新能源并网及储能技术研究综述

孙 晓，李 妍

（1.国网山东省电力公司青岛供电公司 市北供电中心，山东 青岛 266000；2.青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 266071）

0 引 言

随着国际社会对能源资源和环境保护等问题的日益重视，减少煤炭、石油等化石能源燃烧，加快开发和利用新型能源，已成为全球的普遍共识和战略行动。以微型燃气轮机、内燃机、光伏、风电、水电、海洋潮汐能、地热能以及生物质能等利用清洁能源发电单元构成的分布式电源和其构成的微电网就近接入配电网，可有效减少环境污染，提高能源利用率[1]。研究发现，分布式电源接入配电网支线路末端可有效减少线路损耗，提升线路末端电压，减少电力系统供电压力，保障对重要用户的可靠供电。独立型的微网还可以解决偏远地区、海岛地区用电困难问题，实现大地区联网，促进地区经济发展[2]。分布式电源以风电双馈感应电机发电为例，在提供线路末端电压支撑、减小网损的同时，可以调节其无功出力大小参与配电网无功优化，减少大电网无功优化压力，可在满足电力系统正常运行条件下，通过无功补偿或电源优化配置实现全网网损最小，提高电压稳定可靠性和减少经济成本[3]。随着新能源发电规模的快速增长，研究分布式电源的输出特性和并网对电力系统的电能质量、潮流分布、系统稳定可靠性和并网协同规划等方面带来的影响越来越重要。而电能的不可大量长久存储一直是一个难题，电储能和机械储能技术的应用使得电能、热能、机械能存储成为可能。随着新能源领域的发展，分布式电源电能储存也相当关键。风电、光伏发电由于其输出随机性、波动性和无法大量储存，决定了弃风和弃光程度[4]。

1 分布式电源分类

分布式电源是指为满足负荷附近用电需求就近接入中低压配电网的电源，具有装机规模小、清洁能源保护环境、降低大电网供电压力、促进地区经济发展的优点[5]。分布式电源和一定负荷可形成微网，特定运行方式下可不受大电网调控影响孤岛运行，减少电网运行风险。现有并网分布式电源主要有风力发电、太阳能光伏发电、微型燃气轮机、燃料电池以及生物质能发电等[6]。

1.1 风力发电

风力发电通过风吹叶片驱动轮毂，经过齿轮箱变速带动发电机运行，将风能转化为电能接入电网，是除水电以外技术最成熟、成本最低、开发潜力最大的可再生能源，已在全球范围内实现大规模的开发应用。它的输出功率由风场风速、地理位置决定，在新能源发展中占有重要地位。目前，如何促进分布式风电消纳关键技术和减少弃风度是研究的关键[7-8]，而由风力发电带来的气候变化也值得重视。

1.2 太阳能光伏发电

太阳能光伏电池利用半导体材料（如单晶硅、多晶硅）在一定光照强度下产生的光电效应，通过单体电池串并联形成列阵，将太阳能转化为直流电储存在储能系统中，然后根据负荷需求通过并网逆变器将直流电转换为可以使用的交流电。它的光伏输出功率主要受太阳光照强度和温度影响。光伏发电具有无燃料消耗无污染、不受地区限制、不受电网调度影响、灵活可靠、维护简单以及安全经济等优点。目前，我国正大力推进光伏扶贫政策，农村地区用户实行“自发自用，余电上网”，大力促进了贫困地区稳定增收，引导光伏产业“平价上网”是清洁可持续发展的新模式。

1.3 微型燃气轮机

微型燃气轮机是指发出功率低于300 kW的小型热力发电机，一般使用天然气、甲烷、柴油和汽油为燃料。微型燃气轮机先将空气在离心式压气机压缩，经过涡轮排气预热后与燃料充分混合燃烧产生热力推动涡轮，带动发电机发电，具有燃料消耗低、多燃料利用、污染排放少、低维护以及可遥控的特点，可作为分布式电源使用，也可作为供电备用使用。目前，热电联供产业在北方地区实现大规模使用，有助于增加热能利用率，减少环境污染，是电力系统需求侧管理的重要内容。

