微网能量管理及混合储能技术的研究

池凤泉 王书明 巩伦才 陈建波

[摘    要]现有研究和实验表明，微网是将分布式能源整合到网络中的有效途径之一，它们与大网络相互支持，首先分析了微电网的功能，它不仅可以提高分布式发电的利用率，而且可以有效地保证供电的可靠性，提高了系统的质量性能和稳定性。文章介绍了飞轮储能、电池储能、超级电容储能和超导储能技术的性能和优势，根据微电网对储能设备的需求，对各种储能技术的应用进行了阐述。

[关键词]微网;能量管理;混合储能;技术研究

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）10–00–02

Research on Microgrid Energy Management and Hybrid Energy Storage Technology

Chi Feng-quan，Wang Shu-ming，Gong Lun-cai，Chen Jian-bo

[Abstract]Existing research and experiments show that microgrids are one of the effective ways to integrate distributed energy into the network. They support each other with large networks. First， the functions of microgrids are analyzed. It can not only improve the utilization of distributed power generation It can effectively ensure the reliability of power supply and improve the quality， performance and stability of the system. The performance and advantages of flywheel energy storage， battery energy storage， supercapacitor energy storage and superconducting energy storage technology are introduced. According to the requirements of microgrid for energy storage equipment， the application of various energy storage technologies is explained.

[Keywords]microgrid; energy management; hybrid energy storage; technology research

可再生能源的开发利用是未来网络发展的必然趋势。然而，大多数可再生能源分散且不稳定，近几年来，人们发现建立微网是解决这些问题的有效途径之一。微网由电源和负载组成，可以为用户安全供电。为了解决可再生能源的问题，实现分布式电源配电体系，建立一个合适的储能系统，是当今世界的热门话题。随着时间的推移，建立了固定数量的微电网试验基地。

1 微电网储能装置在微电网中的作用

微电网有两种运行方式。如果电网发生故障或电流波动过大，应断开与电网的连接。气轮机和电池的反应速度较慢，而快速的负载流动情况会给微型计算机带来很大的问题，这种恒容量设备可以增加系统的惯性，增强系统的動态反应速度，以及提高系统的性能质量和整体稳定性与安全性;微网存储设备的功能主要包括以下几个方面：

（1）如果储能系统在微网上运行。

（2）如果储能大于所需能量，电源不足，则功率由负载决定，提高能源系统的稳定性和性能。

这方面的例子是风能和发电的性能质量，该储能装置能在能源市场有充足电能的环境下提高发电机的输出电压和频率，市场价格高于生产成本，并将剩余能源出售，以达到经济效益。

2 微电网统一规划、调整和优化

不同能源的协调控制使微网稳定、可靠、经济地运行，将能源管理的主要功能整合起来，形成中央控制，成为一种能源管理策略。协调配电和供电、计划并适应生产，电源需要一个本地控制器（LCS）来响应中央控制命令。

（1）根据中短期负荷预测和年发电量预测，将能源管理中对微电源和负荷的实时控制和状态信息纳入能源管理的长期规划和短期适应相关的生产计划，以暂时解决能源之间的能量分配问题。

（2）为了达到功率平衡、电压稳定和频率稳定的目的，应根据系统状态调整每个微电流源的性能参考值，使系统在气候或负荷变化的影响下暂时不稳定。

3 储能技术比较

根据储能类型的不同，可储存在物理储能（如泵储能）、电化学能（多电池储能）、电能（超级电容储能），磁能（超导储能）等微电网储能装置，具有效率高、噪声大、速度快、使用寿命长、维护更舒适等特点。并且它可以扩展容量，实现模块对各种类型的储能技术的比较。

3.1 飞轮储能

飞轮储能是一种无噪声、无排放的物理能，飞轮储能密度高，效率达90 %以上，循环使用寿命可达20a，工作温度范围为-40～50 ℃，可采用组合方式实现。但飞轮储能在大容量系统中的应用，输出时间短，放电深度低，价格高，维护成本高，经济和安全也会受到限制。

3.2 电池储能

正负极间的氧化还原反应是用来给电池充电和卸载的。根据所用化学物质的不同，蓄电池的储能方式可分为不同的类型。

铅酸蓄电池由于其发展较早，技术成熟，在电网中广泛分布，当时的储能系统容量为50 MW。与其他储能系统相比，该储能系统具有可靠性好、原料易获取、价格低廉等优点。缺点是能量密度和功率密度低，寿命短，制造加工过程中维护量大，环境污染大，不建议使用。

锂离子电池是一种储能容量达兆瓦、高能量密度的高能二次电池。温度范围宽，装卸速度快，使用寿命长。它具有无污染的优点，然而，锂离子电池在安全性方面还存在一些问题，这是其高容量的主要障碍。过量充电是引起锂离子的最危险因素，也是电池不安全行为的原因之一。

