含分布式储能电池电网储能技术综述

2020-07-08 2358 次浏览

1引言

现今，随着风电，光伏发电等这些间歇性能源的快速发展，使得这些能源成为电力系统的一个重要组成，然而由于这些能源自己本省具有波动性和随机性的特点，这些特点现今又成了新能源自身发展的障碍，随着新能源发电规模的继续扩大，解决着这个问题将显得更为迫切。将富余的能量储存起来，用能高峰期再释放出来，是解决新能源间歇性的重点。峰会上业界已经取得的共识是：储能正是从根本上解决可再生能源发电接入问题的最有效途径，通过储能系统来弥补可再生能源发电的间歇性和不稳定性缺陷，从而实现可再生能源电力平滑并入电网[2]。

储能技术的应用前景广阔，并有望得到国家大力支持，科技部公布了的《国家十二五科学和技术发展规划》把储能作为战略必争领域。储能技术将为改变现有的电网发展模式供应了可能，未来有望大范围应用。

2储能技术发展现状

2.1国外储能技术最新发展

近些年来，世界先进储能技术得到了各国大力支持，不断发展，取得了大量成果。年来，日本、美国以及欧洲等发达国家对电池储能技术投入较大，技术领先。日本在钠硫电池的研究与应用方面走在世界前列。

蓄电池储能方面，2001年，加拿大VRBpowerSystems公司在南非建造了250kW的全钒液流储能电池示范系统，实现了全钒液流储能电池的商业化运营。VRBpowerSystems公司为澳大利亚HydroTasmaniaonKingIsland公司建造的与风能发电配套的全钒液流储能电池于2003年十一月完成，该系统储能容量为800kWh，输出功率为250kW。2004年二月，VRBpowerSystems公司又为castleValley，UtahpacificCorp公司建造了输出功率250kW，储能容量2MWh的全钒液流储能电池系统。2006年底该公司开始为爱尔兰建设迄今为止国际上最大的额定输出功率2MW(脉冲输出功率3MW)，储能容量12MWh全钒液流储能电池系统。美国利用日本住友电气工业公司和VRBpowerSystems公司的技术，分别建立了2MW和6MW的全钒液流储能电池示范运行系统[3]。

2003年日本NGK公司生产的钠硫电池产量为30MW，到2005年达到48MW(960个模块)，2008年达到90MW的规模(1800个模块)，2010年的发展计划为年产150MW。在全球已建成100余座钠硫电池储能站。2009年，欧盟斥资3千万欧元在芬兰联合建立了世界上最先进的蓄电池实验室，电池兼容智能管理和监控系统，预计到2012年完成100mAh产品量的扩大。日本日立将在北美市场推出长寿命铅酸电池，将用于可再生能源并网。该产品已在日本上市，并在8个项目上取得成功。放电时间1-4小时，使用寿命15-17年，可循环利用。美国通用电气投资1.6亿美元研发专门用于电力系统的特殊Duration钠卤电池系统，使用寿命20年。能在极端温度条件下发挥最佳性能，不会出现任何有毒化学物质排放，并拥有远程监控功能，可回收利用。美国Axionpower国际公司获得宾夕法尼亚州能源开发局拨款248650美元，用于研究智能电网能量存储系统，致力于研发使用少量铅的铅酸电池技术，该种电池可供应与超导储能相似的高速传输速度，具有更快的充电时间和更长的使用寿命，用于含风能、太阳能综合系统中。

超导储能，美国能源部克鲁克海文国家实验室、ABB公司、Superpower公司、休斯顿大学获得420万美元联邦资金、105万美元配套资金，以用于研究先进的超导储能系统。美国Beacon电力公司得到能源部4300万担保贷款，用于纽约州Stephentown20MW新型能量存储概念工程。

压缩空气储能，美国太平洋燃气与电力公司、pG&E公司得到政府资助2500万美元，美国太平洋燃气与电力公司、pG&E公司将进行一个30万千瓦压缩空气储能项目的可行性研究，pG&E公司将把资金用于项目一期工程，包括许可、联网和电厂设计，项目预计建设耗时15年[4]。

飞轮储能方面，日本已经制造出界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA，电压1100V，转速510690r/min，转动惯量710tm2)。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg，工作转速范围11，61046，345rpm，转速为48，784rpm，系统输出恒压110-240V，全程效率为81%。经济分析表明，运行3年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟，他们制造出一种装置，在空转时的能量损耗达到0.1%每小时。欧洲的法国国家科研中心、的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究[5]。

