风电场和压缩空气储能电站共同发展的必要性分析

闫方等

摘要：目前，我国风电场装机容量较大，但“弃风”现象严重，风能利用效率低。依照“有效发展”风电的原则，提出风电场和压缩空气储能电站配套建设，可以有效改善风电场发电的间歇性、波动性，实现风电场电力的平滑输出，而且可以改善风电反调峰性能、参与电网调峰，提高风电场运行的经济效益。与电池储能电站、抽水蓄能电站相比，压缩空气储能电站有明显的建设优势。最后，提出了今后应研究的重点。

关键词：风电场；压缩空气储能（CAES）电站；共同发展；必要性；优势

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）24-0115-02

近年来，我国风电装机规模不断增大，但风电场弃风现象也愈发严重，经济损失较大。按照我国能源发展“十二五”规划，“十二五”后几年我国将大力发展清洁能源发电，“有效发展”风电。预计至2015年，我国风电装机规模到1亿千瓦，占全国总装机的6.7%。

压缩空气储能（CAES）电站是一种“电能-压缩空气内能-电能”的储能-释能发电系统。虽然我国尚无建成的压缩空气储能电站，但在德国、美国等国家已有比较成熟的技术，并已建立多个压缩空气储能电站。CAES电站不仅可以实现“削峰填谷”调峰的作用，而且能有效改善风电场发电的间歇性、波动性，实现风电场电力的平滑输出。为实现风电的“有效发展”，本文重点分析了CAES电站和风电场共同发展的必要性，以及CAES电站的建设优势，供探讨。

一、我国风电发展概况

截至2012年底，我国风电装机总容量达到75324.2MW，同比增长20.8%。其中2012年新增装机12960MW（不包括台湾地区）。中国并网风电总容量达到60830MW，风电已超过核电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。其中，内蒙古风电装机总容量达到18623.8MW，位居国内风电装首位，占全国风电总装机容量的24.7%。

“十二五”后几年，我国风电发展的主要原则是“有效发展”风电。实现集中与分散并举，因地制宜开发利用风能资源，建设大型风电基地和中小型风电场，推进海上风电规模化发展。统筹风能资源开发、电力市场消纳和输送通道建设，推进风电与电力系统协调发展。预计到2015年，风电装机容量达到1亿千瓦，占全国总装机的6.7%（全国总装机约14.9亿kW）。

二、我国风电利用情况

近年来，我国风电场建设快速发展，但是风电场“窝电”、“弃风”现象比较严重。根据中国风能协会统计，2011年中国约有120亿千瓦时左右的风电场电量由于被限而损失，折合标准煤约400万tce（等价值0.335kgce/kWh，2010年全国电力行业平均发电煤耗水平，下同）。初步统计，2012年我国风电因弃风而导致的限电量约200亿千瓦时，相当于约670万tce。可见，虽然我国风电装机容量很大，但风电场并没发发挥最大效能，据统计，2012年内蒙古地区风电装机占我国风电装机总容量的24.7%，位居第一，但是在风电场最大弃风装机容量达到80%。大规模的风电弃风造成风电这种绿色可再生能源的大量浪费。

三、压缩空气储能电站

1.压缩空气储能电站工作原理

CAES电站由储能系统与发电系统两部分组成。储能系统主要由电动机、空气压缩机机组、冷却室、地下储气室组成。发电系统为实质为汽轮机发电系统，包括换热器、加热室、汽轮机、发电机等部分。

2.国内外发展概况

1978年，德国建成世界第一座示范性压缩空气储能电站（Huntdorf），美国于1991年建成使用，随后日本和以色列也都建成使用。其中截至2012年底，美国有三座压缩空气储能电站，累计装机容量3340MW。目前世界最大的压缩空气储能电站在德国，装机容量290MW，我国尚无建成的压缩空气储能电站。

四、压缩空气储能电站和陆上风电场共同发展的必要性

1.有效改善风电场运行特性，提高供电质量

CAES电站和风电场共同发展，在夜间负荷低谷时将风能以压缩空气的形式储存，在白天负荷高峰时将压縮空气转化为电能释放，可有效消除风电场供电的“间歇性”，保证风电场联系的连续供电，以满足负荷需求。另外，压缩空气储能电站发电系统为汽轮机发电系统，对风电场有一定的电压支撑，提高供电质量。

压缩空气储能电站与风电场共同发展接入系统方案设想如下：在风电场附近共同发展压缩空气储能电站。储能电站电力通过集电线路或电缆接入风电场升压站母线，最终利用风电场并网线路接入系统。

