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储能对未来电力系统的影响

IEEE学生成员Sandeep Yeleti和IEEE成员Yong Fu

摘要-电能存储系统可为电力系统提供许多应用，例如经济上满足峰值负载，快速提供旋转储备，提高电能质量和稳定性以及维持可靠性和安全性。可再生能源迅速整合到电网中，正促使人们越来越关注能够稳定可再生能源输出的电能存储系统。电能存储系统的应用也将推迟新传输线的安装。随着先进的储能技术的发展，电能存储系统正在使未来的电力系统更加可靠，高效和经济。本文介绍了当前使用的各种储能技术，它们的应用以及它们在未来电力系统中将扮演的角色。

索引词-储能，可再生能源，智能电网。

1. 介绍

电能存储系统（EESS）以动能，势能，电化学方式存

储电能或电磁形式储存，可在需要时转换回电能。电能转换为不同形式并转换回电能是通过功率转换系统完成的。EESS可以在非高峰时段存储廉价的能量，并在能量昂贵的高峰时段用于满足负载，这将改善电力系统的经济运行。与常规发电机相比，储能系统具有更快的斜坡率，可以快速响应负载波动。因此，能量存储系统可以是理想的纺丝备用电源，可提供快速的负载跟踪，并减少了常规发电厂对纺丝备用电源的需求。

电能存储最初仅用于负载均衡应用。现在，它们被视为提高电力系统质量和稳定性，确保为负载提供可靠，安全的电源以及使电力系统“黑启动”的工具[1]。例如，由于电子负载的增加，电能质量已成为公用事业的主要关注点。由于电压幅度和频率的变化，电能质量变差。电能存储可以通过以下方式帮助维持电能质量：

作者在密西西比州立大学电气与计算机工程系，斯塔克维尔，MS 39762美国

（电子邮件：sy153@msstate.edu, fu@ece.msstate.edu )

为电网提供必要的电压和频率支持。储能系统可以提供VAR，以便大量电感负载在线时快速增加并维持电压[2]。直接在短时间内从电网汲取高功率会降低电力系统的稳定性。但储能系统也可用于产生高功率脉冲，而对稳定性的影响很小。可靠性也是主要问题，公用事业应对此加以保证，尤其是对于关键负载。在美国，电力中断每年造成的损失约为790亿美元，其中三分之二是由于五分钟内的中断[3]。储能设备可以消除短期中断，直到备用发电机联机。此外，在任何紧急情况下，正确的EESS位置都将提供预防措施，以减轻违规情况。因此，将通过EESS的应用来维护电力系统的安全性。

在美国，预计可再生能源发电量将大大增加。到2020年，大多数州都要求15-30％的可再生能源投资组合标准[4]。风能和太阳能是可再生能源的主要来源，它们是间歇性的且易挥发的，从而导致向电网的供电方式发生变化。电能存储与这些能源的结合可以通过在高可用性期间存储能量并在短缺时使用它来确保可再生电力输出。结果，电能存储系统可以增加可再生能源对电网的渗透并减少碳排放。另外，当发生临界线路中断时，必须减少风能，以消除传输线路上的过载。通过使用大的能量存储可以缓解这种问题。

通常，为了减轻电力系统中的拥塞，需要大量增加的需求来对传输系统进行升级。但是，这样的解决方案可能行不通，因为（1）获得安装新线路的权利和批准将需要很多年；（2）由于空间限制，几乎不可能在市区建造新线路；（3）成本高昂。需要增加传输线的建设。负载中心的能量存储可以解决压力大的电源系统运行快速，灵活和经济的问题。能量存储系统的使用可以在高峰负载时段减少通过线路的功率传输，并大大降低拥塞成本，因为能量存储系统可以将负载从高峰时段转移到非高峰时段[5]。

因此，减少了传输设备上的负载可能会延迟传输系统的升级。例如，2006年试验成功采用了1.0 MW，7.2 MWh的钠硫电池，以峰值方式削减20 MVA变压器的夏季负荷，并将变电站的升级推迟3-5年，直到有稳定的负荷增长[6]。

此外，在故障情况下，储能可以为关键负载客户提供支持。储能设备还有助于整个电源系统的黑启动。总体而言，将储能器集成到电力系统中使可利用的发电，输电和配电基础设施的使用更加可靠，高效和经济。

作为市场参与者，电能存储系统可以参与电力市场，例如NYISO和PJM。由于其存储和输送特性，储能系统可以进入不同的市场，例如能源，辅助服务和装机容量市场[12]。

本文的其余部分安排如下。第二节介绍了各种储能技术。第三节介绍了能量存储对电力系统不同部分的影响。第四节讨论了储能在未来智能电网中的重要性。第五节给出了一个简短的结论。

