甘德樹

摘 要：風(fēng)力發(fā)電環(huán)境友好、技術(shù)成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著，是發(fā)展最快的新能源之一。然而，風(fēng)力發(fā)電其自身間歇性、不可控、無(wú)調(diào)頻能力、控制復(fù)雜等特點(diǎn)，使其接入電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來(lái)一系列問(wèn)題。因此，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)全面提升風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電性能已經(jīng)成為了一種共識(shí)。文章綜述了幾種常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了典型的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。最后提出儲(chǔ)能系統(tǒng)功率特性的持續(xù)提升、儲(chǔ)能成本的降低與儲(chǔ)能和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高級(jí)集成將是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電；電池特性；儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性；儲(chǔ)能示范工程

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0008-03

近年來(lái)，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量占全網(wǎng)容量比例的增大，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)管理已經(jīng)成為一項(xiàng)重要課題。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，因此風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率存在著很強(qiáng)的波動(dòng)性，很難滿足電網(wǎng)對(duì)于電源調(diào)峰調(diào)頻的要求?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)識(shí)到，為大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)添加儲(chǔ)能設(shè)備是一種改善發(fā)電特性的重要途徑，在技術(shù)研發(fā)和電場(chǎng)應(yīng)用方面已經(jīng)有較多的實(shí)踐成果。本文將從應(yīng)用策略、儲(chǔ)能技術(shù)特性和示范工程三方面闡述儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用策略

現(xiàn)階段儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的主要應(yīng)用有如下幾個(gè)方向。

1.1 平滑功率輸出

儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)階段最主要的功能就是在風(fēng)電場(chǎng)出力超過(guò)電網(wǎng)消納能力的狀態(tài)下儲(chǔ)存多余電量，在風(fēng)電場(chǎng)出力低于電網(wǎng)并網(wǎng)要求的狀態(tài)下釋放已有電量，達(dá)到削峰填谷平滑輸出的目的。目前，許多國(guó)家對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)平滑控制進(jìn)行了比較深入的研究，根據(jù)理論模擬與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電波動(dòng)的運(yùn)算法則以及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，能夠根據(jù)成本/性能比得出最佳的電場(chǎng)容量與充放電策略。

1.2 調(diào)頻與平衡機(jī)制

在運(yùn)行電力系統(tǒng)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)AGG（自動(dòng)發(fā)控制）對(duì)電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的控制，通常采用調(diào)節(jié)調(diào)頻電源有功出力的方式。儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確且快速地控制功率輸出，滿足電網(wǎng)調(diào)頻的要求。全球已統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)、理論方面的研究，并經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，通過(guò)充分利用高性能調(diào)頻電源能有效提升系統(tǒng)調(diào)頻的整體經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。北美地區(qū)已率先規(guī)模化使用新型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1.3 電壓調(diào)節(jié)作用

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)點(diǎn)處的無(wú)功功率輸出，以較好地實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能。盡管越來(lái)越多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也具有電壓調(diào)節(jié)的功能，但如果需要在風(fēng)電場(chǎng)不能發(fā)電的情況下也能夠發(fā)揮這種作用，就必須安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1.4 改善電能質(zhì)量

在很多情況下，風(fēng)電場(chǎng)一般位于電網(wǎng)末端，并與配電網(wǎng)直接相連，這就使得風(fēng)電引起的電能質(zhì)量問(wèn)題顯得尤為重要，例如電壓波動(dòng)和閃變則是風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一。有學(xué)者采用超級(jí)電容器平抑風(fēng)電有功功率快速波動(dòng)從而抑制閃變的方法，設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器的控制策略，仿真結(jié)果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。

1.5 提高預(yù)測(cè)水平

有研究表明，在通過(guò)預(yù)測(cè)的風(fēng)速值計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)發(fā)送的功率，并將預(yù)測(cè)值提交到電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的同時(shí)，可以在風(fēng)電場(chǎng)的出口處接入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)?？焖夙憫?yīng)彌補(bǔ)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)出功率與預(yù)測(cè)功率的誤差，從而提高電網(wǎng)依據(jù)風(fēng)功率預(yù)測(cè)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電調(diào)度的可信性，改善了風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行能力。

目前，我國(guó)許多地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)度部門已經(jīng)提出了建設(shè)“友好型風(fēng)場(chǎng)”的概念，其主要目的就是適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)形勢(shì)，有效提高風(fēng)電利用水平。在這種條件下，使用儲(chǔ)能技術(shù)全面提升風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電性能就有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2 常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的特性

儲(chǔ)能技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等四大類型，文章主要介紹幾種常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)。

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能因其簡(jiǎn)單的工作原理，發(fā)展最早且技術(shù)最成熟，已廣泛使用在調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等領(lǐng)域。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在峰值時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)將上游水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)電網(wǎng)處在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)發(fā)電機(jī)將下游的水抽到上游，使電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)。但這種方式也存在著缺點(diǎn)，比如抽水高度過(guò)高時(shí)，能量轉(zhuǎn)化效率極低且管道鋪設(shè)困難大，需較大資金的投入。

