平抑风电出力波动储能技术比较及分析

赵一男　刘志雄　李海滨

摘要：风电具有出力波动大的特点，而储能技术是平抑风电出力波动的有效途径。此外，储能技术还对电能的聚集和调节发挥着重要作用，可以增强能源安全，降低能源行业所带来的污染。文章对现有技术条件下的储能设备的技术参数进行了收集与研究，并且从风电接入的效能、规模、方式等方面进行了对比与分析。

关键词：平抑；风电；出力波动；储能技术；能源行业 文献标识码：A

中图分类号：TM732 文章编号：1009-2374（2016）30-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.047

风能属于可再生能源，是符合经济与技术可行性的新能源中应用规模最大的一种。为了降低化石能源用量，确保能源安全，提升环境质量，各国都在积极利用风能资源。另外，风力发电具有出力波动大的缺点，对风电出力波动进行平抑，进而将电网运行时的压力降低，需要对大规模电能的存储及释放问题给予了解决和处理，因此储能技术成为抑制风电出力波动的研究热点。

1 风力发电技术应用现状

煤炭在我们国家属于重要的基础能源，在能源总消耗中，煤炭占据着80%左右的份额，但其导致的粉尘、硫化物、PM2.5排放等环境问题也日益严重。此外，煤炭属于不可再生资源，它的快速消耗将导致能源的储备大大降低，对可持续发展带来巨大的威胁。因此推动可再生能源的大规模应用，是加快资源集约化利用、提高能源利用效率的关键所在。

风力发电作为一种有着广泛现实应用和广阔发展前景的新能源技术，其本身受气候条件影响较大，出力不均匀、随机性大、不可控性、波动性大等是风电出力的主要特征，如不采取相关措施，电网的安全运行也将受到风电接入的严重影响。因此，欧洲等国家都对接入电网的风电出力和风电规模进行了严格的控制，进而导致了风电的收益与利用效率的大幅下降。

我国风力资源十分丰富，按照我国风能资源的最新分析结论与普查结果得知，我国有着约为32亿kW的风能资源总储量、10亿kW的经济开发风能储量、24亿的kWh的年发电量。另外，在季风气候的影响下，我国风能分布有着巨大的差异，风能资源储备也具有与负荷中心不一致的特点，东北、河北北部、新疆等地占据了风能资源储量的大部分份额，因此风电的大规模、长距离送出对电网的安全稳定运行提出了巨大挑战。

现代储能技术的发展为风电的充分利用和电网稳定提供了解决方法，储能装置在风电出力较大时将高出预计的电能储存起来，而在风力不足时向电网送电弥补出力的不足，从而有效防止了弃风，增加了风电利用小时数，并且可参与电网的调峰、调频等工作，有利于提高电网效率和安全稳定性。

2 储能技术分类与相关原理

与风力发电配合的储能装置需要较大的容量和较好的经济性，而这两方面较有优势的抽水蓄能技术因自然条件的限制一般无法与风电进行衔接，目前主要的储能技术研究方向如下：

2.1 压缩空气储能

压缩空气存储是一种基于燃气轮机技术的新型储能技术。在储能的过程中，压缩机利用电能压缩空气，并且在储气室内进行存储。在释放的过程中，高压空气从储气室释放进入燃烧室，再通过燃料加热增温后，带动透平发电。在一般的燃气轮机发电系统中，有2/3的透平输出功率要被燃气轮机的压气机所消耗掉，因此透平的输出功率要远远大于燃气轮机的压气机功率。在压缩空气储能装置中，储能与释放不同时工作，在释放能量时，透平输出功并没有被压缩机所消耗掉。所以，在消耗等量燃料的条件下，压缩空气储能系统发电量是燃气轮机系统的2倍，从而降低了对化石能源的依赖。此外，压缩空气储能系统具有成本低、应用寿命长、储能周期不受限制、可以在大型系统中应用的优点，但其对化石燃料和大型储气室的依赖性较强。

压缩空气储能的基本工作原理：（1）在利用压缩机将空气压缩到相应的高压后，在储气室内进行存储，其中绝热压缩过程即为理想状态下空气压缩过程；（2）加热过程。通过储气室释放了高压空气后，与燃料加热燃烧之后，空气的压力就会逐渐被升高，通常情况下，等压吸热过程即该过程；（3）膨胀过程。高压高温的空气会逐渐膨胀起来，带动透平发出电能，在正常的状态下，绝热膨胀过程即为空气的膨胀过程；（4）冷却过程。在膨胀了空气之后，会向着大气中排放，之后再进行压缩的过程中，由大气进行吸收，等压冷却过程就是这样的工作原理。

