吕长涛

（河北省电力建设第一工程公司 河北石家庄 050031）

储能技术在电气工程领域中的应用研究

吕长涛

（河北省电力建设第一工程公司 河北石家庄 050031）

当前，我国储能产业不断发展，电力公司、高科技公司以及电力用户均开始关注电力储存技术的潜力。目前，储能产业已经从概念发展成为智能电网规划的重要组成部分，本文主要针对储能技术在电气工程领域中的应用展开了具体分析。

储能技术；电气工程；应用

1 引言

当前，在新电改背景下，我国储能产业迎来了重要发展机遇，其在解决可再生能源难题方面发挥着重要作用，并成为了我国新一轮的投资热点。目前，储能涉及的技术路线较多，大致可分为三大类：物理储能、化学储能和其他储能，应根据实际情况合理选择、科学应用，获得最大的经济社会效益。

2 储能技术的分类及应用模式

2.1 储能技术分类

依据微电网的运行模式，适用于微电网的储能技术可包括三类：①机械储能：压缩空气储能、抽水蓄能、飞轮储能等。②电磁储能：超级电容储能和超导磁储能等。③电化学储能：蓄电池、氢镍电池、镉镍电池、锂离子电池、钒液流和钠流电池等。

2.2 储能技术应用模式

储能技术的应用模式包括功率型和容量型两类，根据两种模式及其适用场合的区别，对储能技术的性能要求也有所不同。①容量型：系统频率调节、削峰填谷等运行状态对储能元件的容量要求很高，能满足此运行模式要求的是容量型的储能应用模式。②功率型：要求储能系统的响应速度非常快，功率型的储能应用模式包括系统稳定控制和电能质量调节应用模式等。

电力系统的供给和负荷的需求实时处于平衡，平衡状态的保持很大程度上受到储能元件容量小的限制。大容量储能技术的产生，打破了这种局限，其大规模的应用，不但提高了供电质量和电网稳定性，并为更多的新能源系统连接到电网中提供了条件。

3 多元混合储能技术在电气工程领域中的应用

3.1 超导和蓄电池混合储能

超导储能系统主要是利用超导线圈将供电励磁产生的磁场能量存储起来，需要时再将存储的能量送回。

（1）超导储能的特点：响应快，效率高（可达95%），无噪声污染，可靠性较高，其最大的不足是成本太高，另外需要泵和压缩机来维持冷却剂的温度，因而使系统变得复杂，需要做定期的维护。

（2）蓄电池储能的特点：蓄电池储能的应用有利于解决高峰负荷时电能需求，并且能够补偿无功设备，抑制电压闪变。同时，蓄电池价格便宜、可靠性好、技术非常成熟、实现大容量很容易。将超导磁储能和蓄电池混合应用，可以有效控制电压的瞬时波动，保证不间断供电。

3.2 超级电容器和锂电池混合储能

锂离子电池是一种新型的能量很高的二次电池，在电力工程领域应用广泛。它的优点很多，如体积比较小、储能密度很高、工作电压高、自放电率小，而且输出功率大，循环寿命长、无污染。然而锂电子也存在着一些不足，如大规模生产锂离子电池有一定难度，因为它内部的过充电保护电路和特殊的包装造成了高成本。超级电容器的能量密度很低，超级电容器的能量密度是1～10wh/kg，是锂电池的1/10。同时，超级电容的价格也很昂贵，是锂电池的十倍以上，这也是它自身的一个局限。

将能量密度大的锂电池和具有功率密度较小、快速充/放电、储能效率高和寿命长等特点的超级电容器组成系统，就可以明显减小电源的内部损耗，进而使电源的运行时间有所增加，应用优势较大。

3.3 压缩空气与钒液流电池混合储能

近几年，钒液流电池也成为一种非常新型的储能方式，钒电池具有特殊的电池结构，其优点主要有：①功率大，增加单个电池的数量和电极面积就可实现功率的增加；②容量大，增加电解液的容积即可任意调整容量；③效率高，钒电池的电极催化活性高；④效应速度快，充、放电切换在运行过程中仅需0.02s，响应速度低于1ms。缺点是目前成本仍较高，规模仍然受储能容量和功率的限制。

