新能源-微电网中各种储能方式比较

 
鉴于微电网系统的特点和储能的作用，对储能装置的性能特点具有较为独特的要求。概括起来包括：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，具有较快的响应速度；储能效率高；高低温性能好，能够适应一些特殊环境；以及环境友好等。现阶段微电网中可利用的储能装置很多，主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等。
2.1 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。目前，按照其使用不同的化学物质，可以将蓄电池储能分为以下几种方式：
（1）铅酸蓄电池
    尽管铅酸蓄电池还有不少缺点，但是目前能够商业化运用的主要还是铅酸蓄电池，它具有几个比较显著的优点：成本低廉，原材料丰富，制造技术成熟，能够实现大规模生产。但是铅酸蓄电池体积较大，特性受环境温度影响比较明显。
（2）锂离子电池
    锂离子电池是近年来兴起的新型高能量二次电池，由日本的索尼公司在1992 年率先推出。其工作电压高、体积小、储能密度高（300～400 kWh/m3）、无污染、循环寿命长。但是锂离子电池要想大规模生产还有一定难度，因为它特殊的包装和内部的过充电保护电路造成了锂离子电池的高成本。
（3）其他电池
    随着技术的不断发展，近年来钠硫电池和液流钒电池的研究取得突破性进展。这两种电池具有高能量效率、无放电现象、使用寿命长等优良特性，在国外一些微电网研究系统中得到运用。但是，由于价格原因，在微电网中的大规模运用还有待时日。
2.2 超导储能
    超导储能系统（SMES）利用由超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再将储存的能量送回电网或直接给负荷供电。
SMES 与其他储能技术相比，由于可以长期无损耗储存能量，能量返回效率很高；并且能量的释放速度快，通常只需几秒钟，因此采用SMES 可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。但是，超导体由于价格太高，造成了一次性投资太大。随着高温超导和电力电子技术的发展促进了超导储能装置在电力系统中的应用，在20 世纪90 年代已被应用于风力发电系统和光伏发电系统。SMES 快速的功率吞吐能力和较为灵活的四象限调节能力，使得它可以有效地跟踪电气量的波动，提高系统的阻尼。文献提出使用超导储能单元使风力发电机组输出的电压和频率稳定，SMES 单元接于异步电机的母线上，SMES 的有功控制器采用异步发电机的转速偏差量作为控制信号。文献利用超导储能系统使光伏系统运行稳定性增加，并能提高吸收和释放有功、无功的速率。
2.3 飞轮储能
    飞轮储能技术是一种机械储能方式。早在20世纪50 年代就有人提出利用高速旋转的飞轮来储存能量，并应用于电动汽车的构想。但是直到80年代，随着磁悬浮技术、高强度碳素纤维和现代电力电子技术的新进展，使得飞轮储能才真正得到应用。
    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。飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能量等优点，并且充电快捷，充放电次数无限，对环境无污染。但是，飞轮储能的维护费用相对其他储能方式要昂贵得多。国内外对其在微电网中的运用做了不少研究。文献提到利用飞轮储能解决微电网稳定性的问题，建立了微网中的飞轮储能模型，并利用PQ 控制实现了系统的稳定性。文献采用静止无功补偿器与飞轮储能系统相结合，以减小风电引起的电能质量问题，文中建立了系统的模型，并取得了很好的效果。
2.4 超级电容器储能
    超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质，与普通电容器相比，它具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，又保持了传统电容器释放能量快的特点，逐渐在储能领域中被接受。根据储能原理的不同，可以把超级电容器分为双电层电容器和电化学电容器。
    超级电容器作为一种新兴的储能元件，它与其他储能方式比较起来有很多的优势。超级电容器与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长[22]等特点。与飞轮储能和超导储能相比，它在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，相应的可靠性非常高。这样的特点使得它在应用于微电网中有一定优势。在边远的缺电地区，太阳能和风能是最方便的能源，作为这两种电能的储能系统，蓄电池有使用寿命短、有污染的弱点，超导储能和飞轮储能成本太高，超级电容器成为较为理想的储能装置。目前，超级电容器已经不断应用于诸如高山气象台、边防哨所等的电源供应场合。但是超级电容器也存在不少的缺点，主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压问题。
2.5 超级电容器与蓄电池混合储能系统
    从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性。蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强。而超级电容器则相反，其功率密度大，充放电效率高，循环寿命长，非常适应于大功率充放电和循环充放电的场合，但能量密度与蓄电池相比偏低，还不适宜于大规模的电力储能。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，无疑会大大提高储能装置的性能。文献[27-31]研究发现，超级电容器与蓄电池并联，可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间；可以减少蓄电池的充放电循环次数，延长使用寿命；还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。国外在这方面作了一些理论研究和模型测试，文献研究了混合储能系统在可再生能源的利用。根据系统的实际情况和负载用电的要求，蓄电池和超级电容器可以包括直接并联、同电感器并联和同功率变换器并联等，通过后一种方式可以利用功率变换器的变流作用，获得最大的性能提高。
2.6 其他储能
    在微电网系统中，除了以上几种储能方式外，还有可能用到抽水储能、压缩空气储能等。抽水储能在集中方式中用得较多，并且主要是用来调峰。压缩空气储能是将空气压缩到高压容器中，它是一种调峰用燃气轮机发电厂，但是当负荷需要时消耗的燃气比常规燃气轮机消耗的要少40%。表1 为各种储能方式性能比较。从表1 可以看出，现阶段由于技术和成本的原因，铅酸蓄电池的优势还比较明显，但是从长远考虑，随着其他储能方式价格的下降、技术的成熟和环保要求的逐渐提高，其他储能以及混合储能将会在微电网中得到更加广泛的运用。