微电网储能技术研究综述

表 1. 早期蓄电池储能方式比较
系统属性
铅酸电 池
能量/(kWh/m3) 7.1
功率/(kW/m3) 106.0
效率/%(24h) 92.0
循环寿命/次 400
成本/($/kW/h) 125.0
MH-Ni 电池 176.7 212.0 92.0 800 375.0
锂聚合物 电池 212.0 388.7 88.0 600 550.0
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
网安装的可提供峰值达 26.7 MW 电力的在线蓄电池 储能系统使系统大停电的可能性减小 60%以上。随着 科技的发展，钠硫电池、液流电池等一系列新型蓄电 池也开始不断涌现，其中，最早由美国航天局 (NASA)资助研发，澳大利亚的 Pinnacle VRB Ltd 公司 及加拿大的 VRB Power Systems 公司研究的大型液流 电池储能系统更是被视为新兴的、高效的且具有广阔 发展前景的大容量电力储能电池[10-11]。
超级电容储能系统共有 3 种工作状态，分别是储 存电能状态、释放电能状态和备用保持状态。图 1 给 出了超级电容储能系统的基本结构图，由图可知超级 电容的储能系统主要由超级电容器组、可进行能量变 换与传输的电能转换装置、控制系统三部分组成。其 中超级电容器组并联在系统与负荷之间，工作时由控 制系统对系统进行实时监测，实现控制工作状态，调 节微电网电能的目的。当供电充足时储能系统通过整 流器将电能储存在超级电容器组中，当电源不能满足 负荷需求时，储能系统向外供电ຫໍສະໝຸດ Baidu此时，由逆变器将 直流电转换为交流电，通过变压器将能量送回电网或 负荷[12]。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
微电网储能技术研究综述
黄珑 1，韩靖华 2,苏毅 2，成煜 2
1 广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004 2 广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004 Email: huanglong081@163.com
Keywords: micro-grid; energy storage technology;role;comparison
1 引言
随着社会经济的高速发展，电力需求增加，日益 紧张的能源问题为电力行业和环境保护带来了巨大的 挑战。已发展成为集中发电，远距离输电的大型互联 网络也暴露了当前电力系统安全性差、效益低等缺陷 [1-2]。针对这些问题，需要加大新能源以及可再生能源 [3]的发展力度，实行分布式发电[4]。而分布式电源对于 大电网是不可控源，为减小其对大电网的冲击，大电 网系统往往采取限制、隔离的方式处理分布式电源， 而且入网标准十分苛刻。为解决大电网与分布式电源 间的矛盾，出现了微电网的概念。
5.1 蓄电池储能
蓄电池储能是目前微电网中应用最为广泛、最有 前途的储能方式之一，主要由电池、直-交逆变器、 控制装置和辅助设备等组成，可以解决系统高峰负荷 时的电能要求，也可以协助无功补偿装置、抑制电压 闪变和波动，表 1 给出了早期几种蓄电池的工作方式 比较，由该表可知，早期的蓄电池具有对充电电源的 电流、电压要求较高，使用寿命短、维修费用高，环 保性差等不足[9]。通常蓄电池的效率取决于蓄电池自 身的使用周期和电化学性质，一般在 60%至 80%之 间。
摘 要：为了协调大电网和分布式电源的矛盾，满足分布式发电的需求，微电网得到了发展。储能系统作 为微电网中必不可少的部分，发挥了至关重要的作用。本文首先介绍了微电网和储能技术的概念，说明研究微 电网储能技术的意义；然后详细论述了储能技术在微电网中的作用；接着对应用于微电网中的各种储能系统进 行比较，指出它们的发展情况和不同特点；最后分析了储能技术在微电网中的发展趋势，明确其必将得到更加 广泛的应用。
4.3 保证电能质量
电压和频率质量的保证，是电力系统运行质量的 重要内容之一。储能系统采用电力电子器件进行整流 /逆变，使得储能系统具有四象限运行特性，可以在 任何时候进行无功的交换，从而调节系统无功，提高
系统的电压稳定性。同时，通过电力电子器件的控制 来调节输入/输出功率，启停迅速、运行灵活可靠， 具有非常好的负荷跟踪控制性能，能够根据系统负荷 变化快速调整出力来稳定系统频率，改善电网的电能 质量。
Abstract: In order to coordinate the contradiction between large power system and distributed power supply, to satisfy the demand of distributed generation,micro-grid has been developed.As an essential part of the micro-grid,energy storage system has played a vital role.This paper introduces the concepts of micro-grid and energy storage technology firstly,demonstrates the significance of researching the energy storage technology for micro-grid ； Then discusses in detail the role of energy storage technology in micro-grid;and compares various energy storage system for the micro-grid,points out their development conditions and different characteristics;finally analyzes the development trend of energy storage technology in micro-grid, clarifies that it will get more extensive application.
