储能系统在分布式发电中的应用

储能系统在分布式发电中的应用章建峰，杨祯，鲍陈磊，张艳军（中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031）摘要：当今分布式发电成为可再生能源利用的一种主要方式，但可再生能源的间歇性可引发分布式发电系统的电能质量问题，因此在这种情况下储能系统应运而生。文章介绍了蓄电池、超级电容、燃料电池以及飞轮等几种常见的储能技术，分析了各自的工作原理与优缺点，最后探讨了直流母线组网方式的储能单元接入方式，给出了适合于分布式发电系统的隔离型Buck/Boost双向变换器，并比较了其优缺点。关键词：可再生能源；储能系统；分布式发电；Buck/Boost双向变换器中图分类号：U665.14文献标志码：A【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2015.Z.005ResearchonEnergyStorageSysteminDistributedPowerGenerationZHANGJian-feng,YANGZhen,BAOChen-lei,ZHANGYan-jun(ShanghaiMarineEquipmentResearchInstitute,Shanghai200031,China)Abstract:Today,thedistributedpowergeneration(DG)becomesamainapplicationoftherenewableenergy.However,duetotheintermittencyoftherenewableenergy,problemssuchaspoorpowerqualitieshavebecomeimportantrestraintsfortheapplicationofDG,underthiscircumstance,theenergystoragesystemisbroughtintoresearchasrequired.Inthispaper,somecommonenergystoragedevicessuchasstoragebattery,super-capacitor,fuelcellandflywheel,areintroducedwiththeirworkingprincipleanalyzedandadvantagesanddisadvantagescompared.Inthefinal,thedcbusaccessnetworkmodeoftheenergystorageunitisstudied,andaseriesofisolatedBuck/BoostBi-directionalconverter,whicharesuitablefordistributedpowergenerationsystem,arestudiedwiththeiradvantagesanddisadvantagescompared.Keywords:renewableenergy;energystoragesystem;distributedpowergeneration;Buck/Boostbi-directionalconverter0引言随着人类社会的不断发展，工业化和城市化进程的不断提高，当今世界面临着越来越严峻的能源危机与环境污染问题，在这种背景下，以太阳能、风能为代表的可再生能源因其储量丰富、环境友好等优点而得到广泛重视。目前可再生能源的主要利用方式是分布式发电系统。基于可再生能源的分布式发电系统靠近用户现场，具有与环境友好、能源安全、高效、可靠性高等优点，可支持配电网的经济运行，得到广泛的关注与研究[1]。然而，由于可再生能源具有间歇性、随机性等特点，其送往电网的能量具有波动性，将导致分布式发电系统不稳定以及电能质量不好等[2]。而储能系统的引入，可以有效平抑分布式电源送入电网的功率脉动，从而改善电网的电能质量[3]。1储能技术分类储能即将电能转化成其它形式的能量，便于存储和利用。目前对于储能的研究包括很多方面，主要有：对各种储能方法的研究和比较、储能系统的控制方法、储能环节变换器的设计、储能系统的能量管理等。根据分布式发电系统的功率等级、体积、质量、响应时间以及工作温度，可以选用合适的储能技术，常用的储能技术主要有蓄电池储能、超级电容储能、燃料电池储能以及飞轮储能等。1.1蓄电池储能蓄电池储能具有低成本、方便快捷等优点，它将收稿日期：2015-04-15；修回日期：2015-05-11作者简介：章建峰（1978-），男，硕士研究生。研究方向：船舶电源及智能配电。电能转化成化学能储存在电解液中。蓄电池通常由正负电极和电解液构成，根据采用的材料不同，蓄电池可分为锂电池、铅酸电池、镍电池和钠硫电池等，表1给出了以上这几种蓄电池之间的品质比较。表1各种蓄电池品质比较电池类型效率/%能量密度/Wh·kg-1功率密度/W·kg-1充电次数/次铅酸电池70~8020~3525200~2000锂电池70~85100~200360500~2000镍电池60~9040~60140~180500~2000钠硫电池701201202000铅酸电池因其能量密度小、价格低廉等特点而广泛应用于小型分布式发电系统中（如小型光伏发电系统）；高科技锂电池因其能量密度高、使用寿命长、安全系数高等而广泛应用于大型分布式发电系统中。单个蓄电池电压等级低，因此在实际应用中，通常需要多个蓄电池串联或并联使用以达到系统要求的电压和功率等级。在这种情况下，需要采用蓄电池管理系统，其作用在于可减少系统功率损耗、优化系统性能、延长电池使用寿命等[4]。蓄电池管理系统一般需具备过压保护、过流保护、欠压保护、过热保护等。图1给出了蓄电池管理系统的典型结构框图。其中，均衡单元通过电压监测及控制保证串联各个蓄电池电压在限定值以下，采样单元将电压、电流和温度信息采样，再将相关信息送到相应的管理单元，由管理单元实现对蓄电池的保护，同时与上层控制器进行通讯，以控制蓄电池的充放电。