2.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是電能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要部分，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)使飛輪快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，軸承系統(tǒng)起到支撐的作用，而能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可使電能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化。飛輪主要用在電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障領(lǐng)域。與抽水儲(chǔ)能相比，飛輪儲(chǔ)能具有技術(shù)成熟度更高、維修成本低、壽命長(zhǎng)及污染少等有點(diǎn)，但是飛輪儲(chǔ)能的能量密度很低、自放電率高，如果充電停止，能量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)自行耗盡，并且對(duì)設(shè)備的要求非常高。在電網(wǎng)處在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，將多余電能轉(zhuǎn)化動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處在峰值時(shí)，將儲(chǔ)存的電能釋放出來(lái)。

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能是電能與空氣熱能之間的轉(zhuǎn)化。壓縮空氣儲(chǔ)能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)將電能用來(lái)壓縮空氣，使電能轉(zhuǎn)化熱能，后將壓縮空氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中，電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)將高度壓縮的空氣釋放出來(lái)，使熱能轉(zhuǎn)化電能。壓縮空氣儲(chǔ)能主要用于冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)、平衡負(fù)荷、調(diào)制頻率等領(lǐng)域。壓縮空氣儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能一樣能量密度低，與抽水儲(chǔ)能相似一樣要受到地形條件的制約。但它的成本很低，安全系數(shù)大。壓縮空氣小型化及提高儲(chǔ)能壓力是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.4 鉛酸蓄電池

鉛酸電池經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，由于具有能儲(chǔ)電容量大、放電性能卓越、材料價(jià)格優(yōu)廉等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車、電站備電站、便攜式電源等領(lǐng)域使用廣泛，市場(chǎng)占有率非常高。但它壽命短限制了使用次數(shù)，最大的缺點(diǎn)是污染環(huán)境，這是最為人所詬病的地方。

2.5 鋰離子電池

鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子電池具有放電效率高、放電能量大，并且放電時(shí)電壓穩(wěn)定。壽命很長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)的方式可組成大容量、高電壓的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，這將在電力系統(tǒng)中獲得非常廣泛的應(yīng)用。

2.6 鈉硫電池

納硫電池必須在300 ℃高溫環(huán)境下工作，使電能與化學(xué)能之間完成轉(zhuǎn)化。與壓縮儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能及飛輪儲(chǔ)能相比，它的能量密度大，放電效率高，并且壽命長(zhǎng)，多用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、應(yīng)急電源等情況。由于鈉硫電池使用必須在高溫環(huán)境中，增大了電池的安全隱患且成本頗高，限制了電池的使用。

2.7 釩液流電池

釩液流電池儲(chǔ)能性能更加優(yōu)越，并且電解液可循環(huán)利用。釩電池可以通過(guò)增加電解液或者電解質(zhì)的濃度來(lái)增大電池容量；可通過(guò)增加單片電池?cái)?shù)量和面積增加其功率；同其它化學(xué)電池一樣，釩電池的壽命也很長(zhǎng)，充放電時(shí)電解質(zhì)和電解液變化不大，使得電池不受較大損傷，提高了它的使用周期。響應(yīng)速度非常快，能瞬間啟動(dòng)，充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)只需0.02 s。

釩電池是一種優(yōu)良的儲(chǔ)能系統(tǒng)，電解液可以循環(huán)使用，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

①功率和容量大，且額定功率和額定容量是獨(dú)立的。釩電池可通過(guò)增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度，達(dá)到增加電池容量的目的；通過(guò)增加單片電池的數(shù)量和電極面積，即可增加釩電池的功率。

②壽命長(zhǎng)。由于釩電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)只存在于正、負(fù)極電解液中，充放電時(shí)無(wú)其他電池常有的物相變化，可100%深度放點(diǎn)而不損傷電池。由于自放電率低，可以長(zhǎng)期保存。

③響應(yīng)速度快：釩電池堆里充滿電解液可在瞬間啟動(dòng)，在運(yùn)行過(guò)程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02 s，響應(yīng)速度1 ms。同時(shí)，轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)到70%～80%。

現(xiàn)階段釩液流電池已經(jīng)能夠作為兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用。

2.8 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級(jí)電容器依據(jù)電化學(xué)原理研發(fā)而成，充電時(shí)電極表面接近理想極化狀態(tài)，將異形離子吸附在表面，形成雙層電荷，構(gòu)成雙層電容。因?yàn)椴捎昧颂厥獾碾姌O結(jié)構(gòu)，加上電荷之間的距離在0.5 mm以內(nèi)，使得電極表面積非常大，從而電容量也很大。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)多使用在調(diào)節(jié)電能質(zhì)量及高峰值功率等情況。盡管其體積很小，但電容量卻不小，相反卻非常大甚至達(dá)到法拉級(jí)；超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電不會(huì)對(duì)其使用壽命產(chǎn)生影響。

