王 姝，石 晶，龚 康，刘 洋，唐跃进，任 丽，李敬东

（华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

电能存储通常是指以机械能（抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能）、化学能（各种电池）、电磁能（超级电容、超导磁储能）等形式将电能储存起来，并在需要时以电能的形式释放出来.储能技术目前已广泛应用于给便携电子设备供电（几 W·h）、不间断电源UPS（几百W·h）、改善供电质量（几kW）、提高系统运行稳定性（几 MW）及电力调峰（GW·h或更大）等领域［1－2］.目前，可再生能源与电动汽车的迅猛发展对储能技术提出了迫切的需求［3－4］.

一个理想的储能系统应具备效率高、能量密度高、功率密度高、寿命长、成本低、运行维护费用小和环境污染小等优点，然而现有的任何一种储能方式都未能同时兼备上述优良性能，都难以完全满足现代电网安全保障体系的需求.目前，研究较多的储能方式主要有：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超级电容储能、超导磁储能和蓄电池储能等.抽水蓄能电站和压缩空气储能可以实现大容量储能，但都受水文、地质条件的制约，而且抽水蓄能电站还可能会破坏生态环境，使用受到限制.超级电容器、飞轮和超导磁储能装置都可以实现大功率快速调节，而且循环使用寿命长，一般在10万次以上，但实现大容量储能比较困难，成本很高.蓄电池种类较多，其中，铅酸蓄电池发展比较成熟，易实现大容量储能，但其最大缺点是循环使用寿命短，不适用于频繁充放电的场合.钠硫电池能量效率可达77%以上，在电力系统储能中已得到一些应用；相对于钠硫电池，液流电池具有容量大、功率和容量独立设计的优点，应用前景较好.液流电池主要有全钒液流电池和多硫化钠/溴电池2种，在国外都已有商业化应用，能量效率可达70%～80%.

笔者将研究综合多种储能技术的多元复合储能系统，通过合理的组合和配置不同类型的储能装置，使其拥有优于单一储能方式的优良性能，实现工程互补、效益相乘，为解决当前对储能技术的需求矛盾提供一种有效手段.

1 典型储能技术概况

1.1 压缩空气储能

压缩空气储能在当前已研发的储能技术中成本最低，具有很好的经济性.压缩空气储能系统的建设规模具有很大的灵活性，传统的压缩空气储能均为大型系统，其单机为100MW级，储气装置一般为废弃矿洞或岩洞等.世界上第1座压缩空气储能电站于1979年在德国的Huntorf投入运行，输出功率为290MW，从热备用状态到达最大储能量，只需几分钟启动时间，现在该电站已成功用于平抑风场功率波动［5］.小型压缩空气储能的规模一般在10MW级甚至更低，它利用高压容器储存压缩空气，从而突破了大型传统压缩空气电站对储能洞穴的依赖，具有更大的灵活性，可用于备用电源、汽车动力和分布式供能系统等.Allison公司燃气涡轮可以应用于小型的压缩空气储能系统，提供8～12MW的功率，供能时间为3～5h.

尽管压缩空气储能具有上述优良特性，但目前还存在串通压缩空气储能系统需要燃烧化石能源、小型系统效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点.

1.2 飞轮储能

近年来，飞轮储能技术发展迅速，尤其是超导磁悬浮飞轮储能是国内外研究的重点.飞轮储能的储能量由飞轮转子的质量和转速决定，其功率输出由电机和变流器特性决定，理论上，其储能量和输出功率可以独立设计和控制.另外，飞轮储能还具有响应速度快、寿命长、效率高、再充电时间短等优点［6］.

目前，在美国、德国、日本等国家，飞轮储能已有商业化产品，如Beacon Power公司于2009年建设了2个20MW的飞轮储能电站，用于电力系统调频；Active Power公司生产的飞轮储能UPS电源，已经在世界范围内销售［7－8］.

1.3 超级电容

超级电容的优点是效率很高、寿命很长（25年以上），相比于蓄电池来说，功率密度较高、能量密度较低［9］，具有很强的峰值功率补偿能力，常与蓄电池同时使用.在超级电容－蓄电池复合储能系统中，超级电容补偿负载的高频波动优化了蓄电池的充放电过程，延长了蓄电池的使用寿命［10］.