4.4 满足可再生能源发展的需要
多数可再生能源诸如太阳能、风能、潮汐能等具 有随机性、间歇性以及季节性的显著特点，当外界的 光照、温度、风力等发生变化时，微源相应的输出能 量就会发生变化，造成母线及附近电网的电压波动， 可再生能源频繁的并网和脱网等操作时也可能对附近 电网电压造成冲击，影响电网的供电质量。为此，可 以利用储能系统将可再生能源间接输入电网或存储起 来，连续稳定地为电网供电。大大地提高了可再生能 源利用率和电网供电质量，使可再生能源得到最大化 的开发利用，促进产业化发展。
微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的 自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立 运行。其是相对传统大电网的一个概念，是传统电网 向智能电网的过渡。微电网中的电源多为容量较小的 分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括 微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电 机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置。它们 接在用户侧，具有成本低、电压低以及污染小等特 点。
关键词：微电网；储能技术；作用；比较
A survey of energy storage technology for micro-grid
Huang Long1,Han Jinghua2,Su Yi2,Cheng Yu2
1 College of Electrical Engineering 2 College of Electrical Engineering Email: huanglong081@163.com
储能系统可以调节微电源性能，保证用户的供电 质量，提高微电网供电可靠性[6]，因此研究储能系统 在微电网中的应用具有十分重要的现实意义。
4 储能系统在微电网中的作用
4.1 提供短时供电
微电网有并网运行和孤岛运行[7]两种典型的运行 模式。在正常情况下，微电网处于并网运行状态；当 电网发生故障时，微电网将及时与电网断开，切换到 孤岛运行状态。微电网在这两种模式的转换中，通常 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，由于光伏发 电夜间无光、风力发电无风等外界条件的变化，会经 常导致没有电能输出，这时就需要储能系统向系统中 的用户持续供电。
图 1.超级电容储能系统基本结构
从 1957 年美国人 Becker 申报了第一项有关超级 电容器的专利之后，日本 NEC 公司率先与 1983 年将超 级电容器市场化，几十年来其在环保等方面的优势使 得超级电容器的发展非常迅速，引起了全世界的专 注。随着超级电容器性能的不断增强和控制技术的不 断进步,超级电容储能技术将在微电网系统中发挥更 重要的作用。 5.3 飞轮储能
3 储能技术
储能技术是指，将电能通过某种装置转换成其他
D-350
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
便于存储的能量高效存储起来，在需要时，可以将所 存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术。储 能系统由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件 组成的电网接入装置两大部分构成。储能装置主要实 现能量的储存、释放或快速功率交换。电网接入装置 实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换, 实 现电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统 稳定性等功能。
5 微电网中的储能方式
根据储能系统在微电网的作用，要求储能装置能 量密度大，能够以较小的体积重量提供较大的能量； 功率密度大，能够提供系统功率突变时所需的补偿功 率；并且具有较快的响应速度、储能效率高、环境友 好等。目前，适合微电网的常用储能装置[8]主要有蓄 电池储能、超级电容储能、飞轮储能和超导储能：
4.2 削峰填谷
电能的生产、输送和消费实际上是同时进行的， 不能大量存储。微电网存在大量的分布式电源，用电 负荷总是不均衡的，在不同时间和季节出现了峰谷差 大的现象。现阶段电网中绝大部分的调峰只能依靠常 规电厂来承担，增加对电力设备的投资成本，其中绝 大部分要由燃煤电厂负担，单位煤耗增加。储能系统 可以在负荷低谷时将电能存储，在电网负荷高峰时发 电，提供出力，使得火电机组稳定出力运行，降低火 电厂的运行费用和发电成本，保证电网安全、稳定运 行。而且，储能系统相对传统的调峰电厂响应速度以 ms为单位，启停迅速，调节方便，其而大型煤电机组 从冷态到满载需要5至8小时，所以储能系统是很好的 备用电源。
钠硫电池
247.3 530.0 88.0 1000 350.0
钠盐电池
176.7 530.0 87.0
800 300.0
5.2 超级电容储能
超级电容器是一种新兴的储能元件，它是由特殊 材料制作的多孔介质，与传统电容器相比，超级电容 器继承了传统电容器释放能量块的特点，又具有更高 的介电常数、更大的耐力电压以及更大的存储容量。 超级电容按照不同的分类方式具有不同的分类：按照 储存电能的机理不同，可将超级电容分为双电层电容 器 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)和法拉第准 电容器 FPC(Faraday Pseudo Capacitor)；按电极材料 的不同可将超级电容器分为碳电极、贵金属氧化物电 极和导电聚合物电极等。
2 微电网概念
微电网（Micro-Grid）也译为微网,目前国际上对
微电网没有统一的定义，其中美国电气可靠性技术解
决方案联合会(CERTS)于2002年给出权威的定义:微电 网是一种由负荷和微型电源共同组成系统,可同时提 供电能和热能;微电网内部电源主要由电力电子器件 负责能量转换,并提供必需的控制;微电网相对于外部 大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对 电能质量和供电安全的要求[5]。
目前，在电力系统中被广泛使用的多为技术成 熟、结构成本低、可靠性好的铅酸蓄电池。截止到 2011 年，全世界在电力系统内安装运行的大型蓄电 池储能装置已经超过了 20 个。1992 年，日本索尼公 司率先推出了工作电压高、体积小、储能密度高、无 污染的、循环寿命长的锂离子电池；美国阿拉斯加电
D-350