论文部分内容阅读
摘 要：风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，是发展最快的新能源之一。然而，风力发电其自身间歇性、不可控、无调频能力、控制复杂等特点，使其接入电网后给电网带来一系列问题。因此，应用储能技术全面提升风电场的发电性能已经成为了一种共识。文章综述了几种常见的储能技术，分析了各自的优缺点，介绍了典型的储能示范项目。最后提出储能系统功率特性的持续提升、储能成本的降低与储能和风力发电系统的高级集成将是未来的重点发展方向。
关键词：储能技术；风力发电；电池特性；储能经济性；储能示范工程
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0008-03
近年来，随着风电装机容量占全网容量比例的增大，风电场的并网管理已经成为一项重要课题。由于风能具有随机性、间歇性的特点，因此风电场输出有功功率存在着很强的波动性，很难满足电网对于电源调峰调频的要求。现阶段，国内外普遍认识到，为大型风力发电场添加储能设备是一种改善发电特性的重要途径，在技术研发和电场应用方面已经有较多的实践成果。本文将从应用策略、储能技术特性和示范工程三方面阐述储能技术在风电并网中的应用进展。
1 储能技术在风电并网中的应用策略
现阶段储能技术在风电并网中的主要应用有如下几个方向。
1.1 平滑功率输出
储能系统现阶段最主要的功能就是在风电场出力超过电网消纳能力的状态下储存多余电量，在风电场出力低于电网并网要求的状态下释放已有电量，达到削峰填谷平滑输出的目的。目前，许多国家对风电功率波动平滑控制进行了比较深入的研究，根据理论模拟与实际运行经验，提出了应用储能系统平滑风电波动的运算法则以及评估标准，能够根据成本/性能比得出最佳的电场容量与充放电策略。
1.2 调频与平衡机制
在运行电力系统时，为实现AGG（自动发控制）对电网频率和联络线功率的控制，通常采用调节调频电源有功出力的方式。储能系统的优点是能准确且快速地控制功率输出，满足电网调频的要求。全球已统进行了大量的实验、理论方面的研究，并经过实际测试表明，通过充分利用高性能调频电源能有效提升系统调频的整体经济性和运行效率。北美地区已率先规模化使用新型储能系统。
1.3 电压调节作用
储能系统能够通过调整并网点处的无功功率输出，以较好地实现电压调节功能。尽管越来越多的风力发电机组也具有电压调节的功能，但如果需要在风电场不能发电的情况下也能够发挥这种作用，就必须安装储能系统。
1.4 改善电能质量
在很多情况下，风电场一般位于电网末端，并与配电网直接相连，这就使得风电引起的电能质量问题显得尤为重要，例如电压波动和闪变则是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。有学者采用超级电容器平抑风电有功功率快速波动从而抑制闪变的方法，设计了超级电容器的控制策略，仿真结果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。
1.5 提高预测水平
有研究表明，在通过预测的风速值计算风电场向电网发送的功率，并将预测值提交到电网调度机构的同时，可以在风电场的出口处接入电池储能系统。快速响应弥补风电场实际发出功率与预测功率的误差，从而提高电网依据风功率预测进行风电场发电调度的可信性，改善了风电场与电力系统之间的协调运行能力。
目前，我国许多地区的电网调度部门已经提出了建设“友好型风场”的概念，其主要目的就是适应大规模风电并网形势，有效提高风电利用水平。在这种条件下，使用储能技术全面提升风电场的发电性能就有很强的实用价值。
2 常见储能技术的特性
储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能等四大类型，文章主要介绍几种常见的储能技术。
2.1 抽水蓄能
抽水蓄能因其简单的工作原理，发展最早且技术最成熟，已广泛使用在调频、调相及紧急事故备用等领域。当电网负荷处在峰值时，通过发电机将上游水的势能转化为电能；当电网处在低负荷状态时，可通过发电机将下游的水抽到上游，使电能转化为势能储存起来。但这种方式也存在着缺点，比如抽水高度过高时，能量转化效率极低且管道铺设困难大，需较大资金的投入。
2.2 飞轮储能
飞轮储能是电能与动能之间的转化，转子系统、轴承系统和能量转换系统三个部分构成飞轮储能系统的主要部分，转子系统使飞轮快速旋转起来，轴承系统起到支撑的作用，而能量转换系统可使电能与动能相互转化。飞轮主要用在电网调频和电能质量保障领域。与抽水储能相比，飞轮储能具有技术成熟度更高、维修成本低、寿命长及污染少等有点，但是飞轮储能的能量密度很低、自放电率高，如果充电停止，能量会在短时间内自行耗尽，并且对设备的要求非常高。在电网处在低负荷状态时，将多余电能转化动能储存起来；当电网负荷处在峰值时，将储存的电能释放出来。
2.3 压缩空气储能
