儲能技術在分布式發電中的使用

摘要 儲能方式主要有物理儲能、電磁儲能、電化學儲能和相變儲能四大類型。其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能;電磁儲能包括超導、超級電容器儲能;電化學儲能包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能;相變儲能包括蓄熱和蓄冷儲能等。本文著重分解了它們的技術現狀、發展前景及優缺點，并針對分布式發電不同使用場合進行了探討。

1 引言

可再生能源在將來的能源結構中將占有極其緊要的位置。風能、太陽能等可再生能源發電具有隨機性和間歇性，會對電網將萌生沖擊，嚴重時將引發大規模惡性事故，這就需要在直流母線或交流系統中具備一定的儲能以跟蹤負荷的變化。因此，研發高效儲能裝置及其配套設備，與風電/光伏發電機組容量相匹配，支持充放電狀態的迅速切換，確保系統的安全穩定已成為可再生能源充足利用的關鍵。另外，分布式發電系統，特別是在基于可再生能源的分布式發電(distributed generation，DG)中加入蓄能裝置可以有效地提高能源利用率、降低環境污染、改善系統的經濟性。

2 儲能技術發展現狀

2.1 飛輪儲能

飛輪儲能以動能的形式存儲能量，經過功率變換器，完成機械能—電能相互轉換。飛輪儲能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，循環使用壽命長，工作溫區較寬，無噪聲，無污染，最大容量已達5kW&h。主要用于不間斷電源(uninterruptedpower supply，UPS)/應急電源(emergency powersystem，EPS)、電網調峰、頻率和電能質量控制。2000年，美國宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位研制的飛輪轉速達60kr/min(revolutionsper minute)，這標志著飛輪電池在技術上可以取代化學電池。高溫超導飛輪儲能系統具有控制簡單、儲能密度大、效率高、壽命長、維護容易等優勢，預計將來5年內將首先在電力調節、UPS等范疇實現商業使用。

2.2 超導磁儲能系統

超導磁儲能系統(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超導線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉換。具有應和速度快、轉換效率高、比容量/比功率大、壽命長、污染小等優勢，且沒有旋轉機械部件和動密封問題。主要用于輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節、提高系統穩定性和功率輸送能力。已有研究聲明，對于輸配電使用而言，微型(<0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系統更為經濟。

2.3 超級電容器儲能

超級電容器依據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電速度快，放電電流僅受內阻和發熱限制，能量轉換率高，循環使用壽命長，放電深度深，長期使用免維護，低溫特性好，沒有記憶效應。歷經紐扣型、卷繞型和大型三代，已形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電電流400~2000A系列產品。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量高峰值功率場合。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級電容器正在開發中。

2.4 蓄電池儲能系統

目前在分布式發電中使用最為廣泛，但存在初次投資高、壽命短、環境污染等諸多問題。依據所使用的不同化學物質，蓄電池可以分為許多不同類型。

鉛酸蓄電池價格便宜，技術成熟，在發電廠、變電所供電中斷時能發揮獨立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動電機、通信等提供電力。然而，其循環壽命較短，具有較低的比功率，且在制造過程中存在環境污染。鋰離子(鈷酸鋰為正極)電池比能量/比功率高、自放電小、環境友好，但性能易受工藝和環境溫度等因素的影響。目前，磷酸基為正極材料的磷酸鐵鋰離子電池以其超長的循環壽命，良好的安全性能，較好的高溫性能，有望在數年內成為鉛酸蓄電池的有力競爭者。

鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發展前景的大容量電力儲能電池。鈉硫電池儲能密度高，體積僅為一般鉛酸電池的1/5，系統效率可達80%，單體壽命超過10年，且循環壽命超過6000次，便于模塊化制造，建設周期短。液流電池電化學極化小，能夠100%深度放電，儲存壽命長，額定功率和容量相互獨立，并可自由設計儲藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個體系，其中，全釩液流電池可避免正負極活性物質交織污染，成本低、壽命長，已成為液流電池體系中主要的商業化發展方向。

2.5 其他儲能方式

其他儲能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲能等。抽水蓄能電站非得配備上、下兩個水庫，對建站地點要求苛刻，但是運行簡單，可靠且使用期較長。CASE電站建設投資和發電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，應和速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。熱能存儲常和STES(solar thermal electric steam)電廠結合起來，這種儲能方式比較可靠，成本相對低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉換效率分別為90%和80%。水蓄冷優勢是不改變制冷機的空調工況，但水的蓄冷密度低(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統運行管理方便，能為系統提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點是需要較大的制冷量。

