储能技术在抑制风电场功率波动方面的研究综述

管俊，高赐威

（东南大学电气工程学院，南京210096）

风能是21世纪最重要的新能源之一，虽然存在着出力间歇性和不确定性[1]等缺点，但是风能清洁，无污染的特点顺应了时代对于环保的要求。因此，风力发电得到了各国政府的大力支持。2009年全球风电装机总量增长31%，中国风电装机容量连续5a实现100%增长，全球风电装机总量达到157.9GW，较上年增加了37.5GW,新增装机容量中有近1/3来自中国。

大规模风电并网困难已经成为当前风电发展的瓶颈，如2009年四季度内蒙古电网风电上网电量占全网上网电量的8.2%，2010年一季度达到了7.7%。但是由于内蒙古电网对风电的接纳能力有限且电力外送通道的不顺畅，弃风情况严重，因此提高电网对风电的接纳能力已经成为电网面临的迫切问题。2010年中国风机装机容量还将持续高速增长势头。随着大规模风机接入电网，风电在电力系统中所占的比重越来越大，风电出力间歇性将会对电力系统的安全可靠运行产生巨大的冲击，为了减小风电对电力系统的冲击，在风电场配置储能装置已经成为平滑风电出力的有效手段之一。

1 风电接入对电网的影响

我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来，文献[2-4]阐述了风电并网后对电力系统稳定性、电网频率、电能质量、发电计划和调度等方面的影响。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。

2 储能技术抑制风电场功率波动原理

风电场加入储能装置后，风电场的总输出功率是风机总输出功率和储能装置输出功率之和。储能装置的输出功率要起到平抑风电输出的作用，即当风电出力骤升时，储能装置吸收功率，反之则输出功率。储能装置输出功率可正可负，当储能装置输出功率为正时，储能装置在放电；当储能装置输出功率为负时，储能装置在充电。

以某风电场一天的数据来说明原理。图1中，紫红色直线对应的值为130 MW，当风机总输出功率大于130 MW时，储能装置通过某种控制策略立即充电；当风机总输出功率小于130 MW时，储能装置通过某种控制策略立即放电，理论上可以平滑风电场的出力大小。在这种运行控制策略下，储能装置的响应时间要求达到ms级，并且要求储能装置有一定大小的功率和容量。风电场目标总输出功率并不一定是一直固定不变的，可以根据各个风电场不同时间段风力大小等情况，制定各个时间段的目标总输出功率。

图1 某风电场某日出力情况

3 储能技术在风电出力稳定性中的研究状况

储能技术按不同的原理可以分为机械能储能、化学能储能和电磁能储能3类，在风力发电系统中均有不同程度的应用。

3.1 机械能储能

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能(Pumped Storage)电站一般利用电力负荷低谷期的电能把水抽至上游水库，在电力负荷高峰期再放水至下游水库发电。抽水蓄能的效率在70%~85%之间，响应时间在10 s~4 min之间[5]，是目前存储大规模电力成本效益最好的储能技术。抽水蓄能电站能够用于黑启动、控制电网频率、提供备用容量和提高火电站和核电站的运行效率等方面。

针对以抽水蓄能电站为储能装置的风电场，文献[6]提出了3种运行方案，第一种是全部风电供给抽水蓄能电站抽水；第二种是通过分析风电场出力和电网容量大小，将一部分风电直接输入电网，其余部分风电供给抽水蓄能电站抽水；第三种是风电全部输入电网。文章通过建立风电和抽水蓄能电站系统的最佳运行模型和经济评价模型，求解出电网内常规电厂最小出力，选出最优的风电、抽水蓄能系统最佳运行方式和风电、抽水蓄能电站的最佳容量比。文献[7]阐述了加那利群岛解决可再生能源渗透的可行方案，即抽水蓄能和可再生能源的混合系统，系统包括额定输出功率为20.40MW的风电场，额定输出功率为17.80MW的模块化抽水蓄能电站和额定输出功率为60MW的水电厂，实际应用表明混合系统对电力系统和用户满意度没有负面的影响。

抽水蓄能是当前惟一的广泛采用的大规模能量存储技术，但是其应用受地理条件、转化效率等方面的制约较大，而且由于抽水蓄能响应时间是分钟级，在瞬时平滑风电场出力方面有时间上的限制。

