微網(wǎng)能量管理及混合儲能技術(shù)的研究

池鳳泉 王書明 鞏倫才 陳建波

[摘? ? 要]現(xiàn)有研究和實(shí)驗(yàn)表明，微網(wǎng)是將分布式能源整合到網(wǎng)絡(luò)中的有效途徑之一，它們與大網(wǎng)絡(luò)相互支持，首先分析了微電網(wǎng)的功能，它不僅可以提高分布式發(fā)電的利用率，而且可以有效地保證供電的可靠性，提高了系統(tǒng)的質(zhì)量性能和穩(wěn)定性。文章介紹了飛輪儲能、電池儲能、超級電容儲能和超導(dǎo)儲能技術(shù)的性能和優(yōu)勢，根據(jù)微電網(wǎng)對儲能設(shè)備的需求，對各種儲能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

[關(guān)鍵詞]微網(wǎng);能量管理;混合儲能;技術(shù)研究

[中圖分類號]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–00–02

Research on Microgrid Energy Management and Hybrid Energy Storage Technology

Chi Feng-quan，Wang Shu-ming，Gong Lun-cai，Chen Jian-bo

[Abstract]Existing research and experiments show that microgrids are one of the effective ways to integrate distributed energy into the network. They support each other with large networks. First， the functions of microgrids are analyzed. It can not only improve the utilization of distributed power generation It can effectively ensure the reliability of power supply and improve the quality， performance and stability of the system. The performance and advantages of flywheel energy storage， battery energy storage， supercapacitor energy storage and superconducting energy storage technology are introduced. According to the requirements of microgrid for energy storage equipment， the application of various energy storage technologies is explained.

[Keywords]microgrid; energy management; hybrid energy storage; technology research

可再生能源的開發(fā)利用是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。然而，大多數(shù)可再生能源分散且不穩(wěn)定，近幾年來，人們發(fā)現(xiàn)建立微網(wǎng)是解決這些問題的有效途徑之一。微網(wǎng)由電源和負(fù)載組成，可以為用戶安全供電。為了解決可再生能源的問題，實(shí)現(xiàn)分布式電源配電體系，建立一個合適的儲能系統(tǒng)，是當(dāng)今世界的熱門話題。隨著時間的推移，建立了固定數(shù)量的微電網(wǎng)試驗(yàn)基地。

1 微電網(wǎng)儲能裝置在微電網(wǎng)中的作用

微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行方式。如果電網(wǎng)發(fā)生故障或電流波動過大，應(yīng)斷開與電網(wǎng)的連接。氣輪機(jī)和電池的反應(yīng)速度較慢，而快速的負(fù)載流動情況會給微型計算機(jī)帶來很大的問題，這種恒容量設(shè)備可以增加系統(tǒng)的慣性，增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)速度，以及提高系統(tǒng)的性能質(zhì)量和整體穩(wěn)定性與安全性;微網(wǎng)存儲設(shè)備的功能主要包括以下幾個方面：

（1）如果儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)上運(yùn)行。

（2）如果儲能大于所需能量，電源不足，則功率由負(fù)載決定，提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

這方面的例子是風(fēng)能和發(fā)電的性能質(zhì)量，該儲能裝置能在能源市場有充足電能的環(huán)境下提高發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率，市場價格高于生產(chǎn)成本，并將剩余能源出售，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益。

2 微電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃、調(diào)整和優(yōu)化

不同能源的協(xié)調(diào)控制使微網(wǎng)穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，將能源管理的主要功能整合起來，形成中央控制，成為一種能源管理策略。協(xié)調(diào)配電和供電、計劃并適應(yīng)生產(chǎn)，電源需要一個本地控制器（LCS）來響應(yīng)中央控制命令。

（1）根據(jù)中短期負(fù)荷預(yù)測和年發(fā)電量預(yù)測，將能源管理中對微電源和負(fù)荷的實(shí)時控制和狀態(tài)信息納入能源管理的長期規(guī)劃和短期適應(yīng)相關(guān)的生產(chǎn)計劃，以暫時解決能源之間的能量分配問題。

（2）為了達(dá)到功率平衡、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的目的，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整每個微電流源的性能參考值，使系統(tǒng)在氣候或負(fù)荷變化的影響下暫時不穩(wěn)定。

