0　引言 储能即为电能的储存，是指能量富余的时候，利用特殊技术与装置把能量储存起来，并在能量不足时释放出来，从而调节能量供求在时间和强度上的不匹配问题。 储能方式主要可分为机械储能、化学储能和电磁储能等。机械储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等；化学储能包括钠硫电池储能、液流电池储能、铅酸电池储能、镍镉电池储能等；电磁储能包括超导储能和超级电容器（组）储能；储能方式还有冰蓄冷等相变储能方式[1]。 在电力系统中，储能应用于“发输配供用”的各个环节；在新能源接入智能电网中，储能发挥重要作用，可以充分接纳新能源，提高供电可靠性，保证电网的安全稳定运行以及提高电网灵活交互能力。 总体来说，储能在传统电网系统中的作用主要有以下几个方面[2]：1）发电功能，实现能量管理和负荷调节的行为；2）辅助供电功能，例如进行频率响应调节，作为旋转备用容量、冷备用电源，进行无功功率控制；3）应用于输配电系统中，可提高电力系统稳定性，抑制电压冲击、凹陷、振荡等；4）储能技术的发展促进了可再生能源利用，推动和实现智能电网大容量电力储能技术、电能质量控制技术、潮流灵活控制技术的发展。 1　各种储能技术的比较 1.1　各类储能技术发展现状 储能技术是智能电网的重要组成部分，如图1所示。目前，发展成熟的储能技术主要有铅酸电池、抽水储能。如图2所示，铅酸电池是使用最普遍的一种可充电电池；但由于铅酸电池容量限制，只应用于用户级和配电级。抽水储能是当前唯一应用于解决大规模电力调峰填谷的方式。飞轮储能发展较快，适用于时间和容量方面介于短时储能和长时间储能之间的场合。钠硫电池、压缩空气储能和超导储能发展较为成熟[3]；其中，压缩空气储能的原理和抽水储能基本相同，其最关键的难点是找到合适的储存压缩空气的场所，这样也可以大规模地用于解决电力峰谷问题。电磁储能的主要优势是有很高的转换效率和较快的响应速度，常用于光伏发电和风力发电系统中。超级电容器储能近些年发展迅速，尤其是在电动汽车领域具有明显优势，其功率密度大、能量密度高，只是耐压水平较低；所以，往往以串联电容器组的形式进行应用。近些年，氢储能的提出主要是受到燃料电池成功开发的影响，只是它的发电成本太高，还无法与常规发电技术相比。 1.2　常用储能方式参数对比 飞轮储能[4]相比电池储能、超导储能、超级电容器储能，功率容量大且循环寿命长，无噪声，无污染，维护相对简单。但是旋转器件和附属系统相对复杂，需运转在真空密封器条件下，减少空气阻力；效率才能提高；其响应时间跨度大，从1 d到ms级之间。如表1所示，铅酸电池储能比较传统，应用广泛，但是功率较低、容量较少，大规模储能需要数量众多，基于此，一般采用便于商业化的模块化组合；电池储能属于静止器件，运行简单，存在污染环境的可能，其最大劣势是会发生自放电，使用寿命较低。超导储能的储能密度高，由于运行中没有电阻，转换效率高；无旋转部件，环境影响小，其最大优势就是响应速度快，在ms数量级，所以适合用于快速调节有功、无功特性来改善功率因数，稳定电网频率，保证不间断供电等；由于需要变流器、逆变器、压缩机、泵等附属系统，结构复杂，运行维护困难；另外，成本太高也是制约其发展的主要因素之一。超级电容器[5]储能功率密度大，能量密度高，响应速度快，在ms和μs数量级之间，其结构简单，维护方便，使用寿命长；由于没有可动部件，既不需要冷却装置也不需要加热装置，而且还没有化学反应。超级电容器储能适合处理尖峰负荷，只需存储与尖峰负荷相当的能量，在分布式发电中具有应用优势。 图1　储能技术在电力系统中的应用Fig. 1　Application of energy storage technology in power system 图2　储能技术发展现状对比Fig. 2　Comparison of energy storage development situation 表1　典型储能技术参数对比Tab. 