电池储能技术在风力发电系统中的应用

辛华+邢洁+李小燕

[摘 要]电池储能技术在风力电力系统中有着重要应用，带动了风力电力产业的发展。文章对各种储能技术的特点以及各种储能技术在风力电力系统中的应用进行阐述，并分析了储能技术在风力发电系统中的发展前景。

[关键词]电池储能技术；风力发电；风力电力系统

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.066

在国家政策的强力推动下，经过数年的快速发展，我国部分电网的风电渗透率已达到较高的水平。风功率具有多个时间尺度上的随机波动特性，大量并网加大了系统调度的复杂程度，降低了运行效率。近年来，我国部分电网出现了较为严重的“弃风”现象。为促进风资源的开发、利用，必须采取措施提高电网对风电波动的适应能力，尽可能减少“弃风”现象。无论从调峰深度还是从爬坡速率角度来看，储能电站的功率调节远比常规电站灵活，可有效平衡风功率波动，促进电网对风电的消纳。而且，只要接入电网位置合适，储能电站还可缓解阻塞，减少因电网输送能力不足导致的“弃风”。近年来，在电化学储能技术不断进步的背景下，大规模风电并网为发展大型电池储能电站提供了应用前景，因此对电池储能技术在风力发电中的应用必须要重视。

1 各种储能技术的分类和特性概述

储能的形式很多，各种储能技术所利用的原理之间也存在很大差异。储能技术大致可分如下几类：电化学储能与物理储能，最常用到的是电磁储能，还有较少见的变相储能。电化学储能的形式中有最常见的蓄电池储能还有超级电容器储能。变相储能的典型方式是冰蓄冷储能。

2 蓄电池储能技术

蓄电池储能的原理主要依靠的是化学反应。电池中主要发生的化学反应是氧化还原反应，蓄电池也是通过这种化学反应实现放电和充电。蓄电池储能系统比较复杂，由多个部分共同组成，通常情况下的组成部分有控制装置、电池等。另外，还需要一些适当的辅助设备。不同的蓄电池中使用的物质不同，按照其中化学物质对蓄电池进行分类，可以划分为锂离子电池、铅酸电池以及液流电池等。

（1）铅酸电池。铅酸电池的发展历史较长，技术也日趋成熟。市场上的铅酸电池主要以密封型产品为主，这种电池的优点是价格便宜、可靠性高、电能密度适中，因此铅酸电池在电力系统中应用很广泛，但它在报废后难以进行无公害处理以及深度放电，这些问题制约了它的深层次开发与应用。

（2）镍氢电池。镍氢电池的特点是结构坚固、容量大、充放循环次数多，价格昂贵。这种电池也属于封闭免维护电池，不含有毒物质，不会在正常的使用过程中产生有害物质。

（3）锂离子电池。锂离子电池具有功率高、对环境影响小以及自放电小的特点，但锂离子电池系统很容易受工艺和环境温度等因素的影响，导致系统的寿命比单位电池短很多，因此锂离子电池的大规模集成比较困难，加上需要维护，限制了锂离子电池在电力系统中应用。

（4）钠硫电池。钠硫电池被普遍认为是最高效和最具有发展潜力的电力储能电池，日本已经成功开发出钠硫储能电池系统。日本也开始把钠硫电池应用在风力发电系统中，钠硫电池在风力发电中的主要任务就是稳定输出功率。在日本风力发电中应用钠硫电池，已经成为该国政府重点资助的发展项目，并且制定了进一步的发展计划。

（5）全钒电池。液流电池中的全钒电池是行业正在重点研究的。全钒电池的工作原理是离子经过一系列的电化学反应来实现充电和放电。液流电池的储能容量与电解液的容量和密度有很大关系，可以进行灵活配置，如果需要增大储存能量的话，就可以采用增大电解液容积和浓度的方法。在日本已经有全钒液流储能电池用于风电场的调频和调峰。

3 超导储能系统

超导储能的原理是将超导线制成线圈，线圈的作用是对磁场能量进行储存，并可以在用电的时候返还电能。这种储能技术的优点主要体现在三个方面：①能量的释放速度快，不需要能量转换。②可以实现能量的无损耗储存，能量返还率高。③可以对电网电压、频率等进行调节，实现与电力系统的大容量能量交换以及功率补偿，超导储能技术已经在风力发电中应用了很长一段时间。

4 超级电容器储能技术

电化学双电层理论是超级电容器研制的基础，也是重要的理论依据。超级电容器储能系统已经发展了很长时间，它在电力系统中的任务是提高电压下降时的供电水平。世界上一个典型在风力发电系统中应用超级电容器的例子发生在美国，美国建造的超级电容器储能装置的主要任务是缓解风力发电机组向电网输送功率产生的较大波动。超级电容器储能系统的发展思路为采用串联和并联的方式应用于风力发电系统中，这使得系统的调节速度加快，调节范围也增大，同时也提升风力发电系统中的电能质量，提高了系统的稳定性。

5 其他储能技术

除了以上在生活中比较常见和常用到的四种储能方式以外，还有抽水蓄能装置，这种技术的主要任务是调峰，在集中式发电中应用比较广泛。抽水蓄能装置需要在地理条件允许的情况下才能应用，因此，很多风力发电场受条件限制无法建造抽水蓄能电站。另外，还有压缩空气储能，它可以用于调峰，它消耗的燃气低，能量转化率高，在复合化发电以及大容量发电中，成本很低。

氢燃料电池是一种新型的储能技术，把氢气作为一种能源载体大规模地应用，首先要解决的是氢的成本和储存问题，也就是要实现氢的低成本制造以及进行安全储存。在氢燃料成本还很高的情况下，氢燃料电池的大规模应用还需要进一步发展。

6 各种储能技术应用前景分析

储能技术多种多样，综合分析来看，在调峰方面具有优势的储能技术是抽水蓄能技术；比较适用于中、小规模储能的是电池储能，而且电池储能还可以适应不同用户的需求。超级电容储能在电动汽车储能方面应用比较广泛；飞轮储能在电网的调频方面有优势。

大部分储能技术由于需要的原料比较昂贵，这导致储能技术应用于电力系统的成本都会很高，成本问题也是制约储能技术在风力发电中大规模应用的一个重要问题。因此，提高能量转化效率以及降低成本是实现储能技术在风力发电中应用的重要措施。在风力发电中，在进行储能方式选择时需要考虑多种因素，例如系统成本、环境条件以及技术成熟度等。进行风力发电系统中电能的储存的亲体是进行电能质量的管理，超级电容器、高速飞轮储能等技术的重要作用是保证系统输出功率的稳定。当外部电网有故障出现时，储能系统可以为电力系统提供一定的电压来维护电网的稳定。另外，铅酸电池和液流电池储能这两种系统的调峰功能比较优越，非常有利于对电能的大规模储存。储能系统还可以进行组合，例如超级电容器和蓄电池等，采用混合式储能系统对提高储能效率很有帮助。

7 结 论

随着电网风电渗透水平的不断提高以及电化学储能技术的日益进步，规模化电池储能系统有望在不久的将来进入商业运行。电池储能技术在风力发电系统中有着很大的应用潜力，做好电池储能的研究工作，有助于促进风力发电的发展。

参考文献：

[1]张博.风力发电系统中储能技术研究[J].科技资讯，2013（35）：1.

[2]张庆伟.风力发电系统中储能技术的应用研究[J].科技资讯，2015（26）：5-6.

[3]董爽.储能技术在风力发电系统中的应用[J].山东工业技术，2016（1）：200.