2.改善风电反调峰性能，参与系统调峰

系统的调峰能力跟电源结构密切相关。我国电源结构以煤电为主，而在煤电装机中供热机组占有较大的比重，冬季供热机组主要满足供热需求，供热机组调节能力有限；而在水电装机中，径流式水电比重较大，调节性能好的水电装机所占比重小，水电调峰能力很小，而目前我国的核电主要是带基荷运行，不参与调峰。长期以来我国电力系统调峰能力不足。

按照国家能源发展规划，未来几年我国将大力发展风电、核电等清洁能源，改善电源结构。目前看来，系统调峰能力将成为制约风电等清洁能源发展的瓶颈之一，因此，发展清洁能源的配套建设调峰电源是非常必要的。

核电和风电是我国清洁能源中所占比重较大的两大部分。目前我国已投产及规划建设的核电站主要位于沿海或水资源丰富地区，为满足核电带基荷运行需要，配套建设抽水蓄能电站是不二选择。而从我国风电场建设情况来看，目前陆上风电站占比例较大，主要分布在西北、华北、东北等地，水资源有限，抽水蓄能电站建设条件受限，需配套建设合适的调峰电源。

CAES电站和抽水蓄能电站的性质都是储能电站，同抽水蓄能电站，CAES电站同样可以参与系统调峰。风电场一般建设在风资源丰富地区，压缩空气储能电站通过和风电场配套建设，在夜间负荷低谷时将风电场发出的电能转化为压缩空气的内能储存，不仅可以解决风电场大量“弃风”现象，而且能有效改善风电的“反调峰”性能；在负荷高峰而风较小时释放压缩空气通过燃气轮机发电，满足高峰电力需求，能起到“削峰填谷”作用。

3.提高风电场运营的经济效益

就目前我国风电场情况来看，风电场装机容量发展迅速，但风电场弃风现象严重，造成风力资源利用效率低。2011年我国风电弃风电量约120亿千瓦时，弃风率为16%。2012年我国由于弃风电量约200亿千瓦时，弃风率达20%，若按0.5元/度计算，2012年由于风电弃风而造成的经济损失达100亿元。

目前我国风电场建设及运行主要原则是：风电场一般以1回线路并网，如果风电场送出线路故障或检修、对侧接入点故障或检修，风电场均需要全停机；规程规定，在负荷低谷时调度部门可采取措施让风电场压出力或者切除整个风电场。此外，目前我国风电场基本采取就地接入地方电网，风电场送出通道不足。上述因素是风电场大量弃风的直接原因。

若在风电场附近配套建设压缩空气储能电站，可在风电场送出线路故障或检修、负荷低谷时风电场继续发电储能，减少“弃风”现象，可以实现风力资源的充分利用，提高风电场运营的经济效益。

五、建设压缩空气储能电站的优势

目前，国内外主要的储能电站有电池储能电站、抽水蓄能电站，压缩空气储能电站虽然在国内才刚刚起步，但国外已有相当成熟的值得借鉴的技术经验。相比电池储能电站和抽水蓄能电站，有以下较突出的优势：

第一，投资最省：电池储能电站投资3000元/kW～15000元/kW（锂电池投资最省，约3000元/kW）、抽水蓄能电站3600元/kW ～5000元/kW、压缩空气储能电站3000元/kW～3300元/kW。

第二，占地面积最小：电池储能电站占地面积大，约为100～1500平米/MW（光伏电站中兆瓦级锂离子电池电站占地最小，为100～150平米/MW）；抽水蓄能电站占地1500～1800平米/MW；压缩空气储能电站3.7平米/MW（大部分设施位于地下）。

第三，建设条件要求低：压缩空气储能电站无特定地理要求，压缩空气储气罐建于地下，不受地面条件的影响。电池储能电站的建设要求大量的空地，抽水蓄能电站的建设对水源水质、地质条件要求比较高。

另外，压缩空气储能电站在能量转换效率、运行寿命等方面也有一定优势。

六、结论及建议

近年来，我国风电场“弃风”现象严重，造成经济损失巨大，按照我国将大力发展风电等清洁能源的思路，为提高风能利用效率，实现风电“有效发展”，配套建设储能电源是非常必要的。CAES电站不仅能有效改善风电场运行特性，提高供电质量，而且可以改善风电场反调峰特性、参与系统调峰，同时提高风电场运行的经济效益，为“有效发展”风电提供必要条件。CAES电站同其他储能电站相比，具有投资省、占地面积小、建设条件要求低等特点。建议相关部门研究CAES电站容量和风电场容量的最佳匹配关系，以便应用于工程实际。

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（责任编辑：王祝萍）