风险等因素都不适用于微网系统，为满足成片电力负荷聚集区如居住小区、重要的办公区和厂区，或是远郊地区的需求，澳大利亚和德国政府都开始鼓励用小规模储能作为微网中的重要组成部分。最近，澳大利亚储能公司 Ecoult 已经通过澳大利亚可再生能源局(ARENA)获得了政府资助，将利用德克(Deka)超级电池(UltraBattery)技术进行中小规模的储能专案开发，为澳大利亚及全球的家庭与企业提供经济划算的储能解决方案。小规模储能可将太阳能、风能等可再生能源

5、存储起来，适时提供电能，不需要投资很大的发电站和复杂的输送电网，是一种投资小、但能有效提高可再生能源利用率的节能方式。1 小规模储能发展现状 1.1 小规模储能技术分类 小规模储能是针对成片区域如一个街区、一个住宅小区、一个企业或是偏远地区的聚集地发电情况，应用在微网中储能规模不大，只需几十千瓦或几兆瓦的储能形式。在可再生能源发电的微网系统中，要求储能装置的具备以下性能:能量密度大，可以用较小的体积重量提供较大的能量;功率密度大，系统功率突变时可以提供所需的补偿功率，拥有较快的响应速度;储能效率高;高低温性能好，一些特殊环境下能够正常工作;环境友好。目前微网中可利用的小规模储能装置类型很多4，

6、主要包括电化学储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等。1.2 电化学类小规模储能 电化学储能是通过化学反应将化学能和电能进行相互转换以存储能量的技术，能量转换的载体是电池。电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫等类型的电池储能。电化学电池的充电回路比较复杂、充电时间长、充放电次数有限，因此使用寿命被限制，维修费用高5。当电池过度充电或短路时容易爆炸，不如其他储能方式安全。1.2.1 铅酸蓄电池 铅酸电池，是一种主要由铅及其氧化物制成的电极，电解液是硫酸溶液的蓄电池。1859 年，由法国学者普兰特(R.L.G.Plante)发明。目前，还有一种德克(Deka)超级储能电池，是由 Eas

7、t Penn 位于美国宾夕法尼亚州的 Lyon Sta-tion 先进制造基地生产、制造的。该技术是一种新型的高级铅酸技术，能够快速、高效地用于蓄电池非满状态的持续充放电(PSOC)，结合了高级铅酸电池和电容器储能系统的优点，将充放电速度快、使用时间长等优点整合到铅酸电池中，使得 Deka 超级储能电池技术不仅能在短短几秒中根据需求准确吸收、释放能量，还不会产生任何二氧化碳，非常适合用于现在电网运行中突然发生的调频需求。铅酸电池体积较大，特性受环境温度影响比较明显，在高温下寿命缩短，具有较低的比能量和比功率，一般比能量为 3040 Wh/kg，比功率为 75300 W/kg。但考虑铅酸电池应用

8、于微网中价格便宜，成本低，可靠性好，技术成熟，且已广泛应用于电力直流系统，铅酸电池为断路器提供合闸电源，在发电厂、变电所供电中断时发挥独立电源的作用，为继保装置、拖动电机、通信、事故照明提供动力6。1.2.2 锂离子电池 锂离子电池是新型高能量二次电池，由日本的索尼公司在 1992 年率先推出。其工作电压高、体积小、储能密度高(300400 kWh/m3)、无污染、循环寿命长。随着当前电动汽车的发展，锂离子电池在材料和工艺上都有了明显的发展，这也促进了锂离子电池的发展，为电力储能的应用奠定了坚实的技术基础和产业基础。而且锂离子电池比能量(155 Wh/kg)/比功率(315 W/kg)高、自放