3 分布式系統對儲能的要求

分布式發電是發電單元和儲能單元的組合，光伏、風電和燃料電池都是非常典型的分布式電源。具有以下特點：①非常接近終端用戶;②容量很小，一般為幾十千瓦到幾十兆瓦;③能孤立運行或者并網，一般接在380V或10kV線路上。此外，光伏發電中的儲能裝置，常處于放電狀態，放電深度不規矩，而且一次充電時間短。而風電系統中的儲能裝置，放電時間分布比較平均，充放電率比光伏大得多，也很少會處于欠充電狀態。

3.1 并網運行的一般要求

分布式電源所萌生的電能具有顯著的隨機性和不確定性特征，并網對系統的影響主要取決于其穿透功率極限，依據歐洲國家的一些統計數據，穿透功率達到10%是可行的。所以，除非很大的負荷就在并網逆變器附近或者電網很弱，可以認為DG發出的功率完全被電網吸收，但能量存儲可起到平抑系統擾動、維持發電/負荷動態平衡、保持電壓/頻率穩定的緊要作用。要達到維持發電/負荷動態平衡的目的，儲能非得具有大容量能量/功率吞吐能力。而為了保持系統電壓/頻率穩定，儲能就得具有ms級應和速度和一定容量的功率補償能力。

3.2 獨立運行的一般要求

由于單個分布式電源獨立運行，很難維持整個系統的頻率和電壓穩定。所以在大電網難以達到的邊遠或孤立地區，一般采用分布式電源聯合運行來為這些地區提供可靠的電力。它們包括：風/光互補聯合發電系統、光/柴聯合型發電系統、微型燃氣輪機/燃料電池混合系統等。聯合運行的共同特點就是利用互補特性，獲得比較穩定的總輸出，在保證同樣供電穩定性和可靠性的情況下，大大減少儲能的容量，一般從數百千瓦至數兆瓦。以光伏/柴油聯合發電系統為例，雖然柴油發電機與光伏發電相結合能夠確保連續24h不間斷供電，且資金花費低于蓄電池作后備。然而，當光伏輸出發生變化時，柴油發電機不能快速做出應和，而通過儲能的過渡作用，可滿足負載對快速應和的要求。燃料電池應和負載的速度也較慢(電流斜率約4A/s)，配置儲能可提高其可靠性和壽命。這樣在光伏、燃料電池發電系統中儲能裝置就得具有應和速度快，功率密度高的特性。

3.3 特殊要求

(1)抑制DG輸出功率波動。太陽能、風能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機性，而儲能可以平抑功率波動，提高系統電壓和頻率質量。從實際風力發電的角度出發，考慮到發電功率一般以秒級周期隨機波動，要求儲能具有秒級應和速度和一定的功率補償能力。考慮到隨機性是分布式電源并網所造成的不利影響的本質原由，研究分布式電源發電功率預測技術，分解發電功率預測誤差，以此為根據優化儲能容量對儲能在分布式電源并網運行具有緊要的實際意義。

2)使DG按照預先制定的規劃進行發電。鑒于在根本上改變分布式電源間歇性投資巨大且并無必要，可將目標定位在使蘊含分布式電源的局部網絡潮流曲線按照計劃推進，儲能只是填補分布式電源輸出與預期曲線之間的差額部分，而不是對分布式電源的功率波動完全補償。這對電網的調度控制和安全經濟運行具有緊要作用，而所需的儲能容量也大大降低。

　　4 儲能技術在分布式系統中的使用

儲能技術在分布式發電中起的作用可概括為4方面：

(1)加強系統并網可靠性。分布式電源發出的電能具有隨機性和不確定性，能量存儲使得DG即使在波動較快和較大的情況下也能夠運行在一個穩定的輸出水平。

(2)孤立運行的DG單元切換或退出時起過渡作用。太陽能和風力發電輸出具有間歇性，適量的儲能可起過渡的作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求。

(3)抑制DG輸出功率波動，改善系統供電質量。太陽能、風能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機性，而儲能可以平抑脈沖功率波動。

(4)使DG按照預先制定的規劃進行發電，提高并網運行的可靠性和調度靈活性。

4.1 并網運行

抽水蓄能機組容量已達2000MW，單元效率雖然不高，但運行可靠，壽命長，不足之處就是用于分布式發電系統，固定成本太高。到目前為止，國內已建成抽水蓄能電站裝機容量約為5.7GW，占全國裝機容量的1.8%。文獻就西藏阿里地區神奇的水能、光能和風能分布的自然條件，對風光互補抽水蓄能電站的系統進行了研究。壓縮空氣儲能與燃氣輪機結合，容量可達數百MW，效率已接近60%，且壽命長，可冷起動和黑起動，其投資和發電成本均低于抽水蓄能電站，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(micro-CAES)已成為并網研究熱點，使用前景十分廣闊。

