浅谈微电网中的储能装置

华北电力大学浅谈微电网中的储能装置程晓悦（华北电力大学硕电力121班）摘要：阐述了微电网中储能技术研究的意义和价值。分析了储能技术在微电网中的作用，简单介绍了抽水储能、空气压缩储能、飞轮储能、超导储能、蓄电池储能、超级电容器储能装置原理及其对于微电网的作用，说明了各种储能方式的优点和不足之处，并对各种储能方式的性能指标进行了比较。最后就储能元件对于微电网的两种作用分析了储能装置的控制策略[2]。关键词：微电网；储能技术；储能装置；控制策略1引言微网由分布式电源、分布式储能和能量管理模块构成负荷的供电系统，与负荷一起组成一个独立可控系统，完全解决了大电网与分布式电源间的矛盾。储能系统是调节微电源性能，保证负荷供电质量，抑制系统振荡的重要环节，因此研究储能技术在微网中的应用具有十分重要的意义[1,4]。微网中，电源总供给功率和负荷总需求功率都是动态变化的，并不是每刻都能达到供需平衡。当电源总发电功率与负荷总需求功率不平衡时，则由储能系统吸收系统多余的能量或释放能量弥补系统能量的不足。因此，储能系统在微网中是必须的，如果没有了储能系统，微网就不能在自治运行时达到安全、高效、可靠的要求，也就不能尽可能的接入分布式电源和向负荷供给高质量的电能。如今，储能方式有许多种，各种方式的性能也是各异。需要研究根据系统稳定的需求来选择储能方式[3]。2储能装置的作用2.1提供短时供电微电网存在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；当检测到电网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。微电网在这两种模式的转换中，往往会有一定的功率缺额，在系统中安装一定的储能装置储存能量，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，由于外界条件的变化，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]。生物能风能光伏热力负荷燃料电池储能负荷负荷大电网图1微电网结构示意图2.2储能装置可以维持系统稳定的作用在风力和光伏发电中，风速和光伏辐照度的变化会使风力和光伏发电的功率产生波动而使系统的电能质量下降。储能装置可以提高可再生能源发电的电压质量和频率质量，是增加微电网与大电网并网运行时的安全性和稳定性的有效途径。微电网中储能装置的加入为解决华北电力大学电压跌落、瞬时供电中断等动态电能质量提供了十分有效的途径。此外，由于微电网线路的R/X参数值较大，系统有功和无功不能充分解耦，使得传统的稳定控制手段不能有效运行。储能通过功率变换装置，可快速吞吐有功和无功功率，影响微电网内部的节点电压和潮流分布，实现对微电网电压和频率的调节控制，等效于传统电力系统的一次调频。此外，通过储能系统的能量支撑作用，还可实现系统故障时的低电压穿越，提高风电和光伏等间歇性电源接入时的运行稳定性。储能系统进行稳定控制时，其所需的支撑时间一般为毫秒级或秒级，需要的储能量较少，在技术上和经济性上均较为可[5]。2.3改善微电网电能质量近年来人们对电能质量问题日益关注，国内外都做了大量的研究。微电网要作为一个微源与大电网并网运行，必须达到电网对功率因数、电流谐波畸变率、电压闪变以及电压不对称的要求。此外，微电网必须满足自身负荷对电能质量的要求，保证供电电压、频率、停电次数都在一个很小的范围内。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，通过对微电网并网逆变器的控制，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。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。在微电网的电能质量调节装置，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，微电网相当于一个有源电力滤波器，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[2,5]。3储能元件的种类3.1简介各储能技术到目前为止，人们已经开发了多种形式的储能方式，主要分为化学储能和物理储能。化学储能主要有蓄电池储能和超级电容器储能，物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能、超导储能和压缩空气储能。（1）抽水蓄能。抽水储能是世界上最古老的的储能方法。它需要高低两个两个水库，在电网低谷负荷时，电动机将水抽到上游水库，电能以势能方式储存，而当电网高峰负荷时，上游水库向下游水库放水带动发电机旋转，势能转化为电能发电。然而，抽水蓄能电站破坏生态环境，建设时间长，投资量大，因此并不适宜在微电网应用。（2）压缩空气储能（CAES）。压缩空气储能方式的工作原理是在电网低谷时利用剩余电力驱动压缩机将空气储存于储气装置，当用电高峰时，储气装置排出高压空气与天然气或油等燃料混合燃烧后推动燃气轮机发电。而压缩空气储能不是一项独立的技术，它必须同燃气轮机配套使用；而且传统的压缩空气储能任然依赖于燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面燃烧仍然产生硫化物等污染气体，压缩空气比较适合大型系统，小型压缩空气储能系统效率比较低。而大型压缩空气储能电站的关键问最好利用现成的地下岩盐洞、现存矿洞或挖掘成岩石洞来储存压缩空气，这又大大限制了它的应用[7,8]。华北电力大学压缩空气压缩机涡轮机废气燃料电动机/发电机离合器离合器电力燃烧室图2压缩空气储能系统图（3）飞轮储能。飞轮储能将能量储存在高速旋转的飞轮中，所储存的能量和它的质量、旋转的速度平方成正比。飞轮储能具有密度高、工作效率高、循环使用寿命长、无环境污染的特点。