2.2 电池储能技术

电池储能技术的应用已经十分广泛，除传统的铅酸蓄电池以外，液流电池逐渐发展成为一种新型高效大规模电化学储能技术。液流电池通过流动的电解液代替固体或气体电极，促成化学能与电能之间的互相转换并存储能量。液流电池的电解液中存储有活性物质，其流动性较强，能够实现存储活性物质和电化学反应场所在空间上的隔离，电磁容量和功率比较独立，能够满足对大规模蓄电池储能要求。因此在智能电网建设与可再生能源发电技术的带动下，液流电池储能技术逐渐开始了大规模的应用。

本文以双沉积型单液流电池储能技术为例进行论述。在该电池中，在充放电时，正负两个氧化还原点对在电极上均有固相产物沉积，所以可以对相同的电解液进行应用。正负极活性物质不需要利用离子传导膜等昂贵设备进行分离。

通过电池的电极反应得知，在充放电时，电池在固相与液相互相转变的情况下会产生活性物质，可以说它有着比较复杂的电极反应过程。在电池过充时，正负极之间的间隙可能会被固相沉积物所填满，导致短路问题出现，进而影响电池的使用寿命。并且H+浓度与液流电池的Pb没有太多的联系，在充电或者放电的时候，可以确保维持在稳定的状态下，而且Pb有着较快的溶解沉积反应速度，反应过电势不需要太大。

2.3 超导储能技术

该技术主要是通过超导线圈直接存储电磁能，输出能量时向电网中返回存储的电磁能。超导储能设备通常由测控系统、变流设备、超导线圈、低温容器和制冷设备等装置构成。其中超导储能装置的核心部件是超导线圈，它可以是环形线圈，也可以是螺旋线圈，只要将线圈温度控制在其材料的临界的度以下，线圈的导体电阻就会约等于0，从而避免电流的降低。实验证明超导线圈的电流衰减时间在10万年以上。

当电网的运行负荷在低谷阶段或风电出力较大时，超导储能装置能够储备起多余的电能，电网在高峰阶段运行或风电出力较低时，储能装置向电网中送出存储的电能。超导储能装置不但可以应用对电力系统的峰谷，借助其较快的反应速度，可以在消除或者降低电网中低频振荡中发挥一定的作用，从而改善电网的频率特性与电压稳定性。此外，超导储能装置还能够调节功率因数，进而提升电力系统的稳定性。

超导储能装置有着损耗小、反应快、体积小、重量轻的优点，并且可以在较大的功率下运行，但其需要通过电力电子装置向电网中接入。此外，建设与应用超导储能装置的费用较高，现有材料的临界温度都较低，需要专门的冷却装置，因此超导储能技术还需要进一步研究才可向商品化的方向发展。

2.4 飞轮储能技术

该技术指的是通过电动机将一个具有相应转动惯量的飞轮带动起来，然后急速旋转，用机械储能取代电能进行存储的储能方式。当需要输出能量时，则用飞轮带动发电机发电。

飞轮在旋转的过程中都以机械方式运动，可以用下式来计算飞轮转动时的动能：

1/2Jw2=E

式中：飞轮的转动惯量用J表示；飞轮旋转角速度用w表示。

飞轮的动能与飞轮的转动惯量及角速度的平方成正比，而转动惯量又与飞轮的质量及直径成正比。飞轮如果太沉重或者太庞大，或旋转速度太快时，会出现较大的离心力。若离心力超出飞轮材料的极限强度，则会给其运行的安全性带来很大的影响，因此飞轮动能的提升受到材料技术的制约。现阶段，飞轮在电机中的转速会达到15转/s，相信随着技术的不断更新，其转速也会逐渐提高。目前，飞轮储能的研究也开始向着高功率、新材料的高速电机方向发展。

3 结语

在目前世界能源利用向着清洁、绿色、可再生方向发展的形势下，风电大规模开发利用必将占据能源版图越来越重要的位置，但受风力发电出力的波动性影响，风电的集中并网、大规模跨区域的传输仍受到相当的限制。在当前的技术条件下，储能技术是平抑风电出力波动的有效途径。此外，储能技术还能够参与电网的峰谷差调节、频率控制、电压调节等环节，从而提高电网效率及安全稳定性。本文对目前研究发展中的几种主流储能技术进行了分析论述，阐明了其技术特点，并对其应用方向进行了讨论，其中压缩空气储能和液流电池储能在风电并网中的应用前景较为广阔。

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