微电网储能技术研究综述

陈庆雯　李婷　黄淳　白凡　张珂伟

【摘 要】本文对储能技术在微电网中的应用研究进行了综述。简要阐述了微电网中储能系统存在的必要性，分析了储能技术在微电网中的作用，比较全面地介绍了蓄电池储能、飞轮储能、超导储能、超级电容器储能、其他储能以及复合储能在微电网中的应用研究现状，分别说明了各储能方式的优点和不足之处并着重分析了最具前景的蓄电池与超级电容器混合储能的储能方式。最后根据微电网的特点和要求，指出了微电网储能技术研究目前存在的问题和未来发展趋势。

【关键词】微电网；储能技术；蓄电池储能；超级电容器储能；混合储能

【Abstract】This paper introduces the academic research of storage technology applied to micro grid.Firstly， it clarifies the necessity of the existence of the energy storage system in micro grid， then it analyzes the role of the energy storage in micro grid.Then the application research of the battery storage， flywheel storage， superconductive magnetic energy storage， supercapacitor storage， other energy storage and hybrid storage in micro grid are discussed. The advantages and disadvantages of various storage methods are introduced， whats more， it emphasizes on the most prospective storage method called hybrid storage.Finally， considering the characteristics and requirements of micro grid， both some existing problems and the future development trend of energy storage technology are presented.

【Key words】Micro grid；Energy storage technology；Battery storage；Supercapacitor storage；Hybrid storage

1 微电网中储能系统存在的必要性

作为新能源接入的一种解决方案，微电网的概念应运而生。微电网从系统观点将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。由于电源总供给功率和负荷不能时刻处于供需平衡状态，这就需要由储能系统吸收系统多余的能量或释放能量以弥补系统能量的不足。在离网及并网运行时利用储能设备稳定电压和调整频率达到安全、可靠供电的目的，在接入分布式电源和向负荷供给高质量的电能时平衡系统功率。因此，储能系统在微网中是必需的，可解决电能供需不平衡问题，在电力系统中主要起电力调峰、提高微电网运行稳定性和电能质量的作用。

离网运行状态时，由于单个分布式电源独立运行，很难维持整个系统的频率和电压稳定，而有研究指出一旦可再生能源的装机容量所占比例超过系统容量10%后，将对局部电网产生明显冲击，所以在电网难以达到的边远或孤立地区，微电网一般采用分布式电源联合运行来为这些地区提供可靠的电力。它们包括：风/光互补联合发电系统、光/柴联合型发电系统、微型燃气轮机/风力发电混合系统。利用互补特性联合运行以获得比较稳定的系统性能，在保证同样供电稳定性和可靠性的情况下，大大减少储能的容量，虽然联合发电系统能够确保连续24h不间断供电，然而，当发电电源发生转变时，常常不能快速做出响应，而必须通过储能实现过渡。

储能系统是调节微电源性能、保证负荷供电质量、维持电网稳定的重要环节，因此研究储能系统设计、开发储能在微网技术中的应用十分重要。

2 储能技术在微电网中的作用

2.1 提供短时供电

微电网有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；当电网出现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。为避免微电网在这两种模式的转换中所伴随的有一定功率缺额的情况，可以在系统中安装一定的储能装置储存能量，这样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，由于外界条件的不确定性，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），这时就需要储能系统向系统中的用户持续供电。

2.2 电力调峰

微电网中的微源主要由分布式电源组成，这就导致其负荷量不可能始终保持不变，且天气的变化等情况也会使其发生波动。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，但是现阶段主要运行的调峰电厂，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，其作用越来越重要。它不仅避免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，避免浪费。

2.3 改善微电网电能质量

微电网的运行机制和微源的特性决定了其在运行过程中易产生电能质量问题。微源向微电网的投切过程、微电网向大电网的投切过程、微源和负荷的随机性功率变化，会产生如电压波形畸变、直流偏移、频率波动、功率因数降低和三相不平衡等电压质量问题。尤其是在包括风电或光伏等可再生能源发电的微电网中，微源输出功率的间歇性、随机性和基于电力电子装置的发电方式会进一步加剧系统的电能质量问题。储能系统通过对微电网并网逆变器的控制[14]，就可以调节储能系统向电网和负荷提供有功和无功，达到提高电能质量的目的，因此储能系统对于微电网电能质量的提高起着十分重要的作用。

对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。如果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。针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，此时利用储能装置提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑，进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动。当微电网与大电网并联运行时，微电网能够补偿谐波电流和负载尖峰；当微电网与大电网断开孤岛运行时，储能系统能够很好地保持电压稳定。

2.4 提升微电源性能

多数诸如太阳能、风能、潮汐能等的可再生能源，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，这就决定了系统需要一定的起过渡作用的储能装置来储存能量，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，而其储能的多少主要取决于负荷需求。

