新能源-微電網(wǎng)中各種儲能方式比較

鑒于微電網(wǎng)系統的特點(diǎn)和儲能的作用，對儲能裝置的性能特點(diǎn)具有較為*的要求。概括起來(lái)包括：能量密度大，能夠以較小的體積重量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統功率突變時(shí)所需的補償功率，具有較快的響應速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應一些特殊環(huán)境；以及環(huán)境友好等?，F階段微電網(wǎng)中可利用的儲能裝置很多，主要包括蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能等。
2.1 蓄電池儲能
    蓄電池儲能是目前微電網(wǎng)中應用zui廣泛、zui有前途的儲能方式之一。蓄電池儲能可以解決系統高峰負荷時(shí)的電能需求，也可用蓄電池儲能來(lái)協(xié)助無(wú)功補償裝置，有利于抑制電壓波動(dòng)和閃變。然而蓄電池的充電電壓不能太高，要求充電器具有穩壓和限壓功能。蓄電池的充電電流不能過(guò)大，要求充電器具有穩流和限流功能，所以它的充電回路也比較復雜。另外充電時(shí)間長(cháng)，充放電次數僅數百次，因此限制了使用壽命，維修費用高。如果過(guò)度充電或短路容易爆炸，不如其他儲能方式安全。由于在蓄電池中使用了鉛等有害金屬，所以其還會(huì )造成環(huán)境污染。蓄電池的效率一般在60%~80%之間，取決于使用的周期和電化學(xué)性質(zhì)。目前，按照其使用不同的化學(xué)物質(zhì)，可以將蓄電池儲能分為以下幾種方式：
（1）鉛酸蓄電池
    盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點(diǎn)，但是目前能夠商業(yè)化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有幾個(gè)比較顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：成本低廉，原材料豐富，制造技術(shù)成熟，能夠實(shí)現大規模生產(chǎn)。但是鉛酸蓄電池體積較大，特性受環(huán)境溫度影響比較明顯。
（2）鋰離子電池
    鋰離子電池是近年來(lái)興起的新型高能量二次電池，由日本的索尼公司在1992 年推出。其工作電壓高、體積小、儲能密度高（300～400 kWh/m3）、無(wú)污染、循環(huán)壽命長(cháng)。但是鋰離子電池要想大規模生產(chǎn)還有一定難度，因為它特殊的包裝和內部的過(guò)充電保護電路造成了鋰離子電池的高成本。
（3）其他電池
    隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)鈉硫電池和液流釩電池的研究取得突破性進(jìn)展。這兩種電池具有高能量效率、無(wú)放電現象、使用壽命長(cháng)等優(yōu)良特性，在國外一些微電網(wǎng)研究系統中得到運用。但是，由于價(jià)格原因，在微電網(wǎng)中的大規模運用還有待時(shí)日。
2.2 超導儲能
    超導儲能系統（SMES）利用由超導體制成的線(xiàn)圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量?jì)Υ嫫饋?lái)，在需要時(shí)再將儲存的能量送回電網(wǎng)或直接給負荷供電。
SMES 與其他儲能技術(shù)相比，由于可以長(cháng)期無(wú)損耗儲存能量，能量返回效率很高；并且能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘，因此采用SMES 可使電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無(wú)功功率容易調節。但是，超導體由于價(jià)格太高，造成了一次性投資太大。隨著(zhù)高溫超導和電力電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了超導儲能裝置在電力系統中的應用，在20 世紀90 年代已被應用于風(fēng)力發(fā)電系統和光伏發(fā)電系統。SMES 快速的功率吞吐能力和較為靈活的四象限調節能力，使得它可以有效地跟蹤電氣量的波動(dòng)，提高系統的阻尼。文獻提出使用超導儲能單元使風(fēng)力發(fā)電機組輸出的電壓和頻率穩定，SMES 單元接于異步電機的母線(xiàn)上，SMES 的有功控制器采用異步發(fā)電機的轉速偏差量作為控制信號。文獻利用超導儲能系統使光伏系統運行穩定性增加，并能提高吸收和釋放有功、無(wú)功的速率。
2.3 飛輪儲能
    飛輪儲能技術(shù)是一種機械儲能方式。早在20世紀50 年代就有人提出利用高速旋轉的飛輪來(lái)儲存能量，并應用于電動(dòng)汽車(chē)的構想。但是直到80年代，隨著(zhù)磁懸浮技術(shù)、高強度碳素纖維和現代電力電子技術(shù)的新進(jìn)展，使得飛輪儲能才真正得到應用。