2.2我国储能技术发展[3]

在大规模电池储能装置技术方面，我国起步较晚，与国外发达国家还有较大差距，重要表现在：一是设备容量规模还较小;二是设备的寿命短、利用效率低;三是设备的智能化水平薄弱。在储能应用方面我国距国外先进水平差距也很大，国外已经有数十套储能电站投入运行，国内还没有大容量电池储能装置的示范工程投入运行。

目前，我国电池储能的应用规模还很小，但随着国家能源政策的调整和节能环保政策逐步落实，其应用规模预计也将逐步扩大。上海市电力公司已经建设包括漕溪站、前卫站、白银站三个储能示范电站，电力调度中心可以直接通过电网储能管理系统对分布于各地的储能站执行统一调度与远程监控。BYD在深圳龙岗建立了一座1MW(4MWh)储能电站。

2.3相关专利申请状况[6]

随着先进储能产业的迅猛发展，其相关专利申请数量也急剧新增。日本、美国和我国是先进储能专利申请最多的国家，也是市场开拓最大的地区，占据了世界先进储能技术领域专利申请的前3位。国际先进储能技术的研发重点领域重要包括燃料动力电池辅助装置方法、燃料动力电池零部件、活性材料组成或包括活性材料的电极、用催化剂活化的惰性电极、燃料动力电池及其制造等领域

图1世界先进储能专利申

请前20位国家、组织及区域分布

我国储能技术专利申请在96年之前上升缓慢，重要是由于缺乏与国际的技术交流，以及本身发展缓慢造成，加入WTO之后，国外公司与研究机构意识到我国已经成为国际储能领域的重要市场，纷纷在国内申请专利技术，国内自主研发申请的专利比重曾一度降至最低点。但随着近年来国内新能源、智能电网、电动汽车技术的不断进步，技术创新能力不断提高，国内公司与研究机构申请的专利比重逐年新增。

图2我国先进储能专利逐年申请情况

3储能技术的分类

3.1飞轮储能[7,8]

飞轮储能是指驱动电机带动飞轮旋转将电能以机械能的形式储存起来，在整个电能的存储和释放过程中都利用了电力电子转换技术。飞轮储能密度的大小是由飞轮转子转速大小决定的。以目前的最好的碳素纤维复合材料来说，这种材料的飞轮转子可以承受的最大线速度达到1000m/s以上，储能密度可达到230Wh/kg，预计正在研制的熔融石英材料的飞轮储能密度可达到800Wh/kg，碳纳米管材料将使飞轮的储能密度提高到2700Wh/kg。随着超导块材的发展，采用超导磁悬浮轴承的飞轮储能可以将轴承的摩擦系数降低到10-7，储能能量密度和效率都得到了很大的提高。

飞轮储能的重要优点有：

1)储能密度高;比超导磁储能、超级电容器储能和一般的蓄电池都要高。

2)充放电时间短，且无过充放电问题，寿命长;飞轮储能充电只要几分钟，

而不像化学电池要几个小时的充电时间。飞轮储能系统的寿命重要取决于其电力电子的寿命，一般可达到20年左右。

飞轮储能技术广泛应用的重要瓶颈有：

a)技术成本相关于蓄电池来说比较高;

b)轴承材料还有待进一步的突破;

c)自放电现象很严重。

3.2超导磁储能(SMES)[7]

SMES是指利用超导线圈绕制的电感来储存电能，因为超导的零电阻特性使其具有超过常导2个数量级的通流能力，所以SMES具有比较大的储能密度，能量密度可达108J/m3量级，而且通过直流电流时没有焦耳损耗。在SMES中超导线圈的能量是以直流形式存储，参与电网的功率调节是通过变流器实现与电网的能量交换的方式。SMES装置一般由超导磁体及低温杜瓦、变流系统、制冷设备和测控系统四个重要部件组成。

相比其他储能SMES具有以下几个特点：

(1)响应速度快，可以达到1~5ms，这是其他的储能达不到的响应速度，这样对电网发生的故障可以很快做出反应，进行功率的补偿;

(2)通过变流器可以进行四象限可控的功率交换，并可以同时进行有功和无功的交换;