9、电小、环境友好，但性能易受工艺和环境温度等因素的影响。目前，以磷酸基为正极材料的磷酸铁锂电池以其超长的循环寿命，良好的安全性能，较好的高温性能7，相对来说较低的价格，在数年内的微网发展中，有望成为铅酸电池的有力竞争者。1.2.3 钠硫电池 钠硫(NaS)电池是一种负极用钠、正极用硫磺、电解质用陶瓷氧化铝类材料组成的充电电池。1966 年，由美国 FORD 公司的 Kummer 和 Weber 首次提出钠硫电池系统，国际上很多国家和研究机构对该电池进行了持续不断的研究。近年来钠硫电池的研究取得突破性的进展。钠硫电池空间需求小，能量密度(300 Wh/kg)高，与铅酸电池相比，是其 3 倍，而空间

10、需求仅是其三分之一，系统效率可达 80%，单体寿命超过 10 年，且循环寿命超过 6 000 次，便于模块化制造，建设周期短8。这种电池具有高能量效率、无放电现象、使用寿命长等优良特性9，在国外一些微网研究系统中已得到运用10。1.3 电磁小规模储能 1.3.1 超导小规模储能 超导储能系统(SMES)利用由超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再将储存的能量送回电网或直接给负荷供电的储能装置。1969 年，由法国 Ferrier 首先提出 SMES 在电力系统中的应用。其主要特点是:在整个闭合回路中没有直流阻抗，能量可以无损耗的保留下来;响应速度快，可以达到 15

11、ms;储能转换效率高(96%);可实现大功率输出1112;储能密度高达(107 108 kWh/m3)，具有比容量(110 Wh/kg)和比功率(104105 kWh/kg)大的优点，超导储能装置可不受地点限制，且维护简单、污染小。在 20 世纪 90 年代已应用于风力发电系统和光伏发电系统。文献12利用超导储能系统增加了光伏系统运行的稳定性，并提高吸收和释放有功、无功的速率。超导储能目前存在问题也很多，主要有如下几点13:一是超导材料价格仍然很高;二是用于产生超导态低温条件的冷却装置等关键设备还没有实现国产化;三是关于超导磁体的失超保护等关键技术还有待解决。1.3.2 超级电容器小规模储能

12、超级电容器是利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。1879 年，由德国物理学家 Helmholz 首先发现超级电容器储能原理，但是将这个原理大量电能储存在物质表面，像电池一样运用于实际的是美国的 Becker。日本 NEC 公司从 1979 年开始生产一种 Super Capacitor，并将该技术应用于电动汽车的电池启动系统，开始了超级电容的大规模使用。国内学者于 20 世纪 80 年代才开始注意到双层电容器的研究，但是到了90 年代才开始研究超级电容器，起步相对国外较晚，但是发展势头可观。超级电容器与其他储能方式比较起来有很多的优势

13、。超级电容器与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等特点14。相较于飞轮储能和超导储能，它在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而提高了可靠性。这样的特点使得其在应用于微网中有一定优势。如在边远的缺电地区，太阳能和风能是最方便的能源，作为这两种电能的储能系统，蓄电池有使用寿命短、污染环境的缺点，超导储能和飞轮储能成本较高，超级电容器成为较为理想的储能装置。目前，超级电容器已经不断应用于诸如高山气象台、边防哨所等的电源供应场合。但是超级电容器也存在不少的缺点，主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压的问题15。1.

14、4 飞轮小规模储能 飞轮储能是一种机械储能技术。直到 20 世纪 6070 年代才由美国宇航局(NASA)Glenn 研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。飞轮储能的原理是把电能转换成旋转体的动能进行存储16。在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定转速，将电能转化为动能;在能量释放阶段，飞轮减速，电动机作发电机运行，将动能转化为电能。飞轮储能具有高能量转化效率、高功率密度、高技术成熟度、长寿命、充放电次数无限以及无污染等特性。但劣势是能量密度不够高、自放电率高，如果停止充电，在几到几十个小时内能量就会自行耗尽。储能输出持续时间较长，主要用于不间断电源(UPS)、应急电源(E