1.4 燃料电池

由于富氢燃料和氧化剂产生化学反应，将化学能转化为电能发电的称为燃料电池。由于电池使用电解质不同，燃料电池主要分为6种：固体聚合物燃料电池、生物质能燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池[9]。燃料电池具有能量转换效率高、适应负荷变化强、发电功率高、清洁无污染、噪声小以及安装方便等特点。目前，燃料电池汽车已广泛投入使用。随着国家对氢能源发展的重视，未来如何降低氢能源成本和建立氢储存站是主要的研究方向。

1.5 生物质能

生物质能通过动植物和微生物光合作用，将太阳能转换成化学能储存形成燃料，可大大减少工业、生产、生活垃圾排放，具有污染小、废物利用率高、分布地区广等优点，广泛应用于林业和农业领域。目前，将生物质能转向热电联产正在逐步推进。

2 分布式电源并网对配电网的影响

2.1 并网标准

分布式电源并网标准必须满足总体要求、电能质量、功率控制、频率响应、并网同步、安全保护以及计量通信等方面的要求。标准分布式电源并网总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%，并网电压等级低于380 V时容量不宜超过200 kW，容量200 kW以上宜接入10 kV（6 kV）及以上电压等级电网。当并网渗透率更高时，需要对配电台区进行改造，解决分布式电源并网引起的电压升高、短路电流过大等问题。并网时系统必须正常运行，分布式电源与电网的电压幅值、相位角以及频率偏差必须在可承受范围内才可并网。

2.2 电能质量

分布式电源特别是风力发电和光伏发电的输出功率随机波动性会影响电力系统的电能质量，以下主要从电压闪变、谐波和无功有功调度方面进行分析。

2.2.1 电压闪变

当分布式电源由于用户需求、电网规划、天气变化等因素投入或脱离电力系统时，会对配电网产生较大的冲击电流而引起电压闪变。

2.2.2 谐波污染

分布式电源通过电力电子装置与电网相连，当电力电子转换器控制分布式电源投入或进行电压调节时，开关器件频繁动作易产生谐波污染。

2.2.3 无功有功调度

风力发电机的类型可以分为异步电动机、双馈感应电机和永磁同步电机。当异步发电机并网时会从电力系统中吸收大量无功，增大系统的无功压力，造成并网节点电压降低。因此，需要对电力系统进行无功优化，增加无功补偿设备减少网损，还要控制系统经济成本最小。

2.3 潮流分布

电力系统正常运行时支路潮流呈现单向流动。大规模分布式电源并网后，潮流分布转为双向流动。当分布式电源的输出功率大于负载时，部分线路可能会出现逆向潮流，出现电压越限行为影响电压可靠性。分布式电源的输出功率随机性和间歇性会造成潮流无法预测，为电力系统运行和电网调度带来极大困难，甚至影响发电厂的发电计划。

2.4 电力系统运行安全可靠性

部分分布式电源具有低电压穿越能力，可在系统发生故障时保持继续运行，避免电压骤降，保证电网可靠运行。若不具备这种能力，需要在系统故障时及时从电网中脱离，否则有可能造成节点电压大幅跌落[10]。如果故障时分布式电源未快速脱网，短路电流过大会引起继电保护误动作，断路器非同期重合不成功甚至造成电网崩溃，从而增加用户停电时间而造成巨大的经济损失。因此，充分利用储能技术保证分布式电源输出稳定十分重要。

3 储能技术

储能系统中，电化学储能技术因其灵活性、稳定性目前已在电力系统等多个领域得到大范围应用。

3.1 抽水储能

抽水储能用电动机将下游水库的水抽到上游，将机械能转化为水的势能后转化为电能。受地理位置、气候变化影响，水力发电是除火力发电外规模最大的发电产业，主要用于电力系统调频和负荷高峰储备使用。目前，抽水储能正加强对地下水和海洋水库的建设。