(3)可以短时间输出很高的功率，能量损失小，系统效率高;输出的功率密度很高，由于没有直流电阻引起的焦耳热，能量效率很高，理想可以达到95%以上。

目前SMES广泛应用的重要问题关键还在于超导材料的突破，包括材料的性能和成本等;以及低温制冷技术的进步。

3.3超级电容器

普通电解电容器由于材料和容量原因，其存储能量过小，所以不能用作大的储能应用。超级电容器的存储容量可以达到普通电容器103倍以上。由于超级电容器自身的双电层和内阻较大的特点，使其具有很高的功率密度和较长的循环寿命。与蓄电池和普通电容器相比，超级电容器的特点重要体现在：

1)功率密度很高：可达102~l05W/kg，远超过现有蓄电池的功率密度水平;

2)循环寿命较长：在上万次很短时间的高速深度循环后，超级电容器的性能依然变化很小，容量和内阻仅降低10%~20%;

3)工作温度范围：由于超级电容器中离子的吸脱附速度在低温下变化很小，市场上商业化超级电容器的工作温度范围可达-30~60℃;

4)绿色环保：在超级电容器的生产过程中防止了使用重金属等有害的化学物质，因而是一种新型的绿色环保储能装置。

目前超级电容器的应用比较广泛，但在使用安全和稳定上还有待加强。

3.4蓄电池储能

在电网中应用的储能蓄电池重要有铅酸电池、钠硫电池和液流电池。原理都是将电能转化为化学能储存起来，等要时再将化学能转化为电能来使用。铅酸蓄电池发展使用的时间比较长，技术也较成熟，并逐渐进入以密封型免维护产品为主的阶段，而且成本较低，能量密度则在各类电池中处于适中水平。在环境影响上，基于密封阀控型的铅酸电池也具有较高的运行可靠性，只是能量密度较一般，其劣势已不甚明显。

但是相比铅酸电池，钠硫电池和液流电池具有其它化学电池不具备的优点：

1)存储容量更大，可以达到几百千瓦甚至上兆瓦，是普通蓄电池的8~10倍;

2)钠硫电池和液流电池无污染，不会对环境有影响;

3)寿命高，稳定性好。

缺点就是工作环境要较高温度，达300℃~500℃，技术还有待进一步完善。

3.5其他储能方式[9]

其他储能方式包括抽水蓄能、压缩空气储能(compressedairenergystorage，CAES)、蓄热和蓄冷储能等。抽水蓄能电站必须配备上、下两个水库，对建站地点要求苛刻，但是运行简单，可靠且使用期较长[10]。CASE电站建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，寿命长，响应速度快，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制[11]。热能存储常和STES(solarthermalelectricsteam)电厂结合起来，这种储能方式比较可靠，成本相对低廉。蓄冷常见的重要是水蓄冷和冰蓄冷，转换效率分别为90%和80%。水蓄冷优点是不改变制冷机的空调工况，但水的蓄冷密度(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池体积大，冷量损耗也大。冰蓄冷相变潜热为334.4kJ/kg，容积大幅减小，这种系统运行管理方便，能为系统供应2℃~4℃的冷冻水，重要缺点是要较大的制冷量[12]。

表1.1几种重要储能技术的动态响应特性

储能方式输出功率放电持续时间响应时间循环寿命(次)飞轮0-250kW1ms-15min1-20ms20000+SMES10kW-10MW1ms-8s1-5ms100000+超级电容器0-300W1ms-1h1-20ms50000+铅酸电池0-50MWsecs-hours20ms12000VRB30kW-3MWsecs-10h20ms-secs12000+NaS50kW-8MWsecs-hours20ms-secs2500

表1.2几种重要储能技术经济性能参数

储能方式能量密度(Wh/L)功率密度(W/L)自放电能量效率功率成本($/kW)能量成本($/kWh)寿命(y)飞轮20-801000-2000100%0.9250-3501000-500015SMES0.2-2.51000-400010-15%0.95200-300103-10420+超级电容器10-30100000+20-40%0.95100-300300-200020+铅酸电池50-8010-4000.1-0.3%0.85300-600200-4005-15VRB16-33Small0.7-0.85600-1500150-10005-10NaS150-25020%0.75-0.861000-3000300-50010-15

4储能系统在微网中的应用[13]

配电网重要面向电力负荷直接供电，且现阶段用户对电能质量和电力品质的要求越来越高，以及环境和政策因素使这种传统的大电网已经不能很好地满足各种负荷的要求，储能技术为解决这一问题供应了新的路径。储能系统在微电网中有非常大的市场前景，对电网的电能质量、电网稳定性以及供电可靠性都有很大的提升。

