淺析儲能技術在企業(yè)微電網中的應用

安科瑞 陳聰

摘要:該文闡述了儲能技術研究在微電網中的意義和價值,并對抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能電站、蓄電池儲能、超*電容器儲能、超導儲能等儲能技術在微電網中的應用研究現(xiàn)狀進行了概述,分別討論了各種儲能方式的優(yōu)點和不足之處,并對各種儲能技術的性能指標進行了比較。

關鍵詞:儲能技術；微電網；抽水儲能；蓄電池儲能；

0引言

隨著世界各國社會經濟的迅猛發(fā)展，對能源和電力供應的安全性、穩(wěn)定性、可靠性以及電能質量的要求越來越*，而電網建設卻沒有隨之同步發(fā)展，使得傳統(tǒng)的大電網供電方式已經不能很好地滿足用電客戶的這些要求，因此，能夠集成分布式電源發(fā)電的新型電網一微電網應運而生。微電網[1]作為現(xiàn)代新型電網中的一個智能單元，可以在數(shù)秒鐘的短時間內進行反應，滿足電力系統(tǒng)輸、配電網絡的需求，很好地改善系統(tǒng)安全性和靈活性，降低線路能耗、節(jié)省電網建設投資，被認為是未來新型智能電網的堅強支撐。其中，儲能系統(tǒng)[2]是微電網系統(tǒng)的一個重要組成單元，具有十分重要的作用，具有巨大的市場前景。

目前，就儲能技術而言，大多類型儲能裝置的技術水平和經濟性與大電網對儲能的巨大需求之間存在較大差距。隨著**對風光儲能項目招標的再次啟動，大規(guī)模、大容量的儲能技術成為人們關注的焦點。伴隨著風電、光伏電站的大規(guī)模入網，對儲能系統(tǒng)的容量規(guī)模需求也越來越迫切。但是，目前除了蓄水儲能外，其它多數(shù)類型的儲能技術在短期內無法滿足諸如大規(guī)模電力系統(tǒng)調峰填谷、電網安全、電能儲備等電網應用需求，導致風電脫網等安全事故頻發(fā)。

此外，我國關于大容量類型的新能源并入電網的規(guī)劃、設計、運行及控制技術等方面還處于起步階段，沒有具體對應的并網**標準。傳統(tǒng)標準一般僅對電站的一些運行參數(shù)提出被動要求，電網并不主動對電站進行調度和控制，只是對諧波分量、頻率偏差、電壓波動、功率因數(shù)等方面進行要求，關于風能發(fā)電、光伏發(fā)電等大容量新型儲能系統(tǒng)的并網接入標準基本沒有涉及。至今為止，我國對新能源并網要求并沒有強制性的操作流程和具體相關技術要求。多數(shù)發(fā)電企業(yè)認為只要能發(fā)出電，不論多少、質量優(yōu)劣，電網*須全部接收，在這種情況下，導致發(fā)電企業(yè)缺乏動力采用新型儲能技術。因此，盡快制定完善規(guī)范的儲能技術接入標準，加快推進儲能裝置技術的開發(fā)、研究，盡快研發(fā)出經濟、安全、*效的儲能裝置，使之能夠與風能、太陽能等間歇性的新能源儲能技術協(xié)調配合，滿足新能源長期穩(wěn)定并網要求，為清潔能源的發(fā)展奠定基礎，從而推進我國能源結構的調整。

1微電網系統(tǒng)中常用的儲能技術

目前，微電網中使用的儲能系統(tǒng)種類繁多，根據儲能原理大概可以分為：機械儲能技術、電化學儲能技術、電磁儲能技術、相變儲能技術等。其中，機械儲能方式主要有抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等儲能技術；電化學儲能方式主要有蓄電池儲能、鋰電池儲能和鈉硫電池儲能等儲能技術；電磁儲能方式主要有超導儲能和超*電容器儲能等儲能技術；冰蓄冷儲能屬于相變儲能方式。目前，微電網系統(tǒng)中能夠利用的儲能技術很多，其中，飛輪儲能、蓄電池儲能、超*電容器儲能和超導儲能等儲能技術相對成熟，是近年發(fā)展較快的儲能形式。

（1）抽水儲能

抽水蓄能電站（pumped hydro power plant）是現(xiàn)階段在實際工程中應用較為廣泛，技術相對成熟的一種儲能方式。抽水儲能電站的主要優(yōu)勢就是對建造容量方面沒有嚴格要求，具有非常強的靈活性，理論上只要上游的水庫足夠大，其電能儲存容量就沒有上限。而且儲存能量的釋放時間范圍也相對靈活，具有一定的可控性，可以從幾個小時到幾天不等。抽水蓄能技術的能量利用效率也相對較*，大概能達到70％-85％。目前，電網系統(tǒng)主要利用抽水蓄能技術來調峰填谷、調頻、調相、以及旋轉備用等。