飛輪儲能系統的能量密度較大，占據空間相對較小，充電快捷，充放電次數無限。5kW·h/100kW等級的飛輪正在進行整機安裝調試試驗。國外已將飛輪儲能引入風力發電系統。實驗聲明，風力發電系統電能輸出性能及經濟性能較未采用飛輪儲能有很大改善。

水蓄冷和冰蓄冷儲能雖然結構復雜，但在處理電力峰谷差的成熟技術中經濟效益和轉換效率較高，已有效蓄冷容積2100m3，蓄冷量5600rth的水蓄冷空調。SMES具有大容量能量/功率補償特性，然而容量高于100MW·h的線圈在技術和經濟上存在困難。在風力/蓄電池并網運行方式中，鉛酸蓄電池體積龐大，充電/放電頻繁，故障率顯著提高，增加了系統運行的成本，但其技術成熟，價格便宜，已獲得實際使用。SMES的ms級應和、大容量功率/能量傳遞特性決定了它在系統發生故障或受到擾動時能夠快速地吸收/發出功率，減小和消除擾動對電網的沖擊，在提高網絡動態穩定性方面具有無可替代的作用。目前，D-SMES(Distributed SMES，D-SMES)的容量水平達18Mvar/3MW，最大有功功率輸出可以繼續0.5s，最大無功功率輸出可繼續時間1s，足夠解決電壓崩潰事件。我國已先后研制成功25kJ~1MJBi系SMES系統，但Bi系高溫超導SMES通常采用制冷機冷卻，穩定裕度低。中國電力科學研究院正在開展以液氮溫區運行的YBCO—釔鋇銅氧涂層高溫超導儲能單元的研究，并將與柔性技術相結合，進一步降低投資和運行成本。

4.2 獨立運行

鉛酸電池技術成熟，構造成本低，可靠性好，已廣泛使用于電力系統。獨立運行分布式發電系統中所采用的鉛酸電池系統一般充電時間有限，充電功率有限，充電模式一般只限于恒流充電階段。

鈉硫電池儲能密度高達140kW·h/m3，單體壽命長，充放電效率高(>90%)，無記憶效應，長期使用免維護，安裝容量的近2/3已用于平滑負荷，將其用于平滑DG輸出功率波動，技術已成熟。2009年10月，中科院上海硅酸鹽研究所與上海電力公司成功研制出具有自主知識產權的容量為650Ah的鈉硫儲能單體電池，并建成了一條2MW的中試加工示范線和一套10kW的儲能系統示范裝置。

超級電容器功率密度高，相當于電池的5~10倍，應和時間小于1s，放電深度深且沒有記憶效應，長期使用免維護，溫度范圍寬達-40℃~+70℃，儲能量已達到1MW/5.7Wh。在小型獨立光伏發電和燃料電池發電系統中是理想的儲能裝置，且超級電容器與蓄電池在技術性能上具有較強的互補性，用于平滑功率波動時可利用超級電容器高功率密度特性，只需其存儲與尖峰負荷相當的能量，而蓄電池存儲基荷時的能量。這將具有很好的負載適應能力，能夠縮小裝置體積，提高供電可靠性和經濟性。全釩液流電池可以100%深度放電，儲能壽命長，通過增加溶液量就可方便提高電池容量，隨著技術的日益成熟，有望在提高可再生能源系統的穩定性方面發揮緊要作用。自1995年起，我國就開始了全釩液流電池的研究，國產化全氟磺酸離子膜有望取代進口離子膜材料，現已成功開發出10kW級儲能系統，轉換效率大于80%，最大輸出功率超過25kW。

飛輪儲能密度高達108J/m3，充電快捷，循環使用壽命可達20年，工作溫區為-40℃~+50℃，維護簡單。在分解風力發電對電力系統運行影響的基礎上，提出了一種用飛輪輔助風力發電的方案，研究了風力發電–飛輪系統功率和頻率綜合控制辦法。抽水蓄能和壓縮空氣儲能應和時間一般都在分鐘級且用于分布式發電系統投資成本較高。SMES雖然具有ms級應和速度，大容量能量/功率傳遞特性，用于處理功率波動問題技術優點分明，但運行和投資成本過高。

　　5 結論

本文綜述了各種儲能技術研究現狀，以及它們在分布式發電系統中的使用前景。隨著儲能技術朝儲能方式混合化、轉換高效化、能量高密度化、使用低成本化、環境友好方向發展，分布式發電與儲能技術的結合將大大提高系統的能源利用率和經濟性。

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