1. 不同的储能技术

如今存在多种不同的能量存储技术，其中一些已经在使用中，而某些尚未实施。不同的能量存储技术根据要存储的能量数量，传输速率和响应时间来为不同的应用提供服务。下列储能技术在储能应用中具有很高的优先级。表I [3，9，12]中总结了这些技术的比较。此外，还有其他几种能量存储技术，例如氢能存储，热量存储和燃料电池。

1. 抽水蓄能

抽水蓄能是传统的且使用最广泛的储能技术。在此存储中，通过在非高峰时段将水抽到较高的水库中，电能作为势能存储。通过允许水从较高的水库流到较低的水库并驱动水轮机，该能量可以转换回电能。在当前使用的电网储能技术中，就容量而言，抽水蓄能是最大的一种。抽水蓄能电站的效率大约为70％–80％，这取决于电站规模，涡轮机类型，压力管道直径，水库之间的高度和发电水平[5]。抽水蓄能电站的使用仅限于农村地区，因为该系统构成了用于建立水库的大面积区域。

1. 电池储能

电池被充电以在电池内部以化学反应的形式存储电能。该反应的逆转将导致电池放电，从而从化学反应中产生电能。因为电池存储并产生直流电，所以功率转换器对于此类存储至关重要，以便与交流电网进行交互。因为它们无污染，易于安装和便携式，所以电池储能是城市地区最方便的储能方式。电池储能系统由串联和并联连接的几个低压电池模块组成，以获得所需的电气特性[1]。电池系统有很多类型，例如铅酸，锂离子，钠硫和液流电池。其中，铅酸电池由于其低成本而目前用于许多应用中。尽管电池是最方便，最实用的方法，但是电池的高成本和较短的循环寿命却在实施中受到极大关注。插电式混合动力汽车中电池的实施对现有的电网能源管理系统提出了挑战。

1. 压缩空气储能（CAES）

压缩空气能量存储使用非高峰负荷期间来自电网的多余功率来压缩空气，并在压力下将其存储在地下储层中。在动力不足的情况下，压缩空气被释放并与燃料燃烧以驱动发电机。实际上，这种技术也称为混合能源存储，因为它也使用燃料。但是，对于相同的功率输出，该存储中的燃料消耗仅为常规燃气轮机消耗的三分之一。由于将压缩空气存储在地下的安全相关问题，目前压缩空气能量存储未被广泛使用。目前，在美国只有一种这样的发电厂，这是1991年在阿拉巴马州建立的110兆瓦– 26小时的压缩空气储能厂[5，8]。

1. 飞轮存放

飞轮能量存储器以转子或围绕轴在轴上旋转的盘的动能形式存储电能。通过分别改变存在于加速或减速转子中的动能的量来进行飞轮存储系统的充电或放电。飞轮与电机耦合，该电机充当电动机以在充电时驱动飞轮，并充当发电机以通过使转子减速至静止位置来释放存储的能量。储存的能量取决于惯性矩和转子转速的平方。因此，复合材料被用于转子以减轻其重量，从而允许高得多的速度。飞轮具有高功率密度和高循环寿命。纽约市正在采用一种中型飞轮系统，其配备十个100kW – 30秒飞轮，用于再生制动和地铁运输车的启动[8]。

表一

不同储能技术的比较

1. 超导磁能存储（SMES）

超导磁能存储通过以非常低的温度存储由直流电流流过由超导材料制成的线圈而产生的磁场形式的电能来充电。可以在短时间间隔内以高功率输出来释放存储在磁场中的直流电。线圈中存储的能量与线圈的电感和产生磁场的直流电流的平方成正比。线圈尺寸的增加可以增加存储容量。目前正在使用高达3 MW的超导磁储能单元[1，8]。由于其高效率和快速响应，超导磁能存储引起了越来越多的关注。中央哈德森燃气和电力公司安装并测试了一个1.0兆瓦，0.75兆焦的小型SMES装置，以提高当地的电能质量和可靠性[10]。

1. 电容器类

电容器由两个平行的电极板组成，两个电极板被电介质隔开。当在端子之间施加电压时，正电荷和负电荷会积累在极性相反的电极上。电容器中存储的能量与电容和所施加电压的平方成正比。因此，可以通过电容和电压来增加能量存储容量。尽管电压受到电容器中电介质的限制，但是可以通过增加电极的介电常数和表面积或减小电极板之间的距离来增加电容。该电容器通常用于高功率短期应用，例如脉冲负载。像超级电容器一样，电容器的存储也有了很大的进步，对于相同的存储能力而言，其体积要小得多，并且循环寿命也更长。现在，超级电容器的功率范围高达100 kW，放电时间非常短，长达10秒[9]。

1. 电力系统不同部分中的储能应用
2. 可再生能源储能

可以使用各种可再生能源来发电，例如风能，太阳能，地热能和潮汐能。可再生能源由于

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