（2）壓縮空氣儲能電站

壓縮空氣儲能電站（compressed air energy storage，C-AES）.基本原理是利用電力系統(tǒng)在低谷負荷時段的剩余電能壓縮空氣，并將其儲存在*壓密封容器內，在*峰負荷時段通過釋放壓縮空氣來驅動燃氣輪機進行發(fā)電，本質上是一種用于調峰的燃氣輪機發(fā)電廠。相對抽水蓄能電站而言，壓縮空氣儲能電站的建設投資、發(fā)電成本較低，但由于壓縮的空氣能量密度比較低，而且儲能電站的建設位置對地形條件要求也比較*，因此，在實際工程應用中受到一定的影響。在壓縮空氣儲能電站發(fā)電過程中，能量利用效率得到了較大提升，所消耗的燃氣量要比常規(guī)燃氣輪機少40％，同時在節(jié)約成本方面也很有優(yōu)勢。目前，CAES電站主要用在頻率調制、平衡負荷、峰谷電能的回收調節(jié)、冷啟動、發(fā)電系統(tǒng)備用等實際場合。伴隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，不斷提*儲氣壓縮比、減小儲氣容器容量就顯得非常重要，今后CAES更具有應用性的發(fā)展將是微型壓縮空氣蓄能電站（mi-cm-CAES)。

（3）飛輪儲能

它是一種機械儲能方式，整個儲能系統(tǒng)由飛輪機構、電動／發(fā)電機、磁懸浮軸承支撐機構、控制器、功率變換裝置等五部分組成。其基本工作原理是利用電動機使飛輪*速旋轉，將電能轉化為動能的形式，當系統(tǒng)需要儲存能量時，電動機通過吸收外接電源的電能帶動飛輪*速旋轉；當電網需要釋放能量時，飛輪又作為原動機提供能量拖動發(fā)電機，將機械能轉化為電能。目前飛輪儲能技術主要用于不間斷電源系統(tǒng)，電網調峰和調頻控制中，功率等*從幾十千瓦到兆瓦*。

（4）蓄電池儲能

目前蓄電池儲能在電力系統(tǒng)中主要作為電力調峰使用，它是提*電力系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的儲能裝置。其原理是利用蓄電池的活性物質在正、負*之間進行氧化還原反應，從而實現(xiàn)化學能與電能間的相互轉化。目前，蓄電池主要分為鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳鉻蓄電池、鈉硫蓄電池、鎳鉻蓄電池、釩液硫電池等類型。其中，鉛酸蓄電池由于其技術成熟，制造成本更低，可靠性較*，應用更為廣泛。鋰電池因其能量密度*，記憶效應低，應用前景更好。

（5）超*電容器儲能

超*電容的原理應用了電學中的雙電層理論，在電容充電過程中理想*化狀態(tài)的電*表面形成電荷，并吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使之附于電*表面，成為雙電荷層，從而構成雙電層電容。目前超*電容器儲能的研究熱點為通過電力穩(wěn)定控制系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的整合使用，起到改善電網質量，提*供電系統(tǒng)可靠性的作用，其中超*電容與蓄電池的混合儲能技術在插電式混合動力汽車中得到廣泛應用。

（6）超導儲能

超導儲能系統(tǒng)是通過超導體制成線圈，將電網系統(tǒng)中電能轉化為磁場能量儲存起來，在需要時再將儲存的磁場能量轉化為電能送回電網。目前隨著電力電子技術和*溫超導技術的飛速發(fā)展，超導儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用越來與廣泛，在上個世紀90年代已經在光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)中得到推廣應用。下面通過如表1所示對各種儲能方式的性能特點進行比較。

表1 各種儲能方式性能特點比較

2安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)

2.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據存儲、數(shù)據查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下*各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上*調度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據通訊與交互，既能接受上*調度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

2.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

2.3系統(tǒng)結構

2.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

實現(xiàn)整個微電網系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現(xiàn)微電網無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者*峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

3硬件及其配套產品

4結論

由于我國微電網儲能技術發(fā)展還處于起步階段，單一儲能技術還遠遠無法做到在常規(guī)溫度范圍內同時滿足大功率與*能量，系統(tǒng)安全性*，使用壽命長的所有要求。因此，在現(xiàn)階段單一儲能技術發(fā)展還不能滿足使用需求的情況下，充分整合各種技術的優(yōu)點，揚長避短，提*轉換效率、降低成本，有效保證*可靠性、*能量、大功率等方面的多重要求，是儲能技術研發(fā)的一個重要方向。

【參考文獻】

[1]魯宗相，王彩霞，閔勇，等，微電網研究綜述［J電力系統(tǒng)自動化，2007,31（19）：100-107．

[2]張華民，周漢濤，趙平，等．儲能技術的研究開發(fā)現(xiàn)狀及展望［］能源工程，2005，（3）：1-7．

[3]張維煜，朱熀秋．飛輪儲能關鍵技術及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］．電工技術學報，2011,26（7）：141-146．

[4]潘軍．蓄電池充電系統(tǒng)的研究與設計［D］．南京：南京航空航天大學，2009．

[5]胡毅，陳軒恕，杜硯，等．超*電容器的應用與發(fā)展［電力設備，2008,9（1）：19-22．

[6]陳星鶯，劉孟覺．單淵達．超導儲能單元在并網型風力發(fā)電系統(tǒng)的應用中國電機工程學報，2001,21（12）：63-66.

[7]賀莉，宗海煥，李翔，張麗娟，羅丹羽．儲能技術在微電網中的應用研究，1003-0107(2016)01-0001-03

[8]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.5版.