智能电网中大规模储能技术研究

　　2.6.超级电容器

　　超级电容器由2个多孔电极、隔膜及电解质组成。超级电容器充放电的速度快，几乎没有充放电次数以及最大放电量的限制，平均寿命可达25年以上。缺点是储能密度低于一般的化学电池，且放电时间很短。其未来的发展主要是面向电动汽车，以及电力系统中短时间、大功率负载的平滑，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平等。

　　国外就超级电容器方面的研究较早，美国、日本和俄罗斯的大公司一直占据着这一行业大部分市场份额，产品领域包括电动汽车、轨道交通能量回收系统、小型新能源发电系统及军用武器等方面。我国在这个行业也有了一定成果，大庆华隆电子有限公司是我国首家实现超级电容器产业化的公司;无锡力豪科技有限公司与中科院电工研究所无锡分所经过多年联合攻关，于2011年8月成功研制出基于超级电容器的动态电压恢复器;超级电容公交电车方面，中国是唯一将超级电容公交车投入量产的国家。

各种储能方式特点及其优缺点比较如表1所示。

　　3.智能电网发展大规模储能的必要性

　　3.1.满足可再生能源发展需要

　　由于风能和太阳能等新能源具有随机性、间歇性、出力变化快等特点，而且风能还具有不可预测、反调峰特性，大容量的新能源发电直接并网会对电网运行、控制及有功调度带来较大的影响，并网问题现已成为了制约可再生能源发展的瓶颈。新能源发电设备中若配有储能装置，利用储能装置秒级甚至毫秒级的有功调节能力，可以平滑新能源的输出曲线。储能系统的有功动态调节能力使其可发挥类似发电机的对电网的频率调节作用，调和电力供给与需求之间的差异。储能系统在新能源领域的另一项应用是风光储一体化发电系统，该系统可以充分利用风能和光伏在时间和地域上的天然互补性，同时配合储能系统对电能的存储和释放，改善整个风、光发电系统的功率输出特性，缓解风电、光电等可再生能源对电网的不利影响，增加电网对可再生能源的吸纳程度。2009年6月，总投资200亿元，张北成为了世界第一个风光储试验基地。

　　文献[20,21]通过仿真研究，表明超导储能和超级电容储能系统能有效改善风电输出功率及系统的频率波动。针对这些控制方案将降低风电机组效率的缺陷，文献[22]通过对飞轮储能系统的充放电控制，实现了平滑风电输出功率、参与电网频率控制的双重目标。

　　3.2.削峰填谷，减少系统备用，提高设备利用率

　　电力生产要求发电、供电、用电之间必须随时保持平衡，然而白天和黑夜、不同季节间的峰谷差要求电力系统又必须配有一定的发电备用容量，随着新能源产业及社会经济的迅速发展，通过增加旋转备用来满足高峰负荷需求变得越来越困难。储能系统可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电，在电网负荷峰值的时候向电网输送电能，实现削峰填谷功能[23,24]，同时，还可以减少电网对发电设备的投资，提高电力设备的使用率，减小线路损耗，提高供电可靠性，创造巨大的经济效益和社会效益。

　　储能系统具有响应速度快、运行成本低等特点，将比火电机组更适合充当发电备用的角色。如果将来能够建设更大容量的储能站，或者在全网分散布置大量的小容量储能站，当整体储能容量达到一定规模时，就能逐步减少火电机组的旋转备用。

　　文献[25]通过在PSCAD下建模仿真说明了超级电容在解决分布式发电电能质量等问题方面有很好的效果。文献[26,27]研究了采用电池储能系统来提高电能质量的问题，结果表明，该储能系统能实现与系统的快速有功、无功功率交换，有效改善电压波动性，适用于解决风电并网带来的电能质量问题。

　　3.3.减缓输电压力，提升配网智能化水平

　　在我国许多地区，电力输送能力的增长远远跟不上电力需求增长的步伐，在高峰电力需求时输配电系统往往变得拥挤阻塞，影响系统正常运行。若把储能系统安装在输配电系统阻塞段的潮流下游，电能被存储在没有输配电阻塞的区段，在电力需求高峰时储能系统释放电能，从而减少输配电系统容量的要求，缓解输配电系统阻塞的情况。同时，储能系统还可以减少电力传输中的异常和干扰，解决输电稳定性阻尼和次同步谐振阻尼等问题，改善动态电压稳定性，以及减少系统低频时甩负荷量。