3.1.2 飞轮储能

飞轮储能(Flywheel Storage)系统一般主要由以下几部分组成[8]：转子系统，轴承系统和电动/发电机系统，真空、外壳和控制系统等。飞轮储能的主要优点是高充放电率，高循环次数，并且转换效率大于90%，响应速度快，几乎不需要运行维护。由于充放电率对循环次数没有影响，飞轮的循环次数可以达到105~107次，寿命一般为20 a。通过对转子材料等方面的研究，飞轮储能的比能量可以达到100Wh/kg，比功率可以达到5 000W/kg。飞轮储能的劣势是高成本和高存储损耗。存储损耗在每小时20%左右，因此飞轮储能不适合用于能量的长期存储。飞轮储能可以用于不间断电源、应急电源、调频和调峰等方面。

在风电场中的应用方面，文献[8]对飞轮储能在并网运行的风电系统中的应用做了详细的探讨，得出的结论是对于并网运行的风电系统，飞轮储能可以作为风电机组输出功率的补偿环节。飞轮的工作原理是当风机出力相对于基准功率出现偏移时，飞轮通过充/放电控制来补偿风电出力的波动，使得风电和飞轮系统的总输出功率平稳。文献[9]针对风力发电系统存在的功率波动问题，提出基于模糊控制的飞轮储能装置抑制功率波动的方法，通过控制公共直流母线上电流的大小，控制飞轮储能的充放电规律，结果表明飞轮储能有效地抑制了风电场功率波动。文献[10]研究了风机、飞轮储能的混合系统以及飞轮储能的控制方式，通过仿真来演示风机和飞轮储能混合系统的性能，得出的结论是飞轮平滑风电场出力的效果良好。在文献[11]中，双馈感应风机，飞轮储能连接到直流母线，通过一种模糊逻辑的控制策略控制飞轮储能的充放电，并且保持直流母线的电压的稳定，以此平滑风机出力。

随着大功率飞轮储能的研制和应用，飞轮储能可以实现MW级的输出功率和数小时的持续时间，基于飞轮储能寿命长、快速脉冲响应能力和高充放电率等特点，在合理的控制策略下，飞轮储能可适用于瞬时平滑风电场出力。

3.1.3 压缩空气储能

大部分有关翻转课堂的研究采取了课堂内以小组为基础的互动教学活动形式，这一运用是建立在Piaget 1967和Vygotsky[2]的以学生为中心的教学理论基础之上的。而这些教学活动的本质在不同的研究中相差甚远，这就容易产生一些认识误区，导致翻转课堂的标签经常被用在一些课程当中，这些课程也会使用提前录制的以网络为基础的录像讲座和封闭性问题与测试，而在许多传统课程中，这些就是学习者得到的全部学习指导。因此，翻转课堂不是指单纯的教学活动重组，而是指课程安排的拓展。其简易的表述见表2。

压缩空气储能 (Compressed Air Energy Storage)电站主要有压气机、储气室、电动机/发电机等部分。压缩储能电站是一种调峰用燃气轮机发电厂[12]，主要是利用电网负荷低谷期剩余的电力压缩空气，将其储存在高压密封的容器内，在用电高峰期再释放空气来驱动燃气轮机发电。蓄水层、岩洞、自建的容器或者废弃的矿井可以作为压缩空气的储气室，目前蓄水层作为储气室是最便宜的方案。通常压缩空气储能的容量在50~300 MW，因此压缩空气储能适用于大规模能量储能，除了抽水蓄能，压缩空气储能容量最大。压缩空气储能存储损耗很低，响应时间在1~10 min之间[13]，主要应用于平衡负荷、可再生能源存储、系统备用等。

在风电场中的应用方面，文献[14]提出了压缩空气储能和风机联合运行时的新思路，将捕获的风能高效地转换为压缩空气内能，负荷高峰或需要用电时再用压缩空气直接发电，在理论上具有可行性，可以解决电力系统发电和用电不同步的问题。文献[15]论述了通过压缩空气储能技术可以把风能变为可控的能源，并且考虑风机和压缩空气储能混合系统生产的电力成本问题，指出这个生产成本对于现代工业社会是完全可以接受的，压缩空气储能将会在很长时期内具有竞争力。文献[16]讲到两种储能装置安装方案，一种放在风机侧，另一种放在负荷侧，通过输电成本分析发现储能放在风机侧更加合理、可靠；还分析了风机和压缩空气储能系统的优点，比如降低网络传输费用、改善电能质量等。

