新能源-微電網中各種儲能方式比較

鑒于微電網系統的特點和儲能的作用，對儲能裝置的性能特點具有較為*的要求。概括起來包括：能量密度大，能夠以較小的體積重量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統功率突變時所需的補償功率，具有較快的響應速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應一些特殊環境；以及環境友好等?，F階段微電網中可利用的儲能裝置很多，主要包括蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能等。
2.1 蓄電池儲能
    蓄電池儲能是目前微電網中應用zui廣泛、zui有前途的儲能方式之一。蓄電池儲能可以解決系統高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協助無功補償裝置，有利于抑制電壓波動和閃變。然而蓄電池的充電電壓不能太高，要求充電器具有穩壓和限壓功能。蓄電池的充電電流不能過大，要求充電器具有穩流和限流功能，所以它的充電回路也比較復雜。另外充電時間長，充放電次數僅數百次，因此限制了使用壽命，維修費用高。如果過度充電或短路容易爆炸，不如其他儲能方式安全。由于在蓄電池中使用了鉛等有害金屬，所以其還會造成環境污染。蓄電池的效率一般在60%~80%之間，取決于使用的周期和電化學性質。目前，按照其使用不同的化學物質，可以將蓄電池儲能分為以下幾種方式：
（1）鉛酸蓄電池
    盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點，但是目前能夠商業化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有幾個比較顯著的優點：成本低廉，原材料豐富，制造技術成熟，能夠實現大規模生產。但是鉛酸蓄電池體積較大，特性受環境溫度影響比較明顯。
（2）鋰離子電池
    鋰離子電池是近年來興起的新型高能量二次電池，由日本的索尼公司在1992 年推出。其工作電壓高、體積小、儲能密度高（300～400 kWh/m3）、無污染、循環壽命長。但是鋰離子電池要想大規模生產還有一定難度，因為它特殊的包裝和內部的過充電保護電路造成了鋰離子電池的高成本。
（3）其他電池
    隨著技術的不斷發展，近年來鈉硫電池和液流釩電池的研究取得突破性進展。這兩種電池具有高能量效率、無放電現象、使用壽命長等優良特性，在國外一些微電網研究系統中得到運用。但是，由于價格原因，在微電網中的大規模運用還有待時日。
2.2 超導儲能
    超導儲能系統（SMES）利用由超導體制成的線圈，將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存起來，在需要時再將儲存的能量送回電網或直接給負荷供電。
SMES 與其他儲能技術相比，由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高；并且能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘，因此采用SMES 可使電網電壓、頻率、有功和無功功率容易調節。但是，超導體由于價格太高，造成了一次性投資太大。隨著高溫超導和電力電子技術的發展促進了超導儲能裝置在電力系統中的應用，在20 世紀90 年代已被應用于風力發電系統和光伏發電系統。SMES 快速的功率吞吐能力和較為靈活的四象限調節能力，使得它可以有效地跟蹤電氣量的波動，提高系統的阻尼。文獻提出使用超導儲能單元使風力發電機組輸出的電壓和頻率穩定，SMES 單元接于異步電機的母線上，SMES 的有功控制器采用異步發電機的轉速偏差量作為控制信號。文獻利用超導儲能系統使光伏系統運行穩定性增加，并能提高吸收和釋放有功、無功的速率。
2.3 飛輪儲能
    飛輪儲能技術是一種機械儲能方式。早在20世紀50 年代就有人提出利用高速旋轉的飛輪來儲存能量，并應用于電動汽車的構想。但是直到80年代，隨著磁懸浮技術、高強度碳素纖維和現代電力電子技術的新進展，使得飛輪儲能才真正得到應用。
    當飛輪存儲能量時，電動機帶動飛輪旋轉加速，飛輪將電能儲存為機械能；當外部負載需要能量時，飛輪帶動發電機旋轉，將動能變換為電能， 并通過電力電子裝置對輸出電能進行頻率、電壓的變換，滿足負載的需求。飛輪儲能具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能量等優點，并且充電快捷，充放電次數無限，對環境無污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。國內外對其在微電網中的運用做了不少研究。文獻提到利用飛輪儲能解決微電網穩定性的問題，建立了微網中的飛輪儲能模型，并利用PQ 控制實現了系統的穩定性。文獻采用靜止無功補償器與飛輪儲能系統相結合，以減小風電引起的電能質量問題，文中建立了系統的模型，并取得了很好的效果。
2.4 超級電容器儲能
    超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統電容器釋放能量快的特點，逐漸在儲能領域中被接受。根據儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學電容器。
    超級電容器作為一種新興的儲能元件，它與其他儲能方式比較起來有很多的優勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長[22]等特點。與飛輪儲能和超導儲能相比，它在工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，相應的可靠性非常高。這樣的特點使得它在應用于微電網中有一定優勢。在邊遠的缺電地區，太陽能和風能是zui方便的能源，作為這兩種電能的儲能系統，蓄電池有使用壽命短、有污染的弱點，超導儲能和飛輪儲能成本太高，超級電容器成為較為理想的儲能裝置。目前，超級電容器已經不斷應用于諸如高山氣象臺、邊防哨所等的電源供應場合。但是超級電容器也存在不少的缺點，主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大、電容的串聯均壓問題。
2.5 超級電容器與蓄電池混合儲能系統
    從蓄電池和超級電容器的特點來看，兩者在技術性能上有很強的互補性。蓄電池的能量密度大，但功率密度小，充放電效率低，循環壽命短，對充放電過程敏感，大功率充放電和頻繁充放電的適應性不強。而超級電容器則相反，其功率密度大，充放電效率高，循環壽命長，非常適應于大功率充放電和循環充放電的場合，但能量密度與蓄電池相比偏低，還不適宜于大規模的電力儲能。如果將超級電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環壽命長等特點相結合，無疑會大大提高儲能裝置的性能。文獻[27-31]研究發現，超級電容器與蓄電池并聯，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內部損耗、增加放電時間；可以減少蓄電池的充放電循環次數，延長使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統的可靠性和經濟性。國外在這方面作了一些理論研究和模型測試，文獻研究了混合儲能系統在可再生能源的利用。根據系統的實際情況和負載用電的要求，蓄電池和超級電容器可以包括直接并聯、同電感器并聯和同功率變換器并聯等，通過后一種方式可以利用功率變換器的變流作用，獲得zui大的性能提高。
2.6 其他儲能
    在微電網系統中，除了以上幾種儲能方式外，還有可能用到抽水儲能、壓縮空氣儲能等。抽水儲能在集中方式中用得較多，并且主要是用來調峰。壓縮空氣儲能是將空氣壓縮到高壓容器中，它是一種調峰用燃氣輪機發電廠，但是當負荷需要時消耗的燃氣比常規燃氣輪機消耗的要少40%。表1 為各種儲能方式性能比較。從表1 可以看出，現階段由于技術和成本的原因，鉛酸蓄電池的優勢還比較明顯，但是從長遠考慮，隨著其他儲能方式價格的下降、技術的成熟和環保要求的逐漸提高，其他儲能以及混合儲能將會在微電網中得到更加廣泛的運用。