除了上述四点以外，储能在微网中的作用还有很多，例如系统启动，稳定控制，适度容量可信度等等。

3 微网的储能技术种类

针对储能装置起到的作用，目前电能的存储形式可分为机械储能、电磁储能和电化学储能三大类，如图1所示。

3.1 蓄电池储能

蓄电池储能是目前微网中应用最广泛、最有前途的储能方式之一。蓄电池储能可以解决系统高峰负荷时的电能需求，也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置，有利于抑制电压波动和闪变。然而蓄电池的充电电压不能太高，要求充电器具有稳压和限压功能。蓄电池的充电电流不能过大，要求充电器具有稳流和限流功能，所以它的充电回路也比较复杂。另外充电时间长，充放电次数仅数百次，因此限制了使用寿命，维修费用高。如果过度充电或短路容易爆炸，在安全方面稍逊于其他储能方式。另外蓄电池中使用了铅等有害金属，所以其还会造成环境污染。蓄电池的效率一般在60%～80%之间，取决于使用的周期和电化学性质。

图1 储能技术示意图

3.2 超导磁储能（SMES）

超导储能系统（SMES）利用由超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再将储存的能量送回电网或直接给负荷供电。

SMES与其他储能技术相比，由于可以长期无损耗储存能量，能量返回效率很高；并且能量的释放速度快，通常只需几秒钟，因此采用SMES可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。但是，超导体由于价格太高，造成了一次性投资太大，难以大规模投入使用。随着高温超导和电力电子技术的快速发展，超导储能装置在电力系统中有了越加广泛的应用，将超导储能和现代电力电子变换技术相结合，可以实现它与电力系统的快速高效能量交换，从而以较小的储能容量实现较大的功率调节，在提高电力系统的动态稳定性和保证供电品质方面有着独特的优势。

3.3 飞轮储能

现代飞轮储能技术主要包括低速飞轮储能和高速飞轮储能两类。飞轮储能兼顾高能量密度和高功率密度的优点，循环寿命长，具有较好的应用前景。储能应用于微电网稳定控制或电能质量控制时，需频繁释放或吸收能量，因此低速飞轮和高速飞轮均具有较好的适应性。

飞轮储能的原理如图2所示[1]。当飞轮存储能量时，电动机带动飞轮旋转加速，飞轮将电能转化为机械能；当外部负载需要能量时，飞轮带动发电机旋转，将动能变换为电能输送出去，并通过电力电子装置对输出电能进行频率、电压的变换，满足负载的需求。

图2 飞轮储能原理图

飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能量等优点，并且充电快捷，充放电次数无限，对环境无污染。但是，飞轮储能的维护费用相对其他储能方式要昂贵得多。

3.4 超级电容器储能

根据储能原理的不同，超级电容器可以分为双电层电容器和电化学电容器。 超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质，它比普通电容器具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，同时又保持了传统电容器释放能量快的特点，在储能领域中受到越来越多的重视。

超级电容器作为一种新兴的储能原件，较之于其他储能方式有很大的优势。超级电容器与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等特点。与飞轮储能和超导储能相比，它在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，相应的可靠性非常高。这样的特点使得它在应用于微电网中有一定优势。在边远的缺电地区，太阳能和风能是最方便的能源，作为这两种电能的储能系统，蓄电池有使用寿命短、有污染的弱点，超导储能和飞轮储能成本太高，超级电容器成为较为理想的储能装置。超级电容器适用于大功率频繁充放电场合，在微电网中对稳定控制、电能质量治理等具有较高适应性。

但是超级电容器也存在不少缺点，主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压问题。

3.5 其他储能

在微电网系统中，除了以上几种储能方式外，还有可能用到抽水储能、压缩空气储能等。抽水储能在集中方式中用得较多，并且主要是用来调峰。压缩空气储能是将空气压缩到高压容器中，它是一种调峰用燃气轮机发电厂，但是当负荷需要时消耗的燃气比常规燃气轮机消耗的要少40%。表1为各种储能方式性能比较[1]。从表1可以看出，现阶段由于技术和成本的原因，铅酸蓄电池的优势还比较明显，但是从长远考虑，随着其他储能方式价格的下降，技术的成熟和环保要求的逐渐提高，其他储能以及混合储能将会在微电网中得到更加广泛地运用。

表1 各种储能方式性能比较

Tab1 Performance comparison of various energy storage methods

4 储能技术的混合应用

4.1 复合储能的必要性

就目前的储能技术而言，无论是传统的还是新型的储能，没有一种单一的储能技术可以同时满足能量密度、功率密度、使用寿命、储能效率、环境特性及成本等多项指标。此时若将两种或两种以上的性能互补性较强的储能技术结合起来组成复合储能，则可取得良好的技术经济性能。文献[10]和[11]提出采用超级电容器与蓄电池混合储能的储能方式，对于解决可再生能源发电的间歇性和脉动性负荷的供电具有较好的技术经济性。