但是，超级电容最主要的缺点是自放电率很高，可达20%/d，另一个影响因素是在充放电过程中，超级电容的端电压随SOC线性变化的程度很大，这会使得连接超级电容的变流器的控制复杂、效率降低.

1.4 超导磁储能

超导磁储能的核心是超导磁体，它在通过直流电流时没有焦耳损耗.超导导线可以传输的平均电流密度比一般常规导体要高1～2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的储能密度，约为108J/m3.超导磁储能具有转换效率可达95%、毫秒级的响应速度、功率大、寿命长及维护简单、污染小等优点［11］.目前，超导电力技术发展的重点在提高材料性能、降低成本两方面.

1.5 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是发展最成熟的可充电电池之一，其主要缺点：寿命短、能量密度低、温度调节性能差.虽然铅酸蓄电池有上述缺点，但是仍具有很广阔的应用市场，是由于其有相对较高的功率密度，且价格低廉、效率相对较高.目前，铅酸蓄电池已经有一些大规模商业化应用工程，如世界上最大的铅酸蓄电池储能电站（40MW·h）于1988年在美国加利福尼亚的Chino投入使用［12］.

1.6 锂离子电池

锂离子电池以优异的性能在便携式电子设备中得到广泛应用，在军事装备、电动汽车、航空航天等领域也有很大的发展空间，主要优点：能量密度高、效率高、寿命相对较长、没有记忆效应以及自放电率低［13］.

目前，锂离子电池已占领了50%以上小型电子设备的市场，大规模应用还面临一些挑战，最大的障碍是由于特殊的封装技术及防止过充的保护电路使得锂电池价格高昂.现已有一些公司，如SAFT和Mitsubishi，致力于研究减少锂电池的制造成本，以此获得更广阔的市场，特别是在新能源电动汽车中的应用.各种常见储能技术的性能参数比较［14－15］如表1所示.

表1 各种储能技术的性能参数比较Table 1 Comparison of perfor mance performance parameters for various types of energy storage system

2 多元复合储能类型的配置方法

研究和实践表明，不同的储能技术具有不同的性能指标.针对不同的应用模式，如何选择合适的储能类型是一个关键问题.研究者应依据合理准确的评估方法，综合考虑技术和经济等因素，确定最优选择方案.

2.1 应用场合

首先，应当考虑的一个重要因素是储能的应用场合.在现代电力系统中，不同规模的储能装置无论是在发电侧、输配电线路，还是在负荷侧，都能快速高效灵活地维持功率和能量平衡，如图1所示.储能装置对应用场合的适用程度主要考虑因素包含可实现性、可移动性、体积、重量、可扩展性等.如抽水蓄能电站主要应用领域包括提供系统的备用容量以及调峰调频等；飞轮储能、铅酸蓄电池、锂离子电池等储能类型在只考虑技术因素的条件下，可装设于任何位置；超级电容由于自放电率高不适用于功率变化不频繁的居民用户.当前储能装置的应用举例：

1）2011年，在美国的夏威夷州，Xtreme Power公司建设了15MW/3.75MW·h的铅酸蓄电池储能电站，与30MW的风力发电厂配合，平抑其发电出力波动，改善发电出力品质，提高风电场的并网能力［16］；

2）从1997年2月至2008年9月，Metlakatla Power and Light公司在美国阿拉斯加州机场配电线路上建设的1MW/1.4MW·h钒液流电池储能电站运行了12年，调峰调频，提高电能质量，增强供电可靠性，创造了很高的经济和环保价值［17］；

3）2006年，美国AEP公司在查尔斯顿变电站安装了1.2MW/7.2MW·h钠硫电池储能系统，用于削峰填谷，延缓输配电设备升级；

图1 储能装置可能的装设位置Figure 1 Locations of energy storage systems in power system

4）2011年，南方电网在深圳宝清建成4MW/16MW·h锂离子储能电站并成功并网运行，用于系统调峰调频.

2.2 复合方案

储能按照最大输出功率能力、放电持续时间的长短、使用频率以及放电深度这些性能参数大致可分为4大类，每一类所对应的参数范围及典型的用途如表2所示.从可行性和经济性考虑，人们希望储能装置的用途不是单一的，如建设在风场出口处的储能电站既可以平抑风电功率波动，又可以作为热备用，还可以利用电费的峰谷差价灵活地储存和送出电能.一般来说，这些用途并不是完全独立的，应评估并区分出这些用途的优先次序，考虑储能装置对于每个用途投入的容量或时间的比例.用数学方法估算储能装置满足这些用途的百分比［18］.