1　Parameter comparison of typical energy storage technologies储能技术 　　比功率/（W/kg） 　比容量/（W?h/kg） 　功率上限/MW 　　容量上限 　　循环寿命 　　效率/%飞轮储能 　5 000 　　＞20 　　几百 　100 WM?h 　　＞20 a 　　最大可达96电池储能（铅酸） 　75～300 　35～50 　　数十 　12 WM?h（2 WM×6 h）　500～1 500次 　　＜80超导储能 　107～108　10 　5 　100 MJ 　　— 　　＞96超级电容储能 　　— 　　— 　10 　30 MJ 　　— 　　最大为95 如图3所示，比较最大放电时间可知，金属电池及液流电池、压缩空气储能、泵储能的放电时间较长，数量级为h级，适合于电力系统的大规模储能配置，以便进行峰谷调节的能源管理，还可部分用于备转容量。飞轮储能、超导磁储能适合于保证UPS和电能质量管理，放电时间较短。超级电容器介于上述之间，其功率容量跨度大，放电时间在min级，应用范围广阔。 图3　各储能技术参数对比Fig. 3　Parameter comparison of each energy storage technology 2　能量变换技术 储能系统一般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系统两大部分组成。储能装置主要实现能量的储存、释放或快速功率交换[6]。电网接入储能系统主要实现以下功能：1）充放电控制；2）交直流变换；3）功率调节和控制；4）运行参数检测和监控；5）安全防护等。 2.1　交流变流技术 电力系统中的储能技术需要应用电力电子技术[7]进行变流。变流电路分为整流和逆变，整流电路将交流电变为直流电，在电力系统储能中应用广泛。图4是超导储能的拓扑结构，体现了整流电路在储能技术中的应用。 图4　SMES的拓扑结构Fig. 4　Topology of SMES 逆变电路是把直流电变成交流电。在各种储能系统中，需要双向逆变器来完成各种充、放电的过程。逆变电路在储能技术中的拓扑结构如图5所示。 2.2　直流变流技术 直流变流技术也是储能技术中不可缺少的。以超级电容储能和蓄电池储能的混合储能单元为例，在建立超级电容器与蓄电池混合储能单元及其接入微网的模型时，考虑到双向DC/ DC变换器的开关频率远大于微网状态的变化速率，因此，在短时间内可以认为混合储能单元的直流母线功率恒定。超级电容器虽然具有电容特性，但由于其容量巨大，因而时间常数τ较大，充放电周期长，在双向DC/ DC变换器的一个开关周期内，可以认为超级电容器的端电压不变，故把超级电容器等效为1个理想电压源与1个等效内阻串联。 图5　逆变电路在储能技术中的应用Fig. 5　Application of inverter circuit in energy storage technology 在混合储能单元中，双向DC/ DC变换器是其能量管理的关键。采用Buck/Boost双向功率变换器（Buck/Boost bidirectional power converter，BBBC），其具有体积小、功率器件数量少、工作效率高等优点[8]。对于BBBC的建模，可以采用Buck和Boost 这2种工作状态独立建模的方式[9]，也可以采用统一建模方式[10-11]。超级电容器与蓄电池混合储能系统等效电路如图6所示，图中：UB为蓄电池组电压；RB为蓄电池组等效内阻；L为双向DC/DC变换器电感；Si和Di为功率开关器件，i＝1,2；C为直流母线电容；UUC为超级电容器组等效理想电压源；RUC为超级电容器组等效内阻；RCPL为等效恒功率负载。 图6　混合储能系统等效电路Fig. 6　Equivalent circuit of hybrid energy storage system 3　分布式发电中的储能技术 采用分布式发电系统[12-13]是实现“节能减排”目标的重要措施之一，分布式发电系统是以资源、能源最大化，能源利用效率最优为目标运行的新型能源系统，具有良好的环境效益，可就近向用户提供“绿色电力”。 分布式电源是指在用户现场或靠近用电现场配置的较小的发电机组（一般低于50 MW），以满足用户的电能质量需要和支持现存配电网的经济运行。这些小的发电机组可以是小型燃气轮机、小型内燃机组、或燃气轮机与燃料电池的混合装置等以传统化石能源为燃料的发电机，也可以是燃料电池、风能、太阳能、生物质等在内的可再生能源发电系统；从并网运行的角度看，分布式电源也可包括各类电池、SMES、超级电容、飞轮等储能设备。 以风能和太阳能发电为代表的分布式发电系统[14-15]发出的电能具有显著的波动性、随机性，因此，并网运行时将对电网产生冲击，影响系统稳定性。