压缩空气储能是电能与空气热能之间的转化。压缩空气储能是指在电网负荷低时将电能用来压缩空气，使电能转化热能，后将压缩空气储存在高压储气罐中，电网负荷高峰时将高度压缩的空气释放出来，使热能转化电能。压缩空气储能主要用于冷启动、黑启动、平衡负荷、调制频率等领域。压缩空气储能与飞轮储能一样能量密度低，与抽水储能相似一样要受到地形条件的制约。但它的成本很低，安全系数大。压缩空气小型化及提高储能压力是将来的发展趋势。
2.4 铅酸蓄电池
铅酸电池经过上百年的发展，其技术已经相当成熟，由于具有能储电容量大、放电性能卓越、材料价格优廉等优点，在电动车、电站备电站、便携式电源等领域使用广泛，市场占有率非常高。但它寿命短限制了使用次数，最大的缺点是污染环境，这是最为人所诟病的地方。 2.5 锂离子电池
锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有放电效率高、放电能量大，并且放电时电压稳定。寿命很长等优点。通过并联和串联的方式可组成大容量、高电压的锂电池储能系统，这将在电力系统中获得非常广泛的应用。
2.6 钠硫电池
纳硫电池必须在300 ℃高温环境下工作，使电能与化学能之间完成转化。与压缩储能、抽水储能及飞轮储能相比，它的能量密度大，放电效率高，并且寿命长，多用于稳定电网电压、应急电源等情况。由于钠硫电池使用必须在高温环境中，增大了电池的安全隐患且成本颇高，限制了电池的使用。
2.7 钒液流电池
钒液流电池储能性能更加优越，并且电解液可循环利用。钒电池可以通过增加电解液或者电解质的浓度来增大电池容量；可通过增加单片电池数量和面积增加其功率；同其它化学电池一样，钒电池的寿命也很长，充放电时电解质和电解液变化不大，使得电池不受较大损伤，提高了它的使用周期。响应速度非常快，能瞬间启动，充放电状态转化时只需0.02 s。
钒电池是一种优良的储能系统，电解液可以循环使用，具有很多独特的优点：
①功率和容量大，且额定功率和额定容量是独立的。钒电池可通过增加电解液的量或提高电解质的浓度，达到增加电池容量的目的；通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率。
②寿命长。由于钒电池的正、负极活性物质只存在于正、负极电解液中，充放电时无其他电池常有的物相变化，可100%深度放点而不损伤电池。由于自放电率低，可以长期保存。
③响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02 s，响应速度1 ms。同时，转换效率高，可达到70%～80%。
现阶段钒液流电池已经能够作为兆瓦级储能系统在风电场中应用。
2.8 超级电容储能系统
超级电容器依据电化学原理研发而成，充电时电极表面接近理想极化状态，将异形离子吸附在表面，形成双层电荷，构成双层电容。因为采用了特殊的电极结构，加上电荷之间的距离在0.5 mm以内，使得电极表面积非常大，从而电容量也很大。超级电容储能系统多使用在调节电能质量及高峰值功率等情况。尽管其体积很小，但电容量却不小，相反却非常大甚至达到法拉级；超级电容储能系统的充放电不会对其使用寿命产生影响。
现阶段过高的成本是阻碍储能系统发展的重要原因。美国EPRI分析了目前各种储能技术的花费。全面比较现今储能技术所需成本，如表1所示，其中成本最低的是压缩空气储能技术，成本只有60～125美元/kW·h，960～1 250美元/kW还没能规模化应用，其它技术花费要远远高于这个数据，比如液流电池价格在470～1 125美元/kW·h（2 350～4 500美元/kW）；锂离子电池价格在1 050～6 000美元/kW·h（1 200～4 650美元/kW）。美国EPRI分析了目前应用广泛的储能技术的市场规模和价值，通过研究发现这些储能技术的目标价值平均在200美元/kW·h上下。目前市场所能提供的储能技术成本与此有很大的差距。
3 储能系统应用案例
近年来，以美国和日本为代表的发达国家在电池技术取得突破的基础上，开展200多项示范工程，确立了以储能方式提高新能源可控性的重要技术方式。
同时在电力系统调频中规模化使用，并且在电能质量控制等方面进行实验，并应用大规模储能系统于电力系统调频，提高了其可再生能源的并网接纳能力，如表2所示。然而，储能技术在国内尚未进入大规模应用阶段，只有小部分示范工程。其中，以电科院为主力建设的张北风光储实验基地是储能系统容量最大的示范项目。
河北省张家口市张北县境内建有国家风光储输示范工程，规模为500 MW风电场、100 MW光伏发电站和相应容量储能电站的。一期工程建成后将成为世界上规模最大的多类型化学储能电站，将达到100 MW风电、40 MW光伏发电量、20 MW化学储能的规模。
一期工程运行几个月来，通过风、光、储的6种组合发电方式与平滑出力、计划跟踪、系统调频、削峰填谷4种功能的结合，实现了多组态、多功能、可调节、可调度的联合发电运行方式。为大规模储能系统在新能源并网领域的深入推广提供了一定借鉴。