4.1供应短时供电

微电网存在两种典型的运行模式：并网运行模式和孤岛运行模式。在正常情况下，微电网与常规配电网并网运行;当检测到电网故障或发生电能质量事件时，微电网将及时与电网断开独立运行。微电网在这两种模式的转换中，往往会有一定的功率缺额，在系统中安装一定的储能装置储存能量，就能保证在这两种模式转换下的平稳过渡，保证系统的稳定。在新能源发电中，由于外界条件的变化，会导致经常没有电能输出(光伏发电的夜间、风力发电无风等)，这时就要储能系统向系统中的用户持续供电。

4.2电力调峰

由于微电网中的微源重要由分布式电源组成，其负荷量不可能始终保持不变，并随着天气的变化等情况发生波动。另外一般微电网的规模较小，系统的自我调节能力较差，电网及负荷的波动就会对微电网的稳定运行造成十分严重的影响。为了调节系统中的峰值负荷，就必须使用调峰电厂来解决，但是现阶段重要运行的调峰电厂，运行昂贵，实现困难。

储能系统可以有效地解决这个问题，它可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调节功率需求。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其用途越来越重要。它不仅防止了为满足峰值负荷而安装的发电机组，同时充分利用了负荷低谷时机组的发电，防止浪费。

4.3改善微电网电能质量

微电网要作为一个微源与大电网并网运行，必须达到电网对功率因数、电流谐波畸变率、电压闪变以及电压不对称的要求。此外，微电网必须满足自身负荷对电能质量的要求，保证供电电压、频率、停电次数都在一个很小的范围内。储能系统关于微电网电能质量的提高起着十分重要的用途，通过对微电网并网逆变器的控制，就可以调节储能系统向电网和负荷供应有功和无功，达到提高电能质量的目的。

关于微电网中的光伏或者风电等微电源，外在条件的变化会导致输出功率的变化从而引起电能质量的下降。假如将这类微电源与储能装置结合，就可以很好地解决电压骤降、电压跌落等电能质量问题。在微电网的电能质量调节装置，针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，此时利用储能装置供应快速功率缓冲，吸收或补充电能，供应有功功率支撑，进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动。

4.4提升微电源性能

多数可再生能源诸如太阳能、风能、潮汐能等，由于其能量本身具有不均匀性和不可控性，输出的电能可能随时发生变化。当外界的光照、温度、风力等发生变化时，微源相应的输出能量就会发生变化，这就决定了系统要一定的中间装置来储存能量[14]。如太阳能发电的夜间，风力发电在无风的情况下，或者其他类型的微电源正处于维修期间，这时系统中的储能就能起过渡用途，其储能的多少重要取决于负荷需求。

5储能系统在风电并网中的应用[15]

5.1利用储能系统增强风电稳定性

储能系统具有快速吸收或释放有功及无功功率的特点，对改善系统的功率平衡状况以及提高电力系统的运行稳定性都有很大帮助。据目前的研究和仿真结果显示，超导储能和超级电容储能系统对降低并网处风电的电压波动和平抑风电场输出的波动具有很好的效果，同时还能起到增强系统运行稳定性的用途。

另外风电的稳定还表现在风电场输出功率的稳定及频率稳定性，目前这方面问题的研究重要集中在利用储能系统来平抑风电输出功率频率波动。根据现在学者的很多理论和试验研究结果，储能系统确实能有效的改善风电系统频率稳定性，且储能系统容量越大响应速度越快效果越好。

故增强风电并网系统的稳定性就要储能系统具有快速响应的能力，如SMES、飞轮储能、超级电容储能等储能方式，因为暂态过程中系统的各参量变化很快，因此就要储能装置能够快速补偿功率不平衡量，增强系统稳定性，上述提到的几种储能方式响应速度可以达到1-20ms，在提高稳定性的应用中对储能系统容量的要求却不高。

5.2增强风电机组LVRT功能

当在电力系统中风电容量所占比例较高时，风电机组是否具有低电压穿越能力是影响系统稳定性很关键的一个因素。有低电压穿越功能的风电机组在并网时如外部电网发生短路故障时，能够有效解决故障所引起的电压剧烈下降问题，起到增强系统的运行稳定性的用途。而机组的低电压穿越功能可以通过在变流器直流部分并联储能系统实现，这种方式不仅能从根本上解决故障期间风电机组过电流烧坏转子或变流器的问题，还可以很大程度上增强风电机组的低电压引起机组退网运行的功能。

5.3增强风电场功率穿越极限(Wpp)