因此，储能单元在分布式电源并网运行时，为了平抑系统扰动，维持发电/负荷的动态平衡，就需要具有大容量的能量/功率存储能力，以及ms级的响应速度；在独立运行的分布式电源系统中，可以在分布式发电切换和退出时起到过渡作用，需要具有较快的响应速度，其容量要根据负荷需求进行选择。 4　仿真电路及其波形 4.1　仿真电路 可再生能源输出电压、频率可变，通过不可控整流设备、升压斩波电路连接共用直流母线，并网侧经并网逆变器接入无穷大系统。储能可采用电池或电容等设备，经升降压斩波电路并联接入共用直流母线。仿真电路原理如图7所示，主电路模型如图8所示。 图7　仿真电路单相原理框图Fig. 7　Block diagram of a single-phase circuit simulation 图8　主电路模型Fig. 8　Model of the main circuit 4.2　电压波形 电源和接入电网都是三相系统，电源电压可在100～200 V间变化，频率为50 Hz，电网电压恒定为380 V/50 Hz。 1）可再生能源电压先用100 V送电，从0.1 s开始电压突然升至200 V，维持0.05 s后再恢复到100 V。如图9—11所示，可以看出电压的变化。 图9　可再生能源输出的电压波形1Fig. 9　Output voltage waveform 1 of renewable energy 图10　直流稳压电容器的电压波形1Fig. 10　Waveform 1 of supercapacitor voltage 图11　电网侧的线电压波形1Fig. 11　Line voltage waveform 1 of the grid side 如图9所示，可再生能源输出电压的情况，在0.1～0.15 s之间电压升高为200 V，频率保持不变为50 Hz。 图10为直流稳压电容器的电压波形，可以看出：在可再生能源电压波动时，直流母线上的电压波动很小，多余的电能被储能系统吸收，从而不会影响到逆变器系统的运行状态，可保证负荷正常用电。 图11为电网侧线电压的波形，可看出：即使在0.1～0.15 s之间可再生能源的电压发生了突变，由于储能系统起到平抑波动的作用，故交流侧不会受到影响。 2）可再生能源先送出稳定功率（电压100 V），从0.1 s开始电压降为0 V，即中断供电，维持0.05 s后再恢复到100 V。由图12—14可以看出电压的变化。 图12　可再生能源输出的电压波形2Fig. 12　Output voltage waveform 2 of renewable energy 图13　直流稳压电容器的电压波形2Fig. 13　Waveform 2 of DC supercapacitor voltage 图14　电网侧的线电压波形2Fig. 14　Line voltage waveform 2 of the grid side 图12为可再生能源输出电压的情况，在0.1～0.15 s之间电压降低为0 V，频率保持不变为50 Hz，其他时刻电压保持为100 V。 图13为直流稳压电容器的电压波形，可以看出：在可再生能源电压波动时，直流母线上的电压波动很小，当可再生能源不能提供电能时，储能系统能够为电网提供电能以保持电压稳定，从而不会影响到逆变器系统的运行状态，可保证负荷正常用电。 由以上仿真分析可看出，在可再生能源电压突然升高或降低时，只要控制好储能系统的充放电就可保持直流母线上电容电压的稳定，进而保持逆变器处于正常逆变状态，保障负荷的正常用电。 5　结论 由于化石能源的不断减少，世界各国越来越倾向于开发和利用水能、风能、太阳能、核能等可再生能源及新能源。同时，为了满足电力系统的稳定性、电能安全可靠的传输技术要求，又考虑节能环保、减少温室气体排放等社会经济因素，以燃料电池为主的储能装置的现状已不能满足电网系统对电能质量的要求，所以，新型高效的储能技术开发成为当务之急。储能技术在能量变换环节及分布式发电中都具有重要作用，一方面可以稳定系统，具有安全防护的作用，另一方面可以起过渡作用。所以，储能技术的发展对可再生能源利用和智能电网发展具有重要的现实意义。

文章来源：大功率变流技术 网址: http://dgsbljs.400nongye.com/lunwen/itemid-8314.shtml

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