压缩空气储能系统是一种可实现大容量高功率的储能装置。在用电的高峰期间，快速释放并使用电能，这样便实现了削峰填谷、平衡电力负荷的作用。压缩空气储能可以提供稳定电力，完成释能过程，具有规模大、无污染、储能周期长和不受地理条件限制等优点。鉴于压缩空气储能和钒电池储能特点的互补性以及提高微电网稳定性的需求，把钒液流电池/压缩空气混合储能应用到电气工程领域中，可有效改善电源的性能，保证电气工程的稳定运行。

4 实例分析

本文主要就由超级电容器和蓄电池构成的混合储能系统（HESS）展开具体分析。

蓄电池和超级电容器接入直流微电网的方式很多，其中最常见的三种方式如图 1（a）、（b）、（c）所示。图 1（a）为蓄电池组直接接入直流母线，而超级电容器通过DC/DC变换器接入直流母线；图1（b）为蓄电池组通过DC/DC变换器接入直流母线，而超级电容器直接接入直流母线；图1（c）为蓄电池和超级电容器分别通过DC/DC变换器接入直流母线。由于蓄电池或超级电容器直接接入直流母线，无法实现充放电电流的有效控制，可控性低，很容易因过流、过压等原因造成蓄电池或超级电容器损坏，为此本文采用图1（c）所示的并联式拓扑结构。

图1 蓄电池和超级电容器接入直流母线方式

由于光伏等DG也具有一定的脉动性，为了简化分析，本文用脉动负荷Rload2（如图3所示）来等效DG及实际脉动负荷。图2为简化后混合储能系统结构及控制原理图。图中，Sw（1）、Sw（2）为切合直流断路器，用来控制各端口的投切；K1、K2为保护直流断路器，启动后为常闭状态，在出现过压、过流等故障时断开；Rs为启动电阻，启动阶段与K1配合，避免启动瞬间冲击电流对装置的影响；为储能电感，Csc、Cbat为滤波电容，SR1、SR2为负荷断路器，Rload1、Rload2分别为固定负荷和等效脉动负荷；isc、ibat分别为超级电容器组和蓄电池组充放电电流，Udc为直流母线电压，iload为负荷电流。

针对脉动功率突变对直流母线电压、蓄电池组正常运行造成剧烈冲击的问题，提出了一种基于移动平均滤波算法的混合储能系统能量分配控制策略（图3），该控制策略以优化蓄电池组充放电为目标。首先，通过移动平均滤波算法将脉动负荷功率进行滤波，得到Pload2；然后将Pload2与Pload1相加，计算出Pbat；而负荷实际消耗功率Pload与蓄电池组端口实时功率传输值Pbat_t的功率差值由超级电容器通过对直流母线电压闭环控制快速补偿。

图2 简化后混合储能系统结构及控制原理图

图3

最后，为验证混合储能系统功率分配策略对优化蓄电池组充放电的有效性，需对其进行实验验证，本文开发了额定功率3.6kW，50～80V/130V，可接入1组超级电容器组、1组蓄电池组的混合储能系统实验样机和直流微电网实验平台。通过实验，验证了所提出的能量分配策略的有效性，该控制策略在保证直流母线电压稳定的同时，利用超级电容器很大程度上优化了蓄电池的充放电过程，延长了蓄电池使用寿命，其可应用于含有脉动荷载较多的孤立直流微电网或直流舰船、航空航天等领域，在满足负荷即插即用性要求的同时，有效提高系统全寿命周期的经济性。

5 结语

综上所述，储能技术的应用具有调峰、调频、调压、容量调节等价值，储能产业已经受到了全球关注，近几年来，我国政府及相关研究机构针对我国在规模化储能、微电网储能、分布式可再生能源储能、通讯基站储能、工业节能用储能技术、家庭储能等应用领域的需求，积极组织实施储能产业技术研究，推动前瞻性关键技术、产业标准的发展。

[1]李耀辉.储能技术在电气工程领域中的应用[J].民营科技，2014（9）：70～70.

[2]丰阿芳，张蕾.浅谈储能技术现状及其在电气工程领域的应用前景[J].现代制造，2013（36）：86～87.

[3]高春雷.储能技术在电力系统中的应用[J].黑龙江电力，2013，35（5）：394～396.

[4]王承民，孙伟卿，衣涛，等.智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[J].中国电机工程学报，2013，33（7）：33～41.

TM61

A

1004-7344（2016）12-0093-02

2016-4-9

吕长涛（1985-），男，助理工程师，本科，主要从事火电、核电厂建设，电气热控技术管理工作。