表2 不同用途对储能特性的需求Table 2 Characteristics of energy storage systems in different application occasions

对于多元复合储能系统来说，应尽量选择各性能参数互补的储能类型，各尽其职.

1）大规模风电并网.

大规模风电并网给电力系统带来了很多问题，接入多元复合储能系统是目前解决问题的有效途径.风电波动频率大、波动范围广、波动偏移随机性大，这就意味着需要使用响应速度快、瞬时功率大、持续放电时间长的储能装置.建议采用Group2与Group4组成复合储能系统，按照风功率波动的频率合理分配各储能装置的出力，Group4主要分担瞬态或持续时间较短的动态功率补偿，Group2承担时间尺度较长的功率补偿、能量调节任务，不仅提高了大规模风电场的并网能力，同时也优化了蓄电池的充放电过程，延长了其使用寿命.

2）传统电力系统.

在传统电力系统中，储能装置可以有效地提高功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性.以功角稳定性为例，根据扰动的大小将功角稳定分为大扰动功角稳定和小扰动功角稳定.大扰动如输电线路故障出现的频率小，但需要响应速度快、瞬时功率大、放电深度深的储能装置；小扰动如负荷波动是长期存在的，需要容量大、频繁使用的储能装置.因此，建议将Group1和Group2的储能装置联合使用，根据不同的扰动合理动作，提高电力系统的功角稳定性.

3）微网.

微网既可独立运行，也能连接到大电网运行，为了更好地实现微网的技术特性，储能技术已成为微网的核心技术之一，其主要功能有提高供电质量（如电压补偿）、供电可靠性（如不间断电源）和优化能量管理等.供电质量要求储能装置快速响应，频繁动作，而不间断电源，能量管理要求则是储能装置的容量.因此，建议在微网中将Group3和Group4的储能装置复合使用，满足微网多方面需求.

2.3 拓扑结构

储能装置以直流（如蓄电池、超级电容）或交流（如飞轮储能）的形式充、放电，复合时选用同种充放电形式的储能类型可以简化拓扑结构，从而简化控制策略，提高充放电效率.以直流形式充放电的储能装置为例，根据储能元件自身的特性，又可将储能元件分为电压源型和电流源型，其中，超级电容和蓄电池属于电压源型，超导磁储能系统属于电流源型.复合方案则可分为2类：

1）根据不同储能装置的响应特性，可将不同性能的储能元件进行组合.以直流储能元件为例，一般需在并网侧采用DC/AC变换器，超级电容、蓄电池通过Buck/Boost变换器与DC/AC变换器的直流母线接连，而超导线圈通过DC/DC斩波器与DC/AC变换器的直流母线接连.则DC/AC变换器即可作为不同储能装置向电网输出能量的公共通道，而每种储能元件输出的能量则是通过控制其相应的DC/DC变换器实现的.不同储能元件复合的拓扑结构如图2所示.

图2 不同储能元件复合拓扑结构Figure 2 Typology of CESS

2）根据不同应用场合的需要，又可将不同性能的储能装置安放在不同的位置，即储能装置的分布式复合.在不同的安放位置，根据储能装置的类型又可选择不同的拓扑实现并网.为了扩展容量，还可采用多重化结构，利用载波移相进行控制，降低开关频率及滤波电感、电容的体积、容量.

2.4 经济性

研究表明，复合储能系统的容量与成本不成正比，因此，根据实际需求，应合理配置储能系统的容量，寻找盈亏平衡点，通过综合考虑投入的成本及获得的利润，在技术指标可达到的前提下，选取利润最大化的储能类型［19］.

为了体现多元复合储能系统的应用意义，假设一个储能系统的任务是低谷负荷时段内储存电能，高峰负荷时段内提供电能（给一个需求不断变化的负荷平衡峰谷差），如图3所示.为便于分析，设负荷变化情况与储能元件满足以下条件：

1）7天为一个周期，其中有2天储能系统的储能量为600kW·h，另外5天为75kW·h；

2）1天内储能系统储存的电能与释放的电能是相等的；

3）储能元件的寿命与放电深度（DOD）成反比，如：铅酸蓄电池完全放电时循环寿命为250次，若以DOD＝50%放电，寿命可延长至250/0.5＝500次.