钠硫电池是一种高能电池。钠硫细菌储存的能量通常是电池的5倍（同等质量），这得益于无排放、使用寿命长和维护成本低。缺电是成本高，原材料工作温度高，高温是限制钠硫电池大规模使用的最重要因素。

钒电池是一种流动电池。储能范围灵活，适用于大型储能系统。通过增加反应器的功率，可以通过增加储能容量或提高电解液浓度来增加电池容量，钒的使用寿命长，再生率可达13000次以上，远高于其他电池。反应速度快（MS级），可在室温下工作。

3.3 超级电容储能

超级电容器具有高功率密度，可以快速充电和卸载。可靠性高，使用寿命长，装卸次数10万次以上，工作温度宽，工作温度-40～70℃;维护简单，无污染，维护成本低。缺点是能量密度低，价格高。超级电容器和电池的性能是非常互补的，不仅能显著提高高峰值输出功率，而且可以提高电能质量。它还降低了电源、电源的体积和质量，减少了内部损耗。延长电源的使用寿命。

3.4 超导储能

超导磁储能是利用超导线圈来储存电能，而长期储存未损坏的电能效率高。反应快，体积密度高，工作密度高，使用寿命长，无污染。缺点是超导材料的工作温度很高，超导线圈需要液氦来冷却。对于高温超导材料，其温度仅为77K，维护量大，是制约超导储能质量单一应用程序的瓶颈。

4 微网储能系统

微网储能系统有5种储能方式。根据储能方式的不同，还有不同的技术指标。

（1）保证供电的可靠性：如果一个大电网发生故障，可作为应急电源（如可中断电源）转换为独自运行，电源储能系统要求反应速度足够快。

（2）保证性能质量，如应力补偿。确保服务质量要求，能源系统的容量足够大。

（3）可再生能源发电：例如限制波动和中断风能。

（4）提高用电效率：例如，将电能储存在低功耗中，以备将来电网放电，以降低电网的峰值压力。

（5）使用寿命长，环保，维修方便。

为了选择合适的微电网储能装置，对各种技术的性能进行了综合比较。发现飞轮具有较长的储能寿命。高效率、无排放、高放电深度、高功率密度，确保可靠的能源供应和储能。电池储存技术是铅酸电池储存技术最成熟、最便宜的，但寿命短、维护保养、环境污染;锂离子电池使用寿命长、效率高，但容易爆炸和燃烧，安全性低;钠硫电池更节能，无污染，但价格昂贵，且温度限制。在使用范围内，电池储能可以保证电能质量，提高电能效率。但从使用、安全、环保和发展的角度来看，铅酸、锂、钠硫电池不易使用。相比之下。全钒液流电池、超水平电容器和超导储能器响应速度快。可作为储能装置，保证供电可靠性。选择用于生产可再生能源的储能装置，为了满足大容量和高响应速度的要求，可以选择超级电容器等混合储能方式。

5 微网能源管理策略

5.1 风、光微电管理

光伏电源和双电源风力发电机组是风电储能微网的一部分。电力的发展和低碳经济的需要，要求微网的运行最大限度地利用新能源，这样风能和太阳能微能通常发挥最大的作用动力。为了一种特定的风力发电模式，可根据风电的具体需求进行弃电。

5.2 需求侧管理

在能源管理中，需求侧管理也非常重要。本文将风能储存在大负荷和可控负荷下，如果系统总功率低于负荷要求，有必要根据其重要性对负荷进行降低。为此，根据负荷分离的电耗结果，确定能切断可控负荷、保证重要负荷不间断供电的负荷分离系统。能源管理系统收集的电力消耗要求和单个微电源的状态，当风和光照增加可控负荷时，微功率有一定的纬度。

5.3 协调管理的混合储能

超级电容混合储能系统具有功率密度高、反应速度快、循环时间长等特点。适用于处理由于外部环境变化引起的临时波动以及负荷波动现象。但是，由于能量密度较低，锂电池具有能量密度高的优点，但是频繁的充放电会显著影响锂电池的使用寿命。这就是为什么锂电池是根据预测计划的，超级电容器负责实时的功率平衡和进度调整。

6 结束语

随着分布式发电的大量开发和使用，微电网接入电网将优化能源结构，提高用电效率，提高能源系统的安全性具有十分重要的意义。微电网配有固定容量储能装置。通过合理的控制，可以增加系统惯性，稳定系统波动，改善系统波动的电能质量，提高系统的稳定性。本文介绍并比较了现有的各种储能方式和不同的储能方式。针对目前的研究现状和发展状况，提出在微网储能中选择大容量储能方式时，应优先考虑全钒储能装置，在大容量、快反应速度的储能方式中，应优先选择超导储能和循环储能方式，当采用全钒电池或超级电容器时，最好采用混合电池组合储能。

参考文献

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