現(xiàn)階段過(guò)高的成本是阻礙儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的重要原因。美國(guó)EPRI分析了目前各種儲(chǔ)能技術(shù)的花費(fèi)。全面比較現(xiàn)今儲(chǔ)能技術(shù)所需成本，如表1所示，其中成本最低的是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，成本只有60～125美元/kW·h，960～1 250美元/kW還沒(méi)能規(guī)模化應(yīng)用，其它技術(shù)花費(fèi)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)據(jù)，比如液流電池價(jià)格在470～1 125美元/kW·h（2 350～4 500美元/kW）；鋰離子電池價(jià)格在1 050～6 000美元/kW·h（1 200～4 650美元/kW）。美國(guó)EPRI分析了目前應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模和價(jià)值，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這些儲(chǔ)能技術(shù)的目標(biāo)價(jià)值平均在200美元/kW·h上下。目前市場(chǎng)所能提供的儲(chǔ)能技術(shù)成本與此有很大的差距。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用案例

近年來(lái)，以美國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在電池技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，開展200多項(xiàng)示范工程，確立了以儲(chǔ)能方式提高新能源可控性的重要技術(shù)方式。

同時(shí)在電力系統(tǒng)調(diào)頻中規(guī)?；褂茫⑶以陔娔苜|(zhì)量控制等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)于電力系統(tǒng)調(diào)頻，提高了其可再生能源的并網(wǎng)接納能力，如表2所示。然而，儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，只有小部分示范工程。其中，以電科院為主力建設(shè)的張北風(fēng)光儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)基地是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量最大的示范項(xiàng)目。

河北省張家口市張北縣境內(nèi)建有國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程，規(guī)模為500 MW風(fēng)電場(chǎng)、100 MW光伏發(fā)電站和相應(yīng)容量?jī)?chǔ)能電站的。一期工程建成后將成為世界上規(guī)模最大的多類型化學(xué)儲(chǔ)能電站，將達(dá)到100 MW風(fēng)電、40 MW光伏發(fā)電量、20 MW化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)模。

一期工程運(yùn)行幾個(gè)月來(lái)，通過(guò)風(fēng)、光、儲(chǔ)的6種組合發(fā)電方式與平滑出力、計(jì)劃跟蹤、系統(tǒng)調(diào)頻、削峰填谷4種功能的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多組態(tài)、多功能、可調(diào)節(jié)、可調(diào)度的聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行方式。為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域的深入推廣提供了一定借鑒。

儲(chǔ)能技術(shù)在珠海萬(wàn)山群島微網(wǎng)中的應(yīng)用。近年來(lái)，由于萬(wàn)山群島電網(wǎng)沒(méi)有與珠海陸地聯(lián)網(wǎng)，為解決該群島日益社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用電需求，按照萬(wàn)山群島微網(wǎng)規(guī)劃，由柴油機(jī)、風(fēng)能、光伏、儲(chǔ)能等多種能源組成的微電網(wǎng)正逐步在萬(wàn)山群島形成和快速發(fā)展。2013年?yáng)|澳島微網(wǎng)電氣接線圖見(jiàn)圖1。

珠海萬(wàn)山群微網(wǎng)儲(chǔ)能蓄電池主控微源模型采用Matlab 010a/Simulink/SimPowerSystems主元件庫(kù)中自帶的鉛酸蓄電池詳細(xì)模型，該模型能夠考慮蓄電池充放電過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。由于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中蓄電池的動(dòng)態(tài)對(duì)逆變側(cè)的輸出特性影響不大，亦可采用直流電壓源作為蓄電池模型，不考慮蓄電池的充放電過(guò)程。當(dāng)風(fēng)光能源互補(bǔ)混合微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，頻率由外部微電網(wǎng)提供支持，蓄電池可采用珠海萬(wàn)山群島智能微網(wǎng)規(guī)劃研究適當(dāng)控制策略以抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列輸出有功波動(dòng)；而當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，須采用蓄電池作為主控單元，同時(shí)調(diào)節(jié)蓄電池有功和無(wú)功功率輸出，維持電壓和頻率的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)是一種重要的并網(wǎng)支持技術(shù)，現(xiàn)階段已經(jīng)在部分風(fēng)電場(chǎng)中實(shí)際運(yùn)行。本文介紹了幾種常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的功能特性與經(jīng)濟(jì)成本，分析了各類儲(chǔ)能方式的優(yōu)劣，并介紹了已有的示范應(yīng)用。隨著儲(chǔ)能材料技術(shù)發(fā)的告訴發(fā)展，可以認(rèn)為：儲(chǔ)能系統(tǒng)功率特性的持續(xù)提升、儲(chǔ)能成本的降低與儲(chǔ)能和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高級(jí)集成將是未來(lái)應(yīng)用的三大方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李文斌.儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[2] 蔣平，熊華川.混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（1）：122-127.

[3] 靳文濤，馬會(huì)萌，謝志佳，等.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率控制策略[J].電力建設(shè)，2012，33（7）：7-11.

[4] 袁小明，程時(shí)杰，文勁宇.儲(chǔ)能技術(shù)在解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（1）：14-18.