15、PS)、电网调峰和频率控制，因此应用于微网中还是很有竞争力的。目前中小容量的飞轮储能系统已实现商品化。2 小规模储能在微网中的作用 2.1 保证微网供电连续性 由于光伏和风电具有间歇性和随机性，当外界的光照、温度、风力等自然条件发生变化时，或者是微网中的电源处于维修期间而不具备发电条件时，电源输出能量就会发生变化，这就决定了系统需要一定的中间装置来储存能量17，此时小规模储能向系统中的用户能持续供电。储能可以根据负荷需求提前充电储能，并在负荷需要时放电。2.2 改善微网供电质量 储能系统对于提高微网供电质量起着重要作用，通过控制储能变流器的有功输入和输出，配合微网中光伏或风电等微电源的有功控制

16、，能平滑风电和光伏发电的波动，同时满足不断变化负荷的要求，维持微网电压和频率稳定等。2.3 微网运行模式切换时短时供电 微网有并网运行和孤岛运行两种运行模式。一般情况下，微网与常规配电网并网运行;当遇到电网故障或发生电能质量事件时，微网将及时与电网断开独立运行。微网在转换两种模式的过程中，会有一定的功率缺额，需安装一定储能装置来保证平稳转换两种模式，保证系统的稳定。2.4 提高可再生能源利用率 小规模储能系统可以在低负荷时存储多余可再生能源转换的电能，而在高负荷时回馈给微网以调节功率需求，减少甚至避免弃风、弃光，最大程度提高可再生能源利用率。3 小规模储能的技术经济性评价指标 小规模储能技术能

17、否在微网中得到推广应用，取决于其是否能够实用化并具有较高的安全性、可靠性和技术经济性18。未来广泛应用于微网的小规模储能技术，既要易于规模化，还要易于批量化和标准化生产，控制、维护方便。目前，在众多储能方式中，电化学电池和超级电容器是较好满足上述要求的储能技术。安全和可靠至始至终是应用的基本要求，能否安全可靠运行是评价一种储能系统能否在未来推广应用重要因素。储能系统的安全问题与储能电池本身的材料结构体系和系统设计中所考虑的安全措施等一系列因素有关。技术经济性是衡量储能技术能否推广应用的另一个根本性因素。以下从不同储能的技术水平和经济成本分析。3.1 技术评价指标 判断一种储能技术应用是否能推广

18、，首先应看该技术在决定经济性的关键技术指标上是否能实现突破。表 1 列出了目前技术上比较成熟的几种储能技术的能量密度、功率密度、转换效率、最小单位容量和循环寿命共5 个关键技术指标。转换效率和循环寿命直接影响储能系统的总成本。由表 1 可见，飞轮、超导储能、超级电容有较长的循环寿命;超导储能、超级电容、铅酸电池具有较高的转换效率。表 1 各种储能技术的主要技术指标储能类型 能量密度/(kWhm 1)功率密度/(kWm3)转换效率/%最小单位容量/kWh 循环寿命/a 178 1 000 96 500 30超级电容器 53 176 700 94 1.0 30 飞轮储能 424.0 1 766.8

19、 90 4.0 30铅酸电池 7.07 106 92 0.5 8 锂电池 212 212 88 5.0 7 钠硫电池超导储能 243.7 530.0 88 5.0 7 另外，储能设备的体积和质量也是影响储能技术应用的重要因素。体积能量密度影响占地面积和空间，质量能量密度反映了对设备载体的要求。在电动汽车或城市家庭商业设施等土地资源紧张的应用场合，能量密度的大小就是必须要考虑的因素。例如锂电池和钠硫电池就有较好的比能量密度，其他化学电池的相对要小些，而超导储能、超级电容器、飞轮储能在这方面的指标就偏低。3.2 经济评价指标 在现有的政策环境和技术条件下，小规模储能否得到推广应用，最核心的问题还是

20、成本。未来分布式可再生能源发电的大力发展，必定会对储能的需求有更大程度的增加。微网中储能的规模较小，通常是家庭、小企业，且以偏远地区为主的用户，针对这样的应用，要考虑降低运行维护成本。总之，所关注的储能技术应在经济性方面的推广应用必须要具备经济前瞻性，应该具备大幅降价的空间，或是从长期来看具有一定的显性经济效益，否则推广普及将无从谈起。2011 年，美国 EPRI 分析了目前各种储能技术的成本19，2012 年由中国科学院热物理研究所结合目前情况总结了各种储能成本，见表 2。现有一种分析储能产品市场期望成本的方法是利用均化能源成本(levelized cost of energy，LCOE)，