图1蓄电池管理系统1.2超级电容储能超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件，与常规电容器不同，超级电容器的容量很大，可达法拉级甚至到数千法拉。超级电容器兼有常规静电电容器的高功率密度，以及充电电池所具有的高能量密度，填补了充电电池和传统电容器之间的储能技术的空白。与普通电容一样，超级电容储存的能量用库仑或安秒来表征，即：AQCVVd（1）式中：A为金属电极的面积；ε为介电常数；d为两电极之间的距离；V为两电极之间的电压a。可见超级电容储存的能量与A、ε和V成正比，与d成反比。超级电容之所以具有这么高的功率密度和能量密度，关键在于其具有远高于常规电容的电极面积和介电常数。超级电容器主要具有以下优点：1）充放电效率高，充放电循环寿命长；2）响应速度快、能量转换效率高、使用寿命长；3）高功率应用场合，质量小、体积小、节省占地空间；4）电容量大，可达数千法拉；5）对环境友好，真正做到无污染、免维护；6）能适应较恶劣的环境温度（-40℃~60℃）；7）其存储的能量大小与其端电压数学关系简单，只需通过检测其两端端电压的大小，就可以估算出其储存能量的大小，方便储能系统的能量管理、简化控制策略。蓄电池采用化学储能方式，而超级电容则采用物理储能的方式，这将大大增加其使用寿命，提高其充放电效率，提高其功率密度和能量密度。图2给出了超级电容与蓄电池的放电特性比较，从图中可以看出，由于不存在化学反应，超级电容能够完全放电，即其具有更低的放电深度和更大的电压变化范围[5]。图2蓄电池与超级电容的开路电压变化范围1.3燃料电池储能燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置，在原理和结构上与传统的蓄电池完全不同，其活性物质储存在电池之外，只要源源不断地供给燃料和氧化剂，燃料电池就能一直发电，因此其容量是无限的。传统蓄电池的容量是有限的，其活性物质一旦消耗完，电池寿命即告终止[6]。以氢氧燃料电池和质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）为例，分析燃料电池储能的工作原理及特点。氢氧燃料电池由正极、负极和中间的电解质板组成，氧气和氢气通过不同的电极注入，在燃料电池内部发生化学反应生成电、水和热。氢氧燃料电池的工作过程其实就是交替进行的电解过程，只要燃料（氢气和氧气）充足，燃料电池就可以持续不断的供电，由于燃料电池供电依靠氢气和氧气的化学反应，因此其二氧化碳的排放非常低。质子交换膜燃料电池是目前应用最多、商业化程均衡单元均衡单元均衡单元均衡SoC监测温度采样电压监测采样电池保护通讯管理温度电压电流至控制器放电深度蓄电池Voc/Vmax超级电容Voc/Vmax镍电池锂电池铅酸电池超级电容度最高的燃料电池，其单体的基本结构图如图3所示，主要由三个主要部分组成：燃料极、空气极和质子交换膜。其工作原理是，从燃料极处的氢气中抽取电子，这些电子通过外部电路流到空气极，而余下的正离子（氢离子）将通过质子交换膜到达空气极，氢离子、从负极吸收的电子将在此处与氧气发生化学反应生成电、水和热。图3质子交换膜结构图1.4飞轮储能飞轮储能，即通过飞轮将电能转换为动能的形式储存起来，飞轮所储存的动能可表示为：221212EJJMr（2）式中：E表示飞轮所储存的动能；J为飞轮的转动惯量；ω为飞轮转动角速度；M为飞轮质量；r为飞轮半径。从式（2）可以看出，增加飞轮转动惯量或其转动角速度可以增加飞轮储存的动能，但其储存的动能与其转速是平方的关系，因此，提高飞轮的转速在实际应用中更具有价值。图4给出了典型的飞轮储能系统结构框图，它主要由飞轮、电动机/发电机和电力电子变换器构成。当飞轮存储能量时，电机工作在电动机状态，使飞轮转速上升，动能增加；当飞轮释放能量时，电机工作在发电机状态，使飞轮转速下降，动能减少[7]。图4飞轮储能系统构成图2混合储能系统在实际的应用场合，单一的储能方式往往无法满足系统对于能量密度、功率密度、成本以及寿命的所有要求，因此需要采用多种储能方式进行互补使用。以蓄电池和超级电容为例，分析混合储能系统的构成方式及其特点。蓄电池和超级电容之间的连接方式分为不控连接和可控连接，又称为无源连接和有源连接。不控连接指蓄电池和超级电容直接并联使用（图5），具有结构简单、成本低等优点，但由于蓄电池和超级电容直接并联，故要求超级电容的端电压必须与蓄电池一致，而且超级电容输出电流纹波较大，影响蓄电池使用寿命，系统的配置不灵活。可控连接指蓄电池和超级电容通过电力电子变换器将其连接起来（图6），具有配置灵活、效率高等优点，由于两者通过电力电子变换器连接，超级电容的端电压不必与蓄电池一致，系统配置更为灵活，且能对蓄电池的充放电过程进行更好的控制，具有更高的效率，但系统结构和控制复杂。图5蓄电池和超级电容的无源连接(a)串联可控连接(b)并联可控连接图6蓄电池和超级电容的可控连接3电力电子接口电路图7给出了基于直流母线组网方式的分布式发电系统框图，蓄电池和超级电容通过双向DC-DC变换器与直流母线相连接，这种结构具有以下优点：1）系统额定工作时，可再生能量中的功率波动可以直接通过双向变换器储存在储能装置中，有利于提高系统的稳定性和进网电能质量。2）系统过载工作时，分布式电源可以额定运行，仅提供额定功率，多余的能量由储能装置来供给，因此单向变换器的功率等级可按额定功率来设计，这将大大减小系统的体积和成本。3）双向变换器一端接至直流母线，而直流母线的电压相对比较稳定，则可减小双向变换器的电感，提高系统的动态性能。图7基于直流母线方式的分布式发电系统图8Buck/Boost双向变换器基本构成图7中的双向DC-DC变换器通常采用Buck/Boost双向变换器，其结构如图8所示。该种类型变换器既可工作在Buck模式，能量从高压端送至低压端，又可工作在Boost模式，能量从低压端送至高压端。这种Buck/Boost双向变换器采用非隔离型结构，具有结构简单、效率较高等优点，但其缺点在于调压范围较窄，当变换器两端电压差距较