浅析储能技术在微电网中的应用
2024-10-24 13:30:43 来源：acrel2024
摘要:该文阐述了储能技术研究在微电网中的意义和价值,并对抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能电站、蓄电池储能、超级电容器储能、超导储能等储能技术在微电网中的应用研究现状进行了概述,分别讨论了各种储能方式的优点和不足之处,并对各种储能技术的性能指标进行了比较。
关键词:储能技术；微电网；抽水储能；蓄电池储能；
0引言
随着世界各国社会经济的迅猛发展，对能源和电力供应的安全性、稳定性、可靠性以及电能质量的要求越来越高，而电网建设却没有随之同步发展，使得传统的大电网供电方式已经不能很好地满足用电客户的这些要求，因此，能够集成分布式电源发电的新型电网一微电网应运而生。微电网[1]作为现代新型电网中的一个智能单元，可以在数秒钟的短时间内进行反应，满足电力系统输、配电网络的需求，很好地改善系统安全性和灵活性，降低线路能耗、节省电网建设投资，被认为是未来新型智能电网的坚强支撑。其中，储能系统[2]是微电网系统的一个重要组成单元，具有十分重要的作用，具有巨大的市场前景。
目前，就储能技术而言，大多类型储能装置的技术水平和经济性与大电网对储能的巨大需求之间存在较大差距。随着国家对风光储能项目招标的再次启动，大规模、大容量的储能技术成为人们关注的焦点。伴随着风电、光伏电站的大规模入网，对储能系统的容量规模需求也越来越迫切。但是，目前除了蓄水储能外，其它多数类型的储能技术在短期内无法满足诸如大规模电力系统调峰填谷、电网安全、电能储备等电网应用需求，导致风电脱网等安全事故频发。
此外，我国关于大容量类型的新能源并入电网的规划、设计、运行及控制技术等方面还处于起步阶段，没有具体对应的并网专用标准。传统标准一般仅对电站的一些运行参数提出被动要求，电网并不主动对电站进行调度和控制，只是对谐波分量、频率偏差、电压波动、功率因数等方面进行要求，关于风能发电、光伏发电等大容量新型储能系统的并网接入标准基本没有涉及。至今为止，我国对新能源并网要求并没有强制性的操作流程和具体相关技术要求。多数发电企业认为只要能发出电，不论多少、质量优劣，电网必须全部接收，在这种情况下，导致发电企业缺乏动力采用新型储能技术。因此，尽快制定完善规范的储能技术接入标准，加快推进储能装置技术的开发、研究，尽快研发出经济、安全、高效的储能装置，使之能够与风能、太阳能等间歇性的新能源储能技术协调配合，满足新能源长期稳定并网要求，为清洁能源的发展奠定基础，从而推进我国能源结构的调整。
1微电网系统中常用的储能技术
目前，微电网中使用的储能系统种类繁多，根据储能原理大概可以分为：机械储能技术、电化学储能技术、电磁储能技术、相变储能技术等。其中，机械储能方式主要有抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能等储能技术；电化学储能方式主要有蓄电池储能、锂电池储能和钠硫电池储能等储能技术；电磁储能方式主要有超导储能和超级电容器储能等储能技术；冰蓄冷储能属于相变储能方式。目前，微电网系统中能够利用的储能技术很多，其中，飞轮储能、蓄电池储能、超级电容器储能和超导储能等储能技术相对成熟，是近年发展较快的储能形式。
（1）抽水储能
抽水蓄能电站（pumped hydro power plant）是现阶段在实际工程中应用较为广泛，技术相对成熟的一种储能方式。抽水储能电站的主要优势就是对建造容量方面没有严格要求，具有非常强的灵活性，理论上只要上游的水库足够大，其电能储存容量就没有上限。而且储存能量的释放时间范围也相对灵活，具有一定的可控性，可以从几个小时到几天不等。抽水蓄能技术的能量利用效率也相对较高，大概能达到70％-85％。目前，电网系统主要利用抽水蓄能技术来调峰填谷、调频、调相、以及旋转备用等。
（2）压缩空气储能电站
压缩空气储能电站（compressed air energy storage，C-AES）.基本原理是利用电力系统在低谷负荷时段的剩余电能压缩空气，并将其储存在高压密封容器内，在高峰负荷时段通过释放压缩空气来驱动燃气轮机进行发电，本质上是一种用于调峰的燃气轮机发电厂。相对抽水蓄能电站而言，压缩空气储能电站的建设投资、发电成本较低，但由于压缩的空气能量密度比较低，而且储能电站的建设位置对地形条件要求也比较高，因此，在实际工程应用中受到一定的影响。在压缩空气储能电站发电过程中，能量利用效率得到了较大提升，所消耗的燃气量要比常规燃气轮机少40％，同时在节约成本方面也很有优势。目前，CAES电站主要用在频率调制、平衡负荷、峰谷电能的回收调节、冷启动、发电系统备用等实际场合。伴随着分布式发电系统的快速发展，不断提高储气压缩比、减小储气容器容量就显得非常重要，今后CAES更具有应用性的发展将是微型压缩空气蓄能电站（mi-cm-CAES)。
（3）飞轮储能
它是一种机械储能方式，整个储能系统由飞轮机构、电动／发电机、磁悬浮轴承支撑机构、控制器、功率变换装置等五部分组成。其基本工作原理是利用电动机使飞轮高速旋转，将电能转化为动能的形式，当系统需要储存能量时，电动机通过吸收外接电源的电能带动飞轮高速旋转；当电网需要释放能量时，飞轮又作为原动机提供能量拖动发电机，将机械能转化为电能。目前飞轮储能技术主要用于不间断电源系统，电网调峰和调频控制中，功率等级从几十千瓦到兆瓦级。