21、定义为储能系统的年成本与储能系统年能源输出量的比值，单位是美元每千瓦时(美元/kWh)，若储能成本越低，LCOE 小于当前电价，在这样的条件下储能才具有比较好的经济性。通过对表 2 的分析可了解到以下几点:(1)技术较成熟的铅酸电池，当前价格在 200400 美元/kWh;除了铅酸电池钠硫电池的价格是最低的，因此钠硫电池的成本比较有优势。(2)锂离子电池目前价格在 6002 500 美元/kWh。近两年锂离子电池成本下降较快，随着技术进步和规模化应用，20152020 年的预期目标为初始成本降至 1 500 元/kWh，全充放电循环寿命不小于 5 000 次。表 2 各种储能技术的成本比较储能

22、类型 持续发电时间 能量自耗散率/%装机成本/(美元kW1)装机成本/(美元kW1)运行成本/(美元kWh单次循环)ms8 s 1015 200300 1 00010 000 超级电容 ms60 min 2040 100300 3002 000 220 飞轮储能 ms15 min 100 250350 1 0005 000 325铅酸电池 sh 0.10.3 300600 200400 20100 锂电池 minh 0.10.3 1 2004 000 6002 500 15100 钠硫电池超导储能 sh 20 1 0003 000 300500 820(3)超导储能和飞轮储能相较与于其他储能价

23、格比较高，还有可改善空间。(4)超级电容器的循环使用寿命很长，可以基本上看作是永久性器件，在使用过程中的平均成本非常低;另外，目前超级电容器价格较高的原因不是但材料和工艺，而是市场化进程的问题，随着用量增加，未来其价格会降到微网应用可接受的水平。4 小规模储能发展前景 通过以上分析可知，小规模储能类型繁多但不是每种储能都兼顾各方面的要求，另外微网储能技术发展还处于起步阶段，各种储能技术还不成熟，因此微网中的小规模储能技术还有很大研究前景和发展空间。(1)研究高效快速低成本的储能电池。在提高微网稳定性和电能质量的过程中，小规模储能控制的关键是电能的存储和释放速度。(2)考虑混合储能的形式。各种储

24、能有自己的优势和劣势，若将两类互补型的储能结合使用，可扬长避短提高储能利用率，实现能量和功率等方面的多重要求，且能明显延长储能电池循环寿命，这也成为储能研究的一个新热点。(3)小规模储能的应用领域的扩展。包括各种小区域独立发电的领域，如国外屋顶光伏发电早已成为关注点，使用小规模储能能提高新能源的利用率。(4)在市场条件下微网中储能装置的使用者必须得到实时的市场信息，包括电价以及电网故障等，才能充分发挥微网储能装置的作用。5 结语 本文总结了适合微网的各种小规模储能技术，分析了小规模储能在不同应用场合的作用，展望了其在未来的应用前景。在商业区、工业园区、住宅小区以及偏远地区等微网中，兆瓦级小规模

25、储能的使用可有效降低分散用户的平均储能成本，并提高诸如成片屋顶光伏发电等小规模可再生能源的稳定性、持续性和可利用性。综合考虑各方面因素，电化学储能、超级电容和飞轮储能在小规模储能中具有广泛的应用前景，是值得关注的储能类型。随着储能技术向着混合、高效、高能量密度、低成本、环境友好的方向发展，小规模储能与微网中其它可再生能源的结合将大大提高可再生能源的利用率和经济性，并对微网电压、频率的稳定具有重要意义。参考文献 【相关文献】1郭力，王成山.含多种分布式电源的微网动态仿真J.电力系统自动化，2009，33(2):82 86.2程时杰，文劲宇，孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用J.电气应用，

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