从理论上来说，压缩空气储能也适于大规模能量的储能，但是其应用受转换效率和成本等方面的影响限制。压缩空气储能具有分钟级的响应时间，在瞬时平滑风电场出力方面受一定的时间限制。

3.2 电磁储能

超导磁储能 (Superconducting Magnetic Energy Storage)主要由3部分组成：超导单元、低温恒温器和转换系统。超导磁储能系统一般将电网供电励磁产生的磁场能量储存在由超导磁制成的线圈中，需要时再释放出来[17]。超导磁储能的效率很高，一般大于97%，并且能够快速响应（ms级），循环次数大于10万次，寿命大于20 a。超导磁储能的比能量（0.1~10 Wh/kg）和比功率（1 000 W/kg）都比较高，但是超导磁储能成本高昂和其强磁场对环境影响显著。超导磁储能适用于解决大型工业用户的电压稳定和电能质量问题。

在风电场中的应用方面，文献[18]建立了风机和超导磁储能装置的数学模型，并且研究了超导磁储能对风电场运行稳定性的改善情况，超导磁通过某种控制策略可以有效平滑风电场的功率输出。文献[19]从补偿系统中不平衡功率这一角度出发，研究了超导磁储能装置稳定风机输出的效果，结果表明超导磁储能装置可以稳定系统输出。超导磁储能系统用来改善风电场的电压稳定性是文献[20]研究的重点。超导磁储能系统可以控制有功和无功潮流，风机在四象限运行，超导磁系统的引入可以平滑风电场的输出功率，并且维持动态的电压。文献[21]指出，大规模风电接入电网会使得电力系统出现严重的波动问题，为了抑制功率波动，可以应用超导磁储能系统，因为超导磁储能系统可以迅速地控制有功和无功。为了增强超导磁储能系统控制器的鲁棒性，文章建议控制器的设计要考虑系统的不确定因素。文献[22]通过合理设计功率解耦的超导磁储能控制器抑制了功率波动，仿真分析证明了理论的正确性。

3.3 化学能储能

3.3.1 超级电容储能

超级电容(Supercapacitor Storage)是根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其赋予电极表面，形成双电荷层，构成双层电容[17]。超级电容储能的比功率非常高，达到10 kW/kg，而蓄电池的比功率一般只有几百W/kg，但是因为比能量低，高功率只能持续很短的一段时间。由于高功率和高快速放电能力，并且储存损耗在每天20%~40%之间，超级电容储能适合作为能量暂时存储单元。和其他新型储能技术的问题一样，超级电容储能的成本也比较高。目前超级电容器主要用于短时间、大功率的负荷平滑，电动汽车的能量存储装置等。

在风电场应用方面，文献[23]介绍了超级电容储能系统可以快速调节有功和无功，提出了一种将超级电容储能系统应用在风力发电系统的新思路。通过MATLAB仿真，结果表明超级电容可以很好地改善并网风机的电能质量和稳定性。文献[24]考虑了储能装置和风机的联合运行抑制风机功率波动，在瞬态情况下，储能装置还能用来加固直流母线，因此增加了低电压穿越的能力。研究结果显示，当基于低电压穿越来规定储能装置的能力时，储能装置可以有效地抑制短期功率波动。文献[25]描述了风/小水电电力系统联合超级电容储能装置的实验结果，证明了当超级电容储能装置和电网相连后，风/小水电系统成功地弥补和平滑了波动的风机出力。

超级电容储能寿命比较长，比功率、比能量都能达到平滑风电场出力的要求，就风电场的应用而言，主要制约因素依然是相对高昂的成本。

3.3.2 蓄电池

蓄电池主要利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电。根据所使用的化学物质的不同，蓄电池可以分为许多类，有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫电池、液流电池等[17]。

铅酸电池是目前最常用的电池，当前广泛应用于各类风电场中。铅酸电池的比能量一般为30Wh/kg，比功率为180W/kg，效率在85%~90%之间，自放电率只有每月2%左右，这使得铅酸电池适合长期储存。铅酸电池的缺点是低的循环寿命，并且其寿命跟放电深度和温度有关，此外废弃铅酸电池对环境的影响巨大，需要进行必要的回收处理。