图3 负荷功率需求变化情况Figure 3 Power demands of load

现建立3种类型的储能系统：铅酸蓄电池储能系统、锂离子电池储能系统及由铅酸蓄电池和锂电池组成的复合储能系统.2种电池的参数对比如表3所示，拟建设一个容量为600kW·h的储能系统.

表3 铅酸蓄电池和锂离子电池的参数对比Table 3 Parameters of lead acid battery and lithium－ion battery

假设2种电池都工作在理想状态直到报废，计算得到3种类型的储能系统按照图3中负荷需求供电的寿命、总投资额以及分期偿还费用如表4所示.从结果可以看出，锂电池的寿命远远长于铅酸蓄电池的寿命，虽然锂电池储能系统初期的总投资费用较大，但是分摊到每一天的摊销成本较小.第3种复合储能系统由525kW·h（87.5%）的铅酸蓄电池模块和75kW·h（12.5%）的锂离子电池模块组成，由于铅酸蓄电池的容量较大且循环寿命较短，所以让其承担负荷需求大的周六、周日2天的能量供给，而锂离子电池每天都工作.由计算结果可以看出，相比于只用铅酸蓄电池模块的情况，铅酸蓄电池的寿命有所延长，相比于只用锂电池模块的情况，总投资额有所降低.

虽然多元复合储能系统在实际应用中需要考虑的因素要复杂的多，但通过这个简单的算例，可以看出复合储能系统相比于单一储能系统的优势.

表4 3种储能系统参数对比Table 4 Parameters of three energy storage systems

3 多元复合储能系统构建

3.1 结构

将选择出适合复合的储能装置，根据实际的电源/用户端情况，通过充电器/变流器连接起来，如图4所示.由于储能类型不同，SOC、端电压、额定功率等性能参数会有很大不同，相互之间不协调，如果直接相连，往往不能够正常工作.为此，每一个储能模块都有相应的充电器/变流器，采用这种结构有较大的灵活性，也便于储能规模的扩展，但同时也增大了控制系统的复杂程度及投资成本.

3.2 变流器系统

在交流电力系统中应用，功率转换系统（PCS）是必不可少的环节.根据储能装置及用户需求的不同，功率转换系统涉及到整流器、逆变器、斩波器、双向变换器等几种，是储能装置参与电力系统动态行为的能量转换控制中心，决定着整个系统的运行效率.

图4 多元复合储能系统的结构Figure 4 Structure of CESS

3.3 监测和控制系统

监控系统由信号采集、控制器两部分构成，其主要任务是实时监测和记录储能模块与电源/用户端的运行状态，根据用户的运行要求以及既定的控制策略，对充电器/变流器发出相应指令，实现储能模块和电源/用户的功率交换.控制器的性能必须和电源/用户的动态过程匹配才能有效地达到控制目的，如电池管理系统（Battery Management System，BMS）通过准确地监测电池组的SOC（state of charge）与 SOH（state of health ），控制充放电电压、电流，并维持单体电池间的均衡，使得电池组在合理高效的状态下工作［20］.

4 能量管理策略

4.1 充/放电分配策略

假设有多个储能模块，无论何时从外部电源获取电能，首先都要选择合适的被充电对象，其分配目标是使充电效率最大化，这与储能装置的类型、SOC、外部充电电源的电压电流水平等因素相关.充电分配策略应给出最优的充电顺序［21］.

与充电过程类似，放电时也需选择最有能力的储能模块给负荷供电，放电效率也很大程度上与储能设备的SOC、容量、功率、端电压等因素相关.最优放电模块随着SOC的变化会不断地变化，放电分配策略应给出最优的放电次序与储能模块的放电深度.

4.2 协调控制策略

充放电分配及能量转移策略都是很复杂的，它们相互联系并且相互制约.目前，FACTS装置和单一储能装置已有部分研究工作正在进行，其研究方法和思路对多元复合储能的协调控制策略有一定借鉴意义.如采用智能算法，以系统性能指标和经济性指标为控制目标，协调各储能模块之间的充放电分配以及能量转移.

5 结语

多元复合储能系统是解决当前储能技术需求矛盾的有效手段，可通过结合多种储能类型的优势，实现包括大储能量、低自放电率、长寿命、低成本等优良性能.目前，对于多元复合储能系统的研究才刚刚起步，多元复合储能系统的配置方法、多元复合储能系统构建以及能量管理策略是迫切需要解决的几个关键技术问题.

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