影响Wpp水平的因素与电网的结构和电网参数有关，如频率和电压稳定等因素，因此采用的储能方式也就不尽相同。一般来说采取一定的控制策略下，飞轮储能、电池储能和超导储能系统能通过与电网之间有功和无功功率的交换有效改善系统的频率特性，改善并网处的电压波动性，从而新增系统的Wpp。

5.4提高风电场供电质量

在提高电能质量应用方面，储能系统的重要用途是快速的与系统之间进行有功、无功功率交换，以此来有效改善电压波动性，如电压暂降、波形畸变及闪变等。另外，解决电压波动、电压暂降等电能质量问题重要是短时功率的动态补偿，这就要储能系统具备ms级功率动态调节的能力，结合前面对几种储能方式的分析，SMES、超级电容储能和飞轮储能都满足要求。

5.5改善风电经济性

随机波动的风电作为电源接入电网，将导致原有系统的备用容量新增，甚至还要额外配备平衡稳定装置，使得系统运行经济性有所降低。在风电并网系统中应用储能系统能够得到很大的程度上的缓解，从而实现电网与风电场双赢的目的。另外，在现今的电力市场环境下风电面对着成本较高、供电质量不高等问题，导致竞争力较差，采用储能系统配合风电场运行，对有效的解决缓解实现风电效益最大化是一个很好的途径。

6储能研究发展趋势

现阶段，各种储能方法都不能完全兼顾安全性、高比功率、高比能量、长使用寿命、技术成熟以及工作温度范围宽等多方面的要求，各种储能技术发展还很不成熟，因此可大规模应用于电网中的储能技术还有很大的研究前景和发展空间。

(1)研发快速高效低成本的储能电池：现阶段成本过高是储能技术大规模推广运用的最大瓶颈，提高转换效率和降低成本是储能技术研发的一个重要。

(2)各种储能技术的综合应用：由于各种储能方法均存在着一定的缺点或者局限性，并且由于本身的固有特性对其进行改进又要付出实现难易度以及成本上的代价，因此对各种方法有机结合则可以扬长避短，充分发挥各种方法的优点，实现能量和功率等方面的多重要求，并且可以显著延长储能元件的循环寿命，这也成为储能研究的一个新热点。

(3)储能系统电网中应用的分析理论和方法：在充分理解含储能装置在电网的动态特性的基础上，研究储能装置内部的复杂非线性电磁问题，以及储能装置和系统中元件之间的相互用途。

(4)研究有效的储能系统控制策略：研究储能系统和分布式系统综合特性，稳态特性，暂态特性，充分利用储能系统;提高传统电源，新能源，负荷等数据数据共享，合理安排充放电时间，提高储能系统利用效果。

7结语

可以预见，未来电网定将会呈现出一个具有储能环节的，以清洁能源为主、化石能源为辅，发电和输电系统适度发展，用电安全性、灵活性和服务品质大幅提升，负荷调控系统合理配置，并辅之以高性能电力电子器件、柔性输电、分布式电源、需求响应、清洁能源高效控制系统等先进技术的全新发展模式[16]。然而，仅依赖对间歇式新能源的精确预测和控制水平提升，并不能从根本上实现该类能源的综合高效利用。只有将分布式发电与储能技术的结合大大提高了系统的能源利用率，改善系统的稳定性、可靠性以及经济性。因此，加快发展储能技术，应作为未来电网的一个发展重点。

参考文献：

[1]第二届储能国际峰会开幕http://ex.bjx.com.cn/html/20120524/6372.shtml

[2]http://m.escn.com.cn/2012forum/

[3]浅析国内外电池储能技术发展现http://m.escn.com.cn/2012/0220/167382.html

[4]世界储能技术发展动态http://m.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7076

[5]发达国家飞轮储能技术发展现状http://m.cpnn.com.cn/js/201201/t20120116_394459.html

[6]李维思,史敏,肖雪葵.国内外先进储能技术专利分析[J],公司技术开发，2012,3

[7]陈伟，石晶，任丽，等.微网中的多元复合储能技术.电力系统自动化，2010，31(1):112-115.

[8]程士杰,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,2005,24(4):1-19.

[9]田军,朱永强,陈彩虹.储能技术在分布式发电中的应用,电气技术，2010年底8期.

[10]梅祖彦编著.抽水蓄能发电技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[11]SwiderDJ.Compressedairenergystorageinanelectricitysystemwithsignificantwindpowergeneration[J].IEEETransonEnergyConversion,2007,22(1):95-102.