新型混合储能技术在微电网中的应用研究

张晓红，马 列，李美林

（1.山西大学，山西 太原030013；2.沈阳工程学院 ，辽宁 沈阳110136；3.大连交通大学 ，辽宁 大连116028）

0 引 言

近年来，电网建设显然不能随用电负荷的增加而同步发展，这就要求在远距离输送电能时增加线路的输送容量，从而导致电网运行可靠性降低，同时大电网跟踪电力负荷变化的灵活性不强，存在着很大的安全隐患问题。为了解决存在的问题，微电网应运而生。

微电网中加入储能元件后，对需求侧可以实现有效地管理控制，平滑地切换负荷，消去昼夜之间峰谷差，在降低供电成本和设备利用上有显著的效益。微电网中的储能元件充放电频繁，而且功率很大，同时深度放电，而单一的储能元件的能量密度较低，很难满足微电网的运行要求，因此，由多种储能元件组成的混合储能系统推动微电网的发展具有重要的意义［1-3］。

1 储能技术的分类及应用模式

1.1 储能技术的分类

依据微电网的运行模式，适用于微电网的储能技术可包括三类：

（1）机械储能：压缩空气储能、抽水蓄能、飞轮储能等。

（2）电磁储能：：超级电容储能和超导磁储能等。

（3）电化学储能：蓄电池、氢镍电池、镉镍电池、锂离子电池、钒液流和钠流电池等。

1.2 储能技术的应用模式

储能技术的应用模式包括功率型和容量型两类，根据两种模式及其适用场合的区别，对储能技术的性能要求也有所不同。

（1）容量型

在微电网运行中，系统的频率调节，削峰填谷等运行状态对储能元件的容量要求很高，能满足此运行模式要求的是容量型的储能应用模式。

（2）功率型

要求储能系统的响应速度非常快，在电网功率切换的瞬间能给予有力支撑的是功率型的储能应用模式，功率型的储能应用模式包括系统稳定控制和电能质量调节应用模式等［1-3］。

电力系统的供给和负荷的需求实时处于平衡，平衡状态的保持很大程度上受到储能元件容量小的限制。大容量储能技术的产生，打破了这种局限，其大规模的应用不但提高了供电质量和电网稳定性，并为更多的新能源系统连接到电网中提供了条件。

2 混合储能技术在微电网中的必要性

微电网系统是由微电源与负荷构成，它可为负荷提供电和热。微电网电源间的能量转换需要由电力电子设备完成，为了提高供电的可靠性，微电网和大电网之间能量的交换是通过PCC完成［4］。图1是微电网的结构框图，其中可作为微电源的有光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机等。

图1 微电网的结构图

微电网的运行状态：孤岛和并网。作为微电网中的微电源主要由变流器和储能装置构成，在孤岛运行时，储能系统加速切换时间，进一步提高电能的质量，在并网运行时，储能系统实现储能的作用［4］。

微电网储能要求不间断和有一定的储能容量，同时还要保证供电的良好品质，在这样的背景下，单一的储能元件很难满足全部要求，为了发挥储能技术的最优性能，采用混合储能技术通过能量型和功率型储能元件有机结合，将响应速度快和储能容量大的储能元件配合使用，可以满足微电网对储能系统功率和能量的多重要求。

3 应用于微电网的多元混合储能方式

3.1 超导和蓄电池混合储能

超导储能系统主要是利用超导线圈将电网中供电励磁产生的磁场能量存储起来，若电网需要时再将存储的能量送回。

超导储能有几个明显特征：响应快，效率高（可达95%），无噪声污染，可靠性较高。其最大的不足是成本太高，另外需要泵和压缩机来维持冷却剂的温度，因而使系统变得复杂，需要做定期的维护。

蓄电池储能的特点是：既能解决系统高峰负荷时电能需求，也可用来补偿无功设备，抑制电压闪变。同时价格便宜、可靠性好、技术非常成熟、实现大容量很容易等。将超导磁储能和蓄电池混合应用，可以实现稳定微电网的频率，控制微电网电压的瞬时波动，保证给用户提供不间断供电等功能，进而提高供电质量。

3.2 超级电容器和锂电池混合储能

锂离子电池是一种新型的能量很高的二次电池，在电力领域中应用广泛。它的优点很多，如体积比较小、储能密度很高、工作电压高、自放电率小，而且输出功率大，循环寿命长、无污染。然而锂电子也存在着一些不足，如大规模生产锂离子电池有一定难度，因为它内部的过充电保护电路和特殊的包装造成了高成本。

超级电容器的能量密度很低［5］。超级电容器的能量密度是1～10 wh／kg，是锂电池的1／10。同时超级电容的价格也很昂贵，是锂电池的十倍以上。价格昂贵是它自身的一个局限。

把能量密度大的锂电池和具有功率密度较小、快速充／放电、储能效率高和寿命长等特点的超级电容器组成系统，就可以明显减小电源的内部损耗，进而使电源的运行时间有所增加，使得它在微电网中的应用有很大的优势。

3.3 压缩空气与钒液流电池混合储能

近几年，钒液流电池也成为一种非常新型的储能方式，钒电池具有特殊的电池结构，其优点主要有：

（1）功率大，增加单个电池的数量和电极面积就可实现功率的增加；

（2）容量大，增加电解液的容积即可任意调整容量；

（3）效率高，钒电池的电极催化活性高；

（4）效应速度快，充、放电切换在运行过程中仅需0.02 s，响应速度低于1 ms。

缺点是目前成本仍较高，规模仍然受储能容量和功率的限制。因此，钒液流电池容量大、功率高可用于微电网调峰；利用充放电速度快可起到提高电能质量的作用；响应迅速快还可以保证微电网中间歇式电源输出稳定电能［6］。

压缩空气储能系统是一种可实现大容量高功率的储能装置。在用电的高峰期间，快速释放并使用电能，这样便实现了削峰填谷、平衡电力负荷的作用。

压缩空气储能可以提供稳定电力，完成释能过程，具有规模大、无污染、储能周期长和不受地理条件限制等优点。鉴于压缩空气储能和钒电池储能特点的互补性以及提高微电网稳定性的需求，把钒液流电池／压缩空气混合储能应用到微电网中，使微电网内部能量达到瞬时平衡，可靠地保证了微电网的平稳运行以及改善了微电源的性能。

4 结束语

随着微电网的不断建设，各种储能技术的配合使用及其协调发展，不仅支撑着微电网有条不紊的稳定运行，还提高了微电网的电能质量和经济效益。由此可见，混合储能技术在微电网中广泛应用，已然成为改善微电网电能品质的非常有效手段。

［1］周 林，黄 勇，郭 珂，冯 玉.微电网储能技术研究综述［J］.电力系统保护与控制，2011，39（7）：148-152.

［2］陈 深，毛晓明，房 敏，刘文胜.微电网中储能技术研究进展与展望［J］.广东电力，2014，27（2）：12-16.

［3］王文星，路进升.微电网储能电源的选择及混合应用［J］.电源技术，2013，（9）：1697-1699.

［4］杨心丽，罗锐利，奚培锋.分布式发电并网技术的研究［J］.低压电器，2012，23（15）：50-65.

［5］闫晓金，潘艳，宁武，陈永真.超级电容-蓄电池复合电源结构选型与设计［J］.电力电子技术，2010，44（5）：75-77.

［6］张闻一，王松楠，张师，张会强.钒电池技术在微电网储能系统中的应用［J］.电气开关，2015，（1）：88-91.