海岛独立型微电网储能类型选择与商业运营模式探讨_赵波

ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１２１１０１４海岛独立型微电网储能类型选择与商业运营模式探讨赵　波１，王成山２，张雪松１（１．浙江省电力公司电力科学研究院，浙江省杭州市３１００１４；２．天津大学电气与自动化工程学院，天津市３０００７２）摘要：储能系统在海岛独立型微电网中具有协调负荷和平抑波动的作用，选择合适的储能技术才能充分体现其价值和作用。

首先，介绍了主流储能技术类型，并针对海岛独立型微电网特点，从技术和成本角度分析了适宜海岛独立型微电网的储能类型。

其次，对海岛独立型微电网中储能系统优化配置模型进行了分析，并从储能单位功率和单位能量成本的角度对储能技术经济性进行了讨论，重点比较分析了铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池的性能。

最后，对海岛独立型微电网中储能技术的商业运营模式进行了探讨，对不同储能技术对应的补贴方式给出了建议。

关键词：海岛；微电网；储能系统；容量配置；经济分析；商业运营模式收稿日期：２０１２－１１－０２。

国家自然科学基金资助项目（５１２０７１４０）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１１ＡＡ０５Ａ１０７）；国家电网公司科技项目“间歇式可再生能源海岛电网运行技术研究及工程示范”和“分布式电源接入系统后多元复合储能关键技术研究及实验平台建设”。

０　引言中国海岛众多，岛、礁、滩、沙总量超过一万个。

海岛及其周围海域蕴藏着丰富的渔业、石油、旅游、港口、矿产资源，海岛开发具有非常重要的经济和战略意义。

近年来，各级政府对海洋经济开发、海岛资源利用、海岛居民生活条件的提高日益重视，开发规模和力度空前。

由于与陆地隔离，海岛的开发深受电力、饮用水紧缺和交通困难的制约。

已建的海岛电力系统往往采用柴油发电机作为主电源［１］，柴油的供应增加了交通运输的费用和压力，而且在重视旅游业的海岛地区，柴油发电机会产生大量的污染和噪声，严重破坏了海岛脆弱的生态环境。

此外，使用单一柴油发电机的系统供电可靠性较低，经常出现供电短时甚至较长时间的中断，给当地居民生产、生活造成极大的不便。

海岛地区虽电力紧缺，但风能、太阳能、海洋能等可再生能源十分丰富，有效开发可再生能源以解决岛上电力不足，对海岛可持续发展具有明显的实际意义。

近年来，分布式可再生能源发电技术发展迅速，在这种背景下，使用可再生能源加柴油发电机的海岛独立型微电网模式应运而生。

但由于风光资源的间歇性及波动性［２］，仅包含可再生能源和柴油发电机的系统的可再生能源渗透率非常低［３］，其实质仍然是以柴油发电机为主的供电模式。

因此，海岛独立型微电网通常需要配置储能系统来调节发电与负荷之间的平衡，从而最大化地利用可再生能源，减少柴油发电机运行时间，提高供电可靠性，减少柴油使用量与环境污染［４－７］。

现阶段，储能类型繁多，各种类型的储能系统适用范围、自身特性及成熟度差异大，且应用成本差异更大，因此在海岛独立型微电网中如何选择合适的储能类型以最大限度地减少成本并提高储能的应用效率成为非常重要的一项研究课题。

近年来，浙江省电力公司与相关合作单位致力于海岛微电网的研究与示范工程建设，其技术负责的舟山东福山岛风光柴储海水淡化示范工程已稳定运行一年多，可再生能源发电比例已达到５０％以上，储能系统的运行达到设计要求。

近期，在温州正在建设中的南麂岛兆瓦级离网型微电网示范工程和鹿西岛兆瓦级并网型微电网示范工程都是国内有较大影响力的微电网项目。

这些示范工程需要解决的核心问题之一就是储能系统的选择，本文的目的是通过几个示范工程建设所获得的一些经验，阐述海岛独立型微电网适宜的储能类型选择与商业运营模式，为后续海岛微电网的研究建设提供参考。

１　主要储能类型主流储能按技术类型分类主要有物理储能、化学储能和电磁储能。

１．１　主要物理储能方式１）飞轮储能［８］飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动—１２—第３７卷　第４期２０１３年２月２５日Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．４Ｆｅｂ．２５，２０１３机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。

出现谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动发电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

２）抽水蓄能抽水蓄能电站利用负荷低谷时的剩余电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在负荷高峰时段将水放出发电，并流入下水库。

３）压缩空气储能［９］压缩空气储能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电力，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭空间里，即将不可储存的电能转化成可储存的气压势能并贮存于储气室中。

在用电高峰期时将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机发电，满足系统调峰需要。

１．２　主要化学储能方式１）铅酸电池铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。

铅酸电池在荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正、负极的主要成分均为硫酸铅。

２）镍镉电池镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，主要作用是增强导电性。

负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，电解液通常用氢氧化钾溶液。

镍镉电池有记忆效应。

３）镍氢电池镍氢电池由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多３０％，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，无记忆效应。

镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池昂贵。

４）锂离子电池锂离子电池是一种以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，通过锂离子在电池正、负极之间的往返脱出和嵌入实现充放电的二次电池。

锂离子电池实际上是锂离子的一种浓差电池，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，并嵌入负极材料的微孔中；放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，运动回到正极。

５）全钒液流电池全钒液流电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正、负极电极反应活性物质，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。

６）钠硫电池钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池［１０］，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

钠硫电池在高温３５０℃下才能熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。

１．３　主要电磁储能方式１）超导磁储能［１１］超导磁储能是将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，线圈损耗几乎为零，电流便会持续下去。

２）超级电容器储能［１２］超级电容器也称为双电层电容器，其中的电荷以静电方式存储在电极和电解质之间的双电层界面上，在整个充放电过程中，几乎不发生化学反应，因此产品循环寿命长、充放电速度快。

超级电容器主要采用具有高比表面积的碳材料作为电极，采用水系或有机系溶液作为电解液。

如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；与铝电解电容器相比，其内阻较大。

２　海岛独立型微电网适宜储能类型分析由于孤立于大电网，海岛独立型微电网具有特殊的经济特性和技术特性。

相比于大电网，海岛独立型微电网规模相对较小，导致单位能量的价格远高于大电网。

选择适宜海岛独立型微电网的储能类型，对于整个系统的平稳运行与总体成本至关重要。

本节主要依据各种储能类型特点及海岛独立型微电网特性来分析适宜的储能类型选择。

衡量一种储能技术最基本的指标主要包含以下几个部分：①能量存储容量［１３］；②充电率和放电率；③使用寿命；④能量转换效率；⑤初始投资成本；⑥运行成本；⑦能量密度、功率密度。

２．１　难以在海岛独立型微电网应用的储能技术１）抽水蓄能如图１所示，抽水蓄能仅仅适用于较大容量的电力系统，抽水蓄能电站功率往往在１００ＭＷ以—２２—２０１３，３７（４）　上，因此在总容量范围通常为１０ＭＷ及以下的海岛独立型微电网中，抽水蓄能的应用前景黯淡。

此外，抽水蓄能电站的建设周期非常长，至少需要３～５ａ时间，以上种种因素都表明抽水蓄能不适宜应用于总容量在１０ＭＷ及以下的中小型海岛独立型微电网中。

此外，抽水蓄能还严重依赖于当地的地理因素，由于岛屿环境保护严格，抽水蓄能是否破坏海岛脆弱的生态环境也是限制发展的主要因素。

图１中：纵向表示额定功率放电时间，横向表示系统额定功率；ＵＰＳ为不间断电源。

图１　主要储能技术的额定功率与放电时间分类Ｆｉｇ．１　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅｔｉｍｅ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ２）大规模压缩空气储能类似于抽水蓄能，大规模压缩空气储能涉及的功率规模非常大，只适用于大功率调节，且受地理环境影响巨大，难以适应中小型海岛独立型微电网的需求。

２．２　具有一定发展前景的储能技术１）超导磁储能超导磁储能容量通常在０．０１～１ＭＷ之间，以匹配海岛独立型微电网的容量，且功率大、体积小、损耗小、不受地理位置影响，可以应用于海岛独立型微电网的储能系统。

但需要维持超导磁储能环境低温，使得成本较高，加之超导磁储能仍在技术发展中，成熟应用且经济性可以接受还需要一定时间。

２）小型压缩空气储能小型压缩空气储能与前面提到的大规模压缩空气储能技术原理相同，区别在于将空气存储到地上且容量较小的容器（比如金属罐）里。

现阶段小型压缩空气储能成熟产品不多，且成本较高、转换效率相对较低。

随着技术的发展，若能将成本降低，并进一步提高能量转化效率，在海岛独立型微电网中还是有其应用前景的。

３）超级电容储能超级电容储能功率密度高，循环寿命长，属于功率型储能，在海岛独立型微电网中可将其与主要储能方案配合形成互补方案，用以提供瞬时大功率供电。

但若使用超级电容作为主要储能元件，成本将会非常高，且应用不当会造成电解质泄露等现象。

现阶段，大规模超级电容在独立型海岛中的应用还较少，浙江省电力公司正在建设的南麂岛和鹿西岛微电网示范工程都包含超级电容储能，主要作用是平抑风电波动性，均属于试验阶段。

４）飞轮储能国外文献已有介绍使用飞轮储能辅助铅酸蓄电池作为海岛独立型微电网的储能方案，铅酸蓄电池作为主要储能元件，飞轮用来平抑波动。

飞轮储能最适于短时储能释放，如低于１ｍｉｎ。

若在长时间尺度上，飞轮储能价格昂贵且无法做到长时间供电，难以独自适应海岛独立型微电网的需求。

目前飞轮储能成熟产品较少，都处于小规模工程试验阶段。

２．３　工程应用广泛但并未广泛采纳的储能技术１）氢气储能和燃料电池／液流电池加拿大英属哥伦比亚州的贝拉库拉微电网试验工程使用了氢气储能＋燃料电池／液流电池储能的复合储能系统。