    當飛輪存儲能量時(shí)，電動(dòng)機帶動(dòng)飛輪旋轉加速，飛輪將電能儲存為機械能；當外部負載需要能量時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機旋轉，將動(dòng)能變換為電能， 并通過(guò)電力電子裝置對輸出電能進(jìn)行頻率、電壓的變換，滿(mǎn)足負載的需求。飛輪儲能具有效率高、建設周期短、壽命長(cháng)、高儲能量等優(yōu)點(diǎn)，并且充電快捷，充放電次數無(wú)限，對環(huán)境無(wú)污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。國內外對其在微電網(wǎng)中的運用做了不少研究。文獻提到利用飛輪儲能解決微電網(wǎng)穩定性的問(wèn)題，建立了微網(wǎng)中的飛輪儲能模型，并利用PQ 控制實(shí)現了系統的穩定性。文獻采用靜止無(wú)功補償器與飛輪儲能系統相結合，以減小風(fēng)電引起的電能質(zhì)量問(wèn)題，文中建立了系統的模型，并取得了很好的效果。
2.4 超級電容器儲能
    超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質(zhì)，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統電容器釋放能量快的特點(diǎn)，逐漸在儲能領(lǐng)域中被接受。根據儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學(xué)電容器。
    超級電容器作為一種新興的儲能元件，它與其他儲能方式比較起來(lái)有很多的優(yōu)勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長(cháng)、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量?jì)Υ鎵勖L(cháng)[22]等特點(diǎn)。與飛輪儲能和超導儲能相比，它在工作過(guò)程中沒(méi)有運動(dòng)部件，維護工作極少，相應的可靠性非常高。這樣的特點(diǎn)使得它在應用于微電網(wǎng)中有一定優(yōu)勢。在邊遠的缺電地區，太陽(yáng)能和風(fēng)能是zui方便的能源，作為這兩種電能的儲能系統，蓄電池有使用壽命短、有污染的弱點(diǎn)，超導儲能和飛輪儲能成本太高，超級電容器成為較為理想的儲能裝置。目前，超級電容器已經(jīng)不斷應用于諸如高山氣象臺、邊防哨所等的電源供應場(chǎng)合。但是超級電容器也存在不少的缺點(diǎn)，主要有能量密度低、端電壓波動(dòng)范圍比較大、電容的串聯(lián)均壓?jiǎn)?wèn)題。
2.5 超級電容器與蓄電池混合儲能系統
    從蓄電池和超級電容器的特點(diǎn)來(lái)看，兩者在技術(shù)性能上有很強的互補性。蓄電池的能量密度大，但功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短，對充放電過(guò)程敏感，大功率充放電和頻繁充放電的適應性不強。而超級電容器則相反，其功率密度大，充放電效率高，循環(huán)壽命長(cháng)，非常適應于大功率充放電和循環(huán)充放電的場(chǎng)合，但能量密度與蓄電池相比偏低，還不適宜于大規模的電力儲能。如果將超級電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(cháng)等特點(diǎn)相結合，無(wú)疑會(huì )大大提高儲能裝置的性能。文獻[27-31]研究發(fā)現，超級電容器與蓄電池并聯(lián)，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內部損耗、增加放電時(shí)間；可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數，延長(cháng)使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統的可靠性和經(jīng)濟性。國外在這方面作了一些理論研究和模型測試，文獻研究了混合儲能系統在可再生能源的利用。根據系統的實(shí)際情況和負載用電的要求，蓄電池和超級電容器可以包括直接并聯(lián)、同電感器并聯(lián)和同功率變換器并聯(lián)等，通過(guò)后一種方式可以利用功率變換器的變流作用，獲得zui大的性能提高。
2.6 其他儲能
    在微電網(wǎng)系統中，除了以上幾種儲能方式外，還有可能用到抽水儲能、壓縮空氣儲能等。抽水儲能在集中方式中用得較多，并且主要是用來(lái)調峰。壓縮空氣儲能是將空氣壓縮到高壓容器中，它是一種調峰用燃氣輪機發(fā)電廠(chǎng)，但是當負荷需要時(shí)消耗的燃氣比常規燃氣輪機消耗的要少40%。表1 為各種儲能方式性能比較。從表1 可以看出，現階段由于技術(shù)和成本的原因，鉛酸蓄電池的優(yōu)勢還比較明顯，但是從長(cháng)遠考慮，隨著(zhù)其他儲能方式價(jià)格的下降、技術(shù)的成熟和環(huán)保要求的逐漸提高，其他儲能以及混合儲能將會(huì )在微電網(wǎng)中得到更加廣泛的運用。