当飞轮存储能量时，电动机带动飞轮旋转加速，飞轮将电能储存为机械能；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，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。电能转换系统电机电能输入电能输出轴承飞轮轴承图3飞轮储能原理图（4）超导线圈储能（SMES）。超导线圈将存储在由流过超导线圈的直流电流产生的磁场中，储存的能量25.0LIE（式中L为超导线圈电感，I为超导线圈中流过的电流）。超导线圈具有快速的电磁响应和很高的储能效率，而且使用时间寿命长，但成本较高，运行维护费用也较高。（5）蓄电池储能。蓄电池储能是目前微电网中应用最广泛、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，不如其他储能方式安全。由于在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。（6）超级电容器在微电网中的应用。超级电容器储能系统的基本原理是三相交流电能经整流器变为直流电能,通过逆变器将直流逆变成可控的三相交流正常工作时,超级电容器将整流器直接提供的直流能量储存起华北电力大学来,当系统出现故障或者负荷功率波动较大时,通过逆变器将电能释放出来,准确快速补偿系统所需的有功和无功,从而实现电能的平衡与稳定控制如果所逆变的电压高于系统电压,那么逆变器就向系统提供功率;如果电压低于系统电压,它将吸收功率双向DC/DC变换器实现直流低压侧超级电容器组与直流高压侧之间的能量转换。超级电容器储能系统在电力充足时将电力储存起来而在电力供应不足时回馈给电网，保证电网负载始终是均衡的。同时，超级电容器储能系统可以改善电能质量，取代目前使用的提高重要负载设备如通信设备计算机和医疗设备等的供电靠性。由此可见既经济可靠又对环境友好的超级电容器储能系统是大有市场前景的。研究超级电容器储能系统在微电网中的应用也符合对环境保护的要求。太阳能、风能和燃料电池等无污染能源储存在超级电容器中，适时提供电能不需要投资大的发电站，也不需要复杂的输送电网，是一种投资少又能有效应用可再生能源的节能措施[9,10,11]。超级电容器组Ic+-Uc双向DC/DC变换器+-Udc逆变器接微电网母线或馈线图4超级电容器储能结构示意图3.2储能元件对比表1储能元件对比图元件名称蓄电池超级电容器超导储能飞轮储能能量密度（Wh/kg）20~1001~1015~50功率密度（W/kg）50~2007000~180001000180~1800循环寿命（次）310610610610效率(%)80~85959090~95安全性高高低不高维护量小很小大较大对环境影响污染无污染无污染无污染成本（p.u.）18204蓄电池技术成熟、价格低，但其循环寿命低、污染环境，即将被新型环保的储能元件取代。飞轮储能、超导储能和超级电容器均为优秀的储能元件，是未来的发展方向，它们具有类似的特性，都可以应用于微电网中。超导储能、飞轮储能都可以用于快速补偿，但其功率密度比超级电容器低得多，效果要差一些。和其他储能方式相比，超导储能价格昂贵，储能超导本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。而飞轮储能受到转速及机械强度的限制。在微电网中，由负荷或者为电源导致的电能质量问题往往具有持续时间短、出现频繁的特点。相比较而言，作为短期储能装置，超级电容器更为理想。虽然目前超级电容器价格依然偏高，但随着价格的逐渐下降，超级电容器作为一种高效、实用、环保的能量存储装置，华北电力大学必然会成为理想的选择[1,6]。4储能装置的控制策略[3]（1）储能系统补偿负荷端电压发电机储能系统负荷12MPMQsysPsysQesPesQ图5系统示意图发电机电压不稳，发生电压波动，而要保持负荷端电压稳定，即母线2处电压稳定。esMsysesMsysQQQPPP（1）esesesjQPI（2）无论何种类型的储能系统都可以进行解耦控制，使得其具有独立四象限调节有功功率和无功功率的能力，对于功率源型，其输出功率的计算可由如下式子表示SETQqesSETppesQSTKQPSTKP11(3)式中，pK，qK分别为有功和无功响应的增益系数，pT，qT为对应的功率响应延时，esP，esQ为储能系统向系统输入的有功及无功功率，SETP,SETQ为期望得到的控制功率。这样通过控制SETP,SETQ就可以实现独立控制esP、esQ的目的。储能系统具有很快的响应速度。从而得到结论，有功和无功功率综合控制的思路为：首先由控制信号母线1处的相角差和电压差分别通过控制器产生期望得到的控制功率，并通过相应的计算得到储能系统发出的有功无功，进而得到储能系统输入系统的有功无功电流，从而达到调节电压的目的，使得负荷端电压保持稳定。（2）储能系统抑制系统振荡华北电力大学储能系统iPiQLQesPesQesILPLVPQLIi负荷图6系统示意图由于微网中，分布式电源多采用风电、光伏等微源，这些发电系统由于自身不稳定（如风场的间断性，太阳能的周期性），发出的功率产生振荡，再者，微网中的各种故障也将会给系统带来功率振荡，因此应用储能技术抑制微网功率振荡很有必要。节点i处的功率发生振荡，储能系统并联接入到i节点与负荷之间以起到稳定输入到负荷端的功率的作用。根据功率平衡原理有esiLesiLQQQPPP（4）通过控制储能系统输入到系统的有功和无功功率可以起到调节负荷端有功和无功功功率的效果。抑制功率振荡的控制思路为：首先由节点i处的Pi控制测量量和Qi控制测量量分别通过控制器产生期望控制功率，并通过储能系统功率控制模块得到储能系统输出的功率输入到系统中，从而抑制i节点处的功率振荡。4结论近年来，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，