（4）蓄电池储能
目前蓄电池储能在电力系统中主要作为电力调峰使用，它是提高电力系统可靠性和稳定性的储能装置。其原理是利用蓄电池的活性物质在正、负极之间进行氧化还原反应，从而实现化学能与电能间的相互转化。目前，蓄电池主要分为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍铬蓄电池、钠硫蓄电池、镍铬蓄电池、钒液硫电池等类型。其中，铅酸蓄电池由于其技术成熟，制造成本更低，可靠性较高，应用更为广泛。锂电池因其能量密度高，记忆效应低，应用前景更好。
（5）超级电容器储能
超级电容的原理应用了电学中的双电层理论，在电容充电过程中理想极化状态的电极表面形成电荷，并吸引周围电解质溶液中的异性离子，使之附于电极表面，成为双电荷层，从而构成双电层电容。目前超级电容器储能的研究热点为通过电力稳定控制系统与可再生能源发电系统的整合使用，起到改善电网质量，提高供电系统可靠性的作用，其中超级电容与蓄电池的混合储能技术在插电式混合动力汽车中得到广泛应用。
（6）超导储能
超导储能系统是通过超导体制成线圈，将电网系统中电能转化为磁场能量储存起来，在需要时再将储存的磁场能量转化为电能送回电网。目前随着电力电子技术和高温超导技术的飞速发展，超导储能技术在电力系统中的应用越来与广泛，在上个世纪90年代已经在光伏发电系统和风力发电系统中得到推广应用。下面通过如表1所示对各种储能方式的性能特点进行比较。
表1 各种储能方式性能特点比较
2安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统
2.1概述
Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。
2.2应用场景
适用于工商业储能电站、新能源配储电站。
2.3系统结构
2.4系统功能
（1）实时监管
对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。
（2）智能监控
对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。
（3）功率预测
对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。
（4）电能质量
实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。
（5）可视化运行
实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。
（6）优化控制
通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。
（7）收益分析
用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。
（8）能源分析
通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。
（9）策略配置
微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。
3硬件及其配套产品
4结论
由于我国微电网储能技术发展还处于起步阶段，单一储能技术还远远无法做到在常规温度范围内同时满足大功率与高能量，系统安全性高，使用寿命长的所有要求。因此，在现阶段单一储能技术发展还不能满足使用需求的情况下，充分整合各种技术的优点，扬长避短，提高转换效率、降低成本，有效保证高可靠性、高能量、大功率等方面的多重要求，是储能技术研发的一个重要方向。
【参考文献】
[1]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等，微电网研究综述［J电力系统自动化，2007,31（19）：100-107．
[2]张华民，周汉涛，赵平，等．储能技术的研究开发现状及展望［］能源工程，2005，（3）：1-7．
[3]张维煜，朱熀秋．飞轮储能关键技术及其发展现状［J］．电工技术学报，2011,26（7）：141-146．
[4]潘军．蓄电池充电系统的研究与设计［D］．南京：南京航空航天大学，2009．
[5]胡毅，陈轩恕，杜砚，等．超级电容器的应用与发展［电力设备，2008,9（1）：19-22．
[6]陈星莺，刘孟觉．单渊达．超导储能单元在并网型风力发电系统的应用中国电机工程学报，2001,21（12）：63-66.
[7]贺莉，宗海焕，李翔，张丽娟，罗丹羽．储能技术在微电网中的应用研究，1003-0107(2016)01-0001-03
[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.
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表1 各种储能方式性能特点比较2安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统
4结论
