智能電網(wǎng)建設(shè)方案初探

劉健廷++司博

[摘 要]在可再生能源發(fā)展中，作為電網(wǎng)技術(shù)核心的儲(chǔ)能技術(shù)，是解決可再生能源間歇性供電問(wèn)題最有效的方法。本文介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在PSCAD下建模仿真說(shuō)明了其在解決分布式發(fā)電電能質(zhì)量等問(wèn)題方面有很好的效果。

[關(guān)鍵詞]智能電網(wǎng)；儲(chǔ)能技術(shù)；建設(shè)方案；

中圖分類(lèi)號(hào)：F426.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）09-0164-01

能源對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，永遠(yuǎn)是匱乏的。隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，智能化已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。能源問(wèn)題越來(lái)越突出，以火電為主的電力結(jié)構(gòu)給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了沉重的壓力。目前，關(guān)于智能電網(wǎng)的研究主要集中在建設(shè)規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)、運(yùn)行策略等方面。在電網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展階段中，大量不同形式的嵌入式發(fā)電方式的引入，尤其是大規(guī)模的間歇性可再生能源的應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性成為需要解決的主要問(wèn)題。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，它將會(huì)在分布式發(fā)電接入電網(wǎng)方面起到重要的作用。

1.儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的作用

儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的作用大致可以概括為以下三個(gè)方面：

（1）由于風(fēng)力、光伏等可再生能源發(fā)電設(shè)備的輸出功率會(huì)隨環(huán)境因素變化，此時(shí)儲(chǔ)能裝置可以及時(shí)地將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，保證供電的持續(xù)性和可靠性。

（2）改善電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的變化會(huì)使原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降。應(yīng)用儲(chǔ)能裝置是改善發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時(shí)增加了分布式發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。

（3）分布式發(fā)電系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)的饋電，并可以提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。而一些可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，受環(huán)境因素的影響較大，因此，無(wú)法制訂特定的發(fā)電規(guī)劃。如果配置能量?jī)?chǔ)存裝置，就可以在特定的時(shí)間提供所需的電能，而不必考慮此時(shí)發(fā)電單元的發(fā)電功率，只需按照預(yù)先制定的發(fā)電規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。

目前實(shí)用的儲(chǔ)能技術(shù)有電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、燃料電池等，其中電池儲(chǔ)能技術(shù)歷史悠久、應(yīng)用廣泛，技術(shù)非常成熟。不過(guò)也存在運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、工作環(huán)境要求高、壽命短等顯著缺點(diǎn)。超級(jí)電容是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能元件，與電池儲(chǔ)能相比具有許多顯著的優(yōu)勢(shì)，在特定應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)顯示出取代電池的趨勢(shì)。

2.超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

超級(jí)電容也稱(chēng)為電化學(xué)電容，它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量?jī)?chǔ)能性能，是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件。超級(jí)電容最大充放電性能由活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制，因此可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，得到很高的放電比功率；同時(shí)，由于電極上沒(méi)有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應(yīng)變化，因此它具有很好的循環(huán)壽命。超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量可達(dá)到靜電電容器的100倍以上，同時(shí)又具有比電池高出10-100倍的功率密度。與靜電電容器相比其優(yōu)點(diǎn)是能量密度非常高，但是它耐壓較低，受制于電解液的分解電壓，漏電較大，容量隨頻率顯著降低，因此適于低頻使用。從其發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超級(jí)電容主要是用來(lái)取代或部分取代電池。與電池相比，超級(jí)電容具有許多電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（1）具有非常高的功率密度。電容器的功率密度可為電池的10-100倍，可達(dá)到10 kW/kg左右，可以在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得電容器非常適合用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。

（2）充電速度快。超級(jí)電容器充電是雙電層充放電的物理過(guò)程或電極物質(zhì)表而的快速、可逆的電化學(xué)過(guò)程，可以采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程，是真正意義上的快速充電。而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)完成充電，即使采用快速充電也需幾十分鐘。

（3）使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中的發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有很好的可逆性，不易出現(xiàn)類(lèi)似電池中活性物質(zhì)那樣的晶型轉(zhuǎn)變、脫落、枝晶穿透隔膜等引起的壽命終止的現(xiàn)象，碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無(wú)窮，實(shí)際可達(dá)100000次以上，比電池高10-100倍。

（4）低溫性能優(yōu)越。超級(jí)電容充放電過(guò)程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，所以容量隨溫度的衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70%。

由于分布式發(fā)電導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題往往具有持續(xù)時(shí)間短、出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)，應(yīng)用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)償是理想的技術(shù)方案。雖然目前超級(jí)電容單位容量制造成本高于蓄電池，但在短時(shí)間應(yīng)用領(lǐng)域，超級(jí)電容的性能和綜合成本均優(yōu)于電池及其它儲(chǔ)能技術(shù)。

3.儲(chǔ)能仿真

儲(chǔ)能技術(shù)最重要的作用之一就是保持系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，為了更好的說(shuō)明和驗(yàn)證儲(chǔ)能技術(shù)的這一特點(diǎn)，本文使用PSCAD軟件對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了仿真研究。從仿真波形可以看出，在系統(tǒng)于3- 3.05秒鐘期間中斷輸出后，系統(tǒng)輸送的有功和無(wú)功中斷，但此時(shí)由于儲(chǔ)能裝置的存在，系統(tǒng)母線電壓和電流并未變化。由于直流母線電壓的穩(wěn)定、穩(wěn)健，其逆變并網(wǎng)時(shí)就不會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)波動(dòng)沖擊，電能質(zhì)量就會(huì)大大提高。

4.結(jié)論

儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，超級(jí)電容由于其自身具備的一些優(yōu)勢(shì)，將有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了超級(jí)電容的特點(diǎn)，以及其作為儲(chǔ)能裝置在分布式發(fā)電系統(tǒng)中所起到的作用，并通過(guò)PSCAD仿真加以了驗(yàn)證。仿真說(shuō)明，當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)短時(shí)斷供時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置能保持系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定。

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