4.2 微网对储能技术的要求

复合储能可以是储能器件内部的器件级复合，也可以是储能器件之间的系统级复合。要实现微电网的稳定控制，电能质量改善和重要负荷不间断供电等多重功能，储能不仅要具备短时高功率支撑能力，还需提供较长时间的能量支撑，对储能的技术性和经济性要求较高。如将超导储能、飞轮储能或超级电容器等功率密度高、储能效率高及循环寿命长的储能技术与蓄电池、钠硫电池或液流电池等能量密度高但受制于电化学反应过程的储能技术相结合，可最大程度发挥各储能技术的优势，提高系统经济性。

4.3 选择方案比较

在物理储能方式中抽水蓄能和压缩空气储能具有规模大、能量转换效率高、循环寿命长和运行费用低等优点，但要受到诸如特殊的地理条件和场地等外部条件的限制，建设的局限性较大，且一次性投资费用也较高，响应速度慢，无法满足微电网并离网转换及正常运行时实时控制的动态需求。

目前储能主要采用的铅酸蓄电池存在循环寿命较短、不可深度放电、其容量与放电的功率密切相关、运行维护费用高等缺点，如不进行技术方面的提高很难满足未来电力系统储能设备大容量的发展。镍镉蓄电池与铅酸蓄电池相比具有体积小、可深放电、耐过充和过放电、以及使用寿命长，维护简单等优点。主要缺点是内阻大、电动势较低、造价高、有记忆效应。同低成本的铅酸蓄电池比较，镍镉电池初始成本高3～4倍，因此在微电网供电系统中较少采用。

电磁储能供电力系统调峰用的大规模超导蓄能装置、大型线圈产生的电磁力的约束、制冷技术等方面还未成熟，该项技术尚不能进入大规模工业化应用。

与飞轮储能和超导储能相比，超级电容器在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，可靠性非常高，使得它在小型的分布式发电装置中应用有一定优势，性能比较见表2[2]。

表2 超级电容、锂电池、铅酸蓄电池特性比较

4.4 储能设备的复合应用

分布式发电系统，特别是在基于可再生能源的分布式发电（distributed generation，DG）中加入蓄能装置可以有效地提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的经济性。使DG按照预先制定的规划进行发电，提高并网运行的可靠性和调度灵活性。

超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而蓄电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。

蓄电池如果经常受高功率脉冲影响，必然会导致其寿命的减短。体积相当的蓄电池与超级电容器相比，前者可以存储更多的能量。超级电容器可以快速充电并且反复循环数十万次，而蓄电池仅允许几百个循环。超级电容器目前由于受容量和价格方面的抑制，不适合于大规模储能场合。因此将超级电容器的高功率特性和蓄电池的高能量存储能力结合起来，是一种较好的储能方式。

从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性。蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强。而超级电容器则相反，其功率密度大，充放电效率高，循环寿命长，非常适应于大功率充放电和循环充放电的场合，但能量密度与蓄电池相比偏低，还不适宜于大规模的电力储能。

如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，无疑会大大提高储能装置的性能。研究发现，超级电容器与蓄电池并联，可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间；可以减少蓄电池的充放电循环次数，延长使用寿命；还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。

当然，除了超级电容器与蓄电池的混合储能技术外，光伏系统中采用蓄电池作为能源存储设备，光伏系统中采用氢能方式实现能源存储，以及综合互补氢气与蓄电池的优缺点而同时采用氢能与蓄电池的混合储能技术来实现光伏微网的功率平衡等等措施均为混合储能系统提供了一些可实施的方案。

5 微电网储能研究发展趋势及存在的问题

通过以上分析可知，各种储能方式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。因此，本文着重研究的例如蓄电池与超级电容器混合储能的储能方式将存在很大的研究前景和发展空间。但由于时间和精力有限，本文还有部分难题尚未解决：

（1）储能装置的功率及容量配置问题[4]；

（2）储能装置的控制方法；

（3）储能装置如何保证微网在并网运行模式与孤岛运行模式之间的平滑切换；

（4）如何保证储能装置的经济运行等[8]。

6 结语

近年来，由于大电网运行稳定性、安全性的下降，电力系统集中式、超高压输电的弊端显现出来，而微电网的出现很好地实现分散电力负荷的需求，提高大电网的可靠性。储能技术作为微电网中十分重要的一个环节，它起着提高微电网电能质量、增加系统稳定性、提高微电网经济效益、承担电力调峰等功能，起着非常重要的作用。随着可再生能源的蓬勃发展，微电网的不断建设，储能技术的不断发展进步，储能技术在微电网中将得到更加广泛的应用。

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[责任编辑：薛俊歌]