3 儲能技術(shù)比較

根據(jù)儲能類型的不同，可儲存在物理儲能（如泵儲能）、電化學(xué)能（多電池儲能）、電能（超級電容儲能），磁能（超導(dǎo)儲能）等微電網(wǎng)儲能裝置，具有效率高、噪聲大、速度快、使用壽命長、維護(hù)更舒適等特點(diǎn)。并且它可以擴(kuò)展容量，實(shí)現(xiàn)模塊對各種類型的儲能技術(shù)的比較。

3.1 飛輪儲能

飛輪儲能是一種無噪聲、無排放的物理能，飛輪儲能密度高，效率達(dá)90 %以上，循環(huán)使用壽命可達(dá)20a，工作溫度范圍為-40～50 ℃，可采用組合方式實(shí)現(xiàn)。但飛輪儲能在大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用，輸出時間短，放電深度低，價格高，維護(hù)成本高，經(jīng)濟(jì)和安全也會受到限制。

3.2 電池儲能

正負(fù)極間的氧化還原反應(yīng)是用來給電池充電和卸載的。根據(jù)所用化學(xué)物質(zhì)的不同，蓄電池的儲能方式可分為不同的類型。

鉛酸蓄電池由于其發(fā)展較早，技術(shù)成熟，在電網(wǎng)中廣泛分布，當(dāng)時的儲能系統(tǒng)容量為50 MW。與其他儲能系統(tǒng)相比，該儲能系統(tǒng)具有可靠性好、原料易獲取、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是能量密度和功率密度低，壽命短，制造加工過程中維護(hù)量大，環(huán)境污染大，不建議使用。

鋰離子電池是一種儲能容量達(dá)兆瓦、高能量密度的高能二次電池。溫度范圍寬，裝卸速度快，使用壽命長。它具有無污染的優(yōu)點(diǎn)，然而，鋰離子電池在安全性方面還存在一些問題，這是其高容量的主要障礙。過量充電是引起鋰離子的最危險因素，也是電池不安全行為的原因之一。

鈉硫電池是一種高能電池。鈉硫細(xì)菌儲存的能量通常是電池的5倍（同等質(zhì)量），這得益于無排放、使用壽命長和維護(hù)成本低。缺電是成本高，原材料工作溫度高，高溫是限制鈉硫電池大規(guī)模使用的最重要因素。

釩電池是一種流動電池。儲能范圍靈活，適用于大型儲能系統(tǒng)。通過增加反應(yīng)器的功率，可以通過增加儲能容量或提高電解液濃度來增加電池容量，釩的使用壽命長，再生率可達(dá)13000次以上，遠(yuǎn)高于其他電池。反應(yīng)速度快（MS級），可在室溫下工作。

3.3 超級電容儲能

超級電容器具有高功率密度，可以快速充電和卸載?？煽啃愿撸褂脡勖L，裝卸次數(shù)10萬次以上，工作溫度寬，工作溫度-40～70℃;維護(hù)簡單，無污染，維護(hù)成本低。缺點(diǎn)是能量密度低，價格高。超級電容器和電池的性能是非?；パa(bǔ)的，不僅能顯著提高高峰值輸出功率，而且可以提高電能質(zhì)量。它還降低了電源、電源的體積和質(zhì)量，減少了內(nèi)部損耗。延長電源的使用壽命。

3.4 超導(dǎo)儲能

超導(dǎo)磁儲能是利用超導(dǎo)線圈來儲存電能，而長期儲存未損壞的電能效率高。反應(yīng)快，體積密度高，工作密度高，使用壽命長，無污染。缺點(diǎn)是超導(dǎo)材料的工作溫度很高，超導(dǎo)線圈需要液氦來冷卻。對于高溫超導(dǎo)材料，其溫度僅為77K，維護(hù)量大，是制約超導(dǎo)儲能質(zhì)量單一應(yīng)用程序的瓶頸。

4 微網(wǎng)儲能系統(tǒng)

微網(wǎng)儲能系統(tǒng)有5種儲能方式。根據(jù)儲能方式的不同，還有不同的技術(shù)指標(biāo)。

（1）保證供電的可靠性：如果一個大電網(wǎng)發(fā)生故障，可作為應(yīng)急電源（如可中斷電源）轉(zhuǎn)換為獨(dú)自運(yùn)行，電源儲能系統(tǒng)要求反應(yīng)速度足夠快。