镍氢电池与铅酸电池相比，具有容量大，充放循环次数多和环境友好等特点，但是价格比较贵。由于镍氢电池的成本、效率（不如铅酸电池）等问题，缺乏大规模应用的条件。

锂电池的比能量高，环境友好，和铅酸电池相比，锂电池的比能量（75~200 Wh/kg）和效率（接近100%）都比较高，目前已经广泛应用于数码产品，但是由于大容量集成和成本的问题，目前还不能在电力系统中大规模应用。

钠硫电池的比能量高（和锂电池同一等级），并且效率达到89%~92%，一般运行在300~350℃，在100%放电深度下，循环次数可以达到2 000次，寿命一般为15 a。钠硫电池可以提供30 s左右的脉冲功率，因此适用于调峰和提高电能质量。钠硫电池所用材料便宜，并且没有毒性，具有广阔的发展前景，至今有150多座功率大于500 kW的钠硫电池储能站在全球运行。

全钒液流电池（Vanadium Redox Battery）是液流电池的发展主流，是一种新型的储能设备，它的主要特点是规模化蓄电，全钒液流电池寿命很长（5~10 a），充放电循环次数大于10 000次，容量和功率可以灵活设计，可以快速充放电。主要缺点是能量密度相对较低（10~30Wh/kg），以及钒液体有剧毒，存在安全隐患。

针对蓄电池在风电场中的应用，文献[26]分析了应用于风电的储能方式，并对蓄电池储能方式进行了仿真研究，验证了蓄电池储能方式的可行性。文献[27]研究了在太阳能/风能发电混合系统中加入蓄电池储能的技术性和经济性，通过实例分析说明技术和经济的可行性。文献[28]介绍了风机、柴油机混合动力系统(WDHS)的3种运行方式：只运行柴油机(DO)，只运行风机(WO)，风机、柴油机一起运行(WD)。在WO模式下，电源是风力发电机和蓄电池，如果输出有功有缺额，分布式控制系统(DCS)就会启动柴油机阻止频率波动，风机、柴油机和蓄电池的联合运行可以使得系统的频率达到额定值。文献[29]中使用的蓄电池是镍铬蓄电池，文章阐述了有镍铬蓄电池储能系统的风力柴油混合动力系统(WDHS)有效地控制了有功出力。文献[30]设计了一个预测控制方法来解决风电场输出功率波动问题，这种控制方法可以控制蓄电池的储能容量。文献[31]用一个简化的模型评估有蓄电池储能的风力发电系统的月度绩效，通过改变蓄电池的容量，模拟系统的月度绩效。为了充分结合各种储能装置的优点，混合储能研究也已经开始，文献[32-33]结合了蓄电池的比能量大、超级电容器比功率大和循环寿命长的特点，设计了超级电容器和蓄电池的混合储能，优化了储能系统的性能。

蓄电池的响应速度都能够满足瞬时平滑风电场出力的要求，且成本效益较高，是当前比较常用的风电场配置，但是受制于存储容量的限制，需要通过进一步优化运行方式改善风电场出力的运行特性。

3.4 各类储能技术特点总结

根据文献[34-36]总结出各类储能技术的特点，见表1。

表1 各类储能的特点

4 结论

风电场配备一定容量的储能装置对风电场输出功率的稳定性具有重要的作用，为了提高系统对风电的接纳能力，寻找适合应用于瞬时平滑风电场出力的储能技术，并对其进行系统的研究是当前迫切需要的。本文对传统和新型储能技术做了详细的分析，对提高电网对风电的接纳能力方面的研究进行了深入的调研和总结归纳，为风电场储能装置配置提供了技术参考。总体而言，抽水蓄能和压缩空气储能由于存储容量大，适合存储大规模的风电，但是受地理条件的约束。飞轮储能、超导磁储能和超级电容储能在寿命、比功率、转换效率等方面比蓄电池有优势，并且作为新兴的储能技术发展潜力巨大。蓄电池的种类繁多，其中铅酸电池目前已经广泛应用于风电场，但仅从技术角度分析，钠硫、全钒液流等新兴电池的性能比铅酸电池优越，只是目前钠硫、全钒液流等新兴电池成本昂贵，并不能大规模取代铅酸电池。飞轮储能、超导磁储能、超级电容储能、钠硫电池和全钒液流电池等新兴储能技术响应速度快，并且有一定的功率/能量，适用于瞬时平滑风电场出力，随着储能技术的突破和成本的逐步降低，在不久的将来储能技术将大规模用于改善风电场的运行特性。

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