　　置于用户侧的储能系统，可增强系统的供电可靠性，改善用户的电能质量。随着智能电网的发展，微网的概念逐步得到推广。各种储能系统作为微网的分布式电源之一，通过电力电子装置在秒级甚至毫秒级快速响应，可以实现微网“永不断电”的目标。另一方面，小型的家庭式储能设备和区域性的微网储能装置，可以通过智能表计接入到周围的大中型电网中，在用电高峰时向电网供电，增加了电力用户与电网的互动。

       3.4.促进电动汽车产业发展

　　近日，在海口举行的“中国国际电动汽车及充电装置、储能技术展览会”上，电网公司强调要加速充换电基础设施建设，迎接电动汽车的高速发展时期。随着电网智能化水平以及电动汽车保有量的大幅提高，电动汽车的车载电池作为可移动储能单元，丰富了电网的可控资源，对智能电网平衡大量不可控的可再生能源有着重要的作用。在用电低谷时，电动汽车和储能电站的电池可以从电网吸纳大量富余电力，用电高峰来临时，电池的电能可以反过来被电网吸收，或可以作为停电时的备用电源。把这两者有机结合在一起可以充分利用电池储能站的配套设施，可达到资源的最大利用。

　　3.5.电网应急相应的需要

　　在电网失电的情况下，通过传感器技术和通信与信息技术进行故障快速诊断，储能电站切换至电网紧急模式，储能装置向用电设备提供已储备的电能，起到应急供电的作用。

　　储能系统能够为用户提供备用电源，具有辅助设备简单，厂用电少，启动速度快等优点，为系统黑启动提供电源，提高供电可靠性和抵御自然灾害的能力。其移动性和灵活的特点尤其适用于地震洪水等自然灾害后的恢复。

　　对于一些重要负荷或者供电可靠性很差的部分地区，在发生事故失去主网电源或者输配电设备检修时需要孤网运行，孤网容量较小，要求备用电源必须相应速度快，储能电站是最适合孤网供电的备用电源。

　　4.大规模储能技术发展展望

　　1)由于不同的储能技术在额定功率下的放电时间不同，因此应用在电网不同的地方时，应该选择合适的储能方式。当用于电能质量改善、电网频率稳定及UPS时，应选择响应快速、放电时间短的电池，例如超级电容器、飞轮储能等;当用于供电的连续性、缓冲或者备用电源时，则选择能放电数秒到数分钟的相应的短时储能方式;当用于电网的削峰填谷或者风能、太阳能等新能源的并网储能时，则选择能够大规模储能，且自放电小的储能方式，例如抽水蓄能、压缩空气储能等;在地理条件受限制的时候，可以选择钠硫电池、液流电池等。

　　2)就目前的储能技术发展水平看，单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标，如果将两种或以上性能互补性强的储能技术相结合，组成复合储能，则可以取得良好的技术经济性能。在电网应用中，要实现系统的稳定控制，电能质量改善和削峰填谷等多时间尺度上的功率平准控制，可以将超导储能、飞轮储能或超级电容器等功率密度、高储能效率高以及循环寿命长的储能技术与铅酸电池、液流电池或钠硫电池等能量密度高但受制于电化学反应过程的储能技术相结合，以最大程度地发挥各种储能技术的优势，降低全寿命周期费用，提高系统经济性。

　　3)目前的大容量储能技术主要是抽水蓄能和压缩空气储能。有条件的地方可以因地制宜建设抽水蓄能电站，用于电力系统调峰，或作为可再生能源发电厂的调频备用，减小其发点波动性对系统的影响。考虑到我国海上风电资源大规模开发利用的前景，如选择三面环山的海湾作为水库的坝址，围海建立大型抽水蓄能电站;或选择一些条件好的废弃矿井、洞穴，修建压缩空气储能电站，与当地的大型风电场或光伏电站相结合，为这些可再生能源电站的稳定运行提供支持，增加可再生能源发点的容量可信度，使其称为具有一定可预测性和可调度性的稳定电源。