（2）保證性能質(zhì)量，如應(yīng)力補(bǔ)償。確保服務(wù)質(zhì)量要求，能源系統(tǒng)的容量足夠大。

（3）可再生能源發(fā)電：例如限制波動和中斷風(fēng)能。

（4）提高用電效率：例如，將電能儲存在低功耗中，以備將來電網(wǎng)放電，以降低電網(wǎng)的峰值壓力。

（5）使用壽命長，環(huán)保，維修方便。

為了選擇合適的微電網(wǎng)儲能裝置，對各種技術(shù)的性能進(jìn)行了綜合比較。發(fā)現(xiàn)飛輪具有較長的儲能壽命。高效率、無排放、高放電深度、高功率密度，確保可靠的能源供應(yīng)和儲能。電池儲存技術(shù)是鉛酸電池儲存技術(shù)最成熟、最便宜的，但壽命短、維護(hù)保養(yǎng)、環(huán)境污染;鋰離子電池使用壽命長、效率高，但容易爆炸和燃燒，安全性低;鈉硫電池更節(jié)能，無污染，但價格昂貴，且溫度限制。在使用范圍內(nèi)，電池儲能可以保證電能質(zhì)量，提高電能效率。但從使用、安全、環(huán)保和發(fā)展的角度來看，鉛酸、鋰、鈉硫電池不易使用。相比之下。全釩液流電池、超水平電容器和超導(dǎo)儲能器響應(yīng)速度快?？勺鳛閮δ苎b置，保證供電可靠性。選擇用于生產(chǎn)可再生能源的儲能裝置，為了滿足大容量和高響應(yīng)速度的要求，可以選擇超級電容器等混合儲能方式。

5 微網(wǎng)能源管理策略

5.1 風(fēng)、光微電管理

光伏電源和雙電源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電儲能微網(wǎng)的一部分。電力的發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的需要，要求微網(wǎng)的運(yùn)行最大限度地利用新能源，這樣風(fēng)能和太陽能微能通常發(fā)揮最大的作用動力。為了一種特定的風(fēng)力發(fā)電模式，可根據(jù)風(fēng)電的具體需求進(jìn)行棄電。

5.2 需求側(cè)管理

在能源管理中，需求側(cè)管理也非常重要。本文將風(fēng)能儲存在大負(fù)荷和可控負(fù)荷下，如果系統(tǒng)總功率低于負(fù)荷要求，有必要根據(jù)其重要性對負(fù)荷進(jìn)行降低。為此，根據(jù)負(fù)荷分離的電耗結(jié)果，確定能切斷可控負(fù)荷、保證重要負(fù)荷不間斷供電的負(fù)荷分離系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)收集的電力消耗要求和單個微電源的狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)和光照增加可控負(fù)荷時，微功率有一定的緯度。

5.3 協(xié)調(diào)管理的混合儲能

超級電容混合儲能系統(tǒng)具有功率密度高、反應(yīng)速度快、循環(huán)時間長等特點(diǎn)。適用于處理由于外部環(huán)境變化引起的臨時波動以及負(fù)荷波動現(xiàn)象。但是，由于能量密度較低，鋰電池具有能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但是頻繁的充放電會顯著影響鋰電池的使用壽命。這就是為什么鋰電池是根據(jù)預(yù)測計劃的，超級電容器負(fù)責(zé)實(shí)時的功率平衡和進(jìn)度調(diào)整。

6 結(jié)束語

隨著分布式發(fā)電的大量開發(fā)和使用，微電網(wǎng)接入電網(wǎng)將優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高用電效率，提高能源系統(tǒng)的安全性具有十分重要的意義。微電網(wǎng)配有固定容量儲能裝置。通過合理的控制，可以增加系統(tǒng)慣性，穩(wěn)定系統(tǒng)波動，改善系統(tǒng)波動的電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文介紹并比較了現(xiàn)有的各種儲能方式和不同的儲能方式。針對目前的研究現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顩r，提出在微網(wǎng)儲能中選擇大容量儲能方式時，應(yīng)優(yōu)先考慮全釩儲能裝置，在大容量、快反應(yīng)速度的儲能方式中，應(yīng)優(yōu)先選擇超導(dǎo)儲能和循環(huán)儲能方式，當(dāng)采用全釩電池或超級電容器時，最好采用混合電池組合儲能。

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