3.2 蓄电池储能

蓄电池包括铅酸电池、锂电池、钠基电池和液流电池等。锂离子电池以其安全性高、输出功率高、使用寿命长的优点，大规模用于电动汽车和规模化发电站[11]。除美国Tesla电动汽车公司拥有世界上最大的锂电池储能站外，我国是世界上最大的锂电池生产基地。基于锂离子能源稀缺、成本高的缺点，钠离子电池可进一步降低储能成本。此外，比传统铅酸电池充放电速度更快、成本更低的铅碳电池也得到了快速发展。当前，吉林大学研究的高性能铅碳电池已经成功应用于超级电容，而液流电池被广泛应用于电网应急备用电源和负荷削峰填谷储备[12]。

3.3 超导磁储能

超导磁储能是在低温惰性气体环境中工作的超导线圈储存在电流磁场中的能量。超导磁储能具有体积小、质量轻、电磁响应快、储能效率高、储能时间长、损耗低以及输出功率高等优点[13]，目前广泛应用于提高电力系统暂态稳定性方面。超导磁储能在世界上还处于初始发展阶段，未来使用高温超导体降低储能成本、加强惰性气体低温储存是发展关键。

3.4 飞轮储能

飞轮储能系统包括转子部分、轴承部分和能量转换部分。飞轮高速运转时转动惯量不断增大，储存能力也越来越大。在真空条件下运行可以减小运行阻力，实现储能效率最大，具有寿命长、维护少的优点[14]。目前，大功率的飞轮储能系统主要应用风力发电和航空航天。风力发电时保持最佳尖速比，可实现最大风能捕获，减少风损。

3.5 超级电容储能

超级电容是介于蓄电池和常规电容器之间的一种特殊的双电层电化学元器件，相比传统电容器储存能量更大，相比蓄电池可反复循环充电，具有充电时间短、清洁环保、功率密度高、使用寿命长等优点，可有效针对分布式电源输出波动性随机性特征进行储能，尤其是风力发电变桨系统[15]。目前，超级电容器广泛应用于新能源汽车电池，改善了以往锂电池充放电时间长、寿命短的缺点，大大延长了电动汽车电池使用寿命。目前，上海已建成超级电容供电公交车专线，未来基于纳米技术可实现超级电容更加快速的高能量充放电。

3.6 压缩空气储能

压缩空气储能是利用电力系统处于负荷低谷时的剩余电力进行空气压缩，然后将高压空气储存在报废矿井、地下洞穴、海底储气罐或新建储气井中[16]。当负荷高峰时膨胀释放驱动汽轮机发电，减少电力系统供电压力，具有储存成本低、工作时间长、可大量储存、使用寿命长、安全可靠性高的优点。压缩空气可以弥补不具备建设风电、水电站的地区缺憾，具有良好的发展前景。目前，我国对压缩空气储能技术还在积极探索中，如何做到压缩空气储能清洁高效和实现快速响应也是技术难点。

电力市场改革刺激分布式电源大规模发展，新的储能技术与分布式电源结合可有效解决分布式电源并网难题。考虑分布式电源输出随机波动性，开发高效率、能量密集、成本低的混合储能管理系统不仅可以使分布式电源并网安全可靠运行，还可优化充放电过程，实现储能装置经济、稳定输出。

另外，基于发电侧、电网侧储能系统发展，开发用户侧储能如建立光储充一体化充电站、工业园区，可有效实现负荷削峰填谷、降低基本电价，是电网新一轮改革的关键，也是分布式电源并网未来重要的发展方向。

4 结 论

随着社会经济的发展，绿色能源和生态环境得到了越来越多的关注。分布式电源作为能源低碳发展和电力系统改革转型的载体，有助于国内外微电网发展，保护环境，缩小供电距离，带动国民经济更好地发展。随着电力系统的不断发展壮大，储能技术和分布式电源协同规划成为电力系统发展的重要推动力。本文详细介绍分布式能源开发现状和分布式电源并网对配电网的一系列影响，阐述储能技术现状，并提出储能技术对未来分布式电源并网发展的关键作用，希望未来分布式电源不仅能保持稳定、安全应用，而且电能也能实现大量、长时间储存，更好地服务国民经济。