储能技术在珠海万山群岛微网中的应用。近年来，由于万山群岛电网没有与珠海陆地联网，为解决该群岛日益社会经济发展用电需求，按照万山群岛微网规划，由柴油机、风能、光伏、储能等多种能源组成的微电网正逐步在万山群岛形成和快速发展。2013年东澳岛微网电气接线图见图1。
珠海万山群微网储能蓄电池主控微源模型采用Matlab 010a/Simulink/SimPowerSystems主元件库中自带的铅酸蓄电池详细模型，该模型能够考虑蓄电池充放电过程中的动态特性。由于电力系统电磁暂态仿真中蓄电池的动态对逆变侧的输出特性影响不大，亦可采用直流电压源作为蓄电池模型，不考虑蓄电池的充放电过程。当风光能源互补混合微网并网运行时，频率由外部微电网提供支持，蓄电池可采用珠海万山群岛智能微网规划研究适当控制策略以抑制风力发电机和光伏阵列输出有功波动；而当微网孤岛运行时，须采用蓄电池作为主控单元，同时调节蓄电池有功和无功功率输出，维持电压和频率的稳定。
4 结 语
储能技术是一种重要的并网支持技术，现阶段已经在部分风电场中实际运行。本文介绍了几种常见储能技术的功能特性与经济成本，分析了各类储能方式的优劣，并介绍了已有的示范应用。随着储能材料技术发的告诉发展，可以认为：储能系统功率特性的持续提升、储能成本的降低与储能和风力发电系统的高级集成将是未来应用的三大方向。
参考文献：
[1] 李文斌.储能系统平抑风电场功率波动研究[D].重庆：重庆大学，2012.
[2] 蒋平，熊华川.混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计[J].电力系统自动化，2013，37（1）：122-127.
[3] 靳文涛，马会萌，谢志佳，等.电池储能系统平滑风电功率控制策略[J].电力建设，2012，33（7）：7-11.
[4] 袁小明，程时杰，文劲宇.储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析[J].电力系统自动化，2013，37（1）：14-18.
关键词：储能技术；风力发电；电池特性；储能经济性；储能示范工程
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0008-03
近年来，随着风电装机容量占全网容量比例的增大，风电场的并网管理已经成为一项重要课题。由于风能具有随机性、间歇性的特点，因此风电场输出有功功率存在着很强的波动性，很难满足电网对于电源调峰调频的要求。现阶段，国内外普遍认识到，为大型风力发电场添加储能设备是一种改善发电特性的重要途径，在技术研发和电场应用方面已经有较多的实践成果。本文将从应用策略、储能技术特性和示范工程三方面阐述储能技术在风电并网中的应用进展。
1 储能技术在风电并网中的应用策略
现阶段储能技术在风电并网中的主要应用有如下几个方向。
1.1 平滑功率输出
储能系统现阶段最主要的功能就是在风电场出力超过电网消纳能力的状态下储存多余电量，在风电场出力低于电网并网要求的状态下释放已有电量，达到削峰填谷平滑输出的目的。目前，许多国家对风电功率波动平滑控制进行了比较深入的研究，根据理论模拟与实际运行经验，提出了应用储能系统平滑风电波动的运算法则以及评估标准，能够根据成本/性能比得出最佳的电场容量与充放电策略。
1.2 调频与平衡机制
在运行电力系统时，为实现AGG（自动发控制）对电网频率和联络线功率的控制，通常采用调节调频电源有功出力的方式。储能系统的优点是能准确且快速地控制功率输出，满足电网调频的要求。全球已统进行了大量的实验、理论方面的研究，并经过实际测试表明，通过充分利用高性能调频电源能有效提升系统调频的整体经济性和运行效率。北美地区已率先规模化使用新型储能系统。
1.3 电压调节作用
储能系统能够通过调整并网点处的无功功率输出，以较好地实现电压调节功能。尽管越来越多的风力发电机组也具有电压调节的功能，但如果需要在风电场不能发电的情况下也能够发挥这种作用，就必须安装储能系统。
1.4 改善电能质量
在很多情况下，风电场一般位于电网末端，并与配电网直接相连，这就使得风电引起的电能质量问题显得尤为重要，例如电压波动和闪变则是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。有学者采用超级电容器平抑风电有功功率快速波动从而抑制闪变的方法，设计了超级电容器的控制策略，仿真结果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。
1.5 提高预测水平
有研究表明，在通过预测的风速值计算风电场向电网发送的功率，并将预测值提交到电网调度机构的同时，可以在风电场的出口处接入电池储能系统。快速响应弥补风电场实际发出功率与预测功率的误差，从而提高电网依据风功率预测进行风电场发电调度的可信性，改善了风电场与电力系统之间的协调运行能力。
目前，我国许多地区的电网调度部门已经提出了建设“友好型风场”的概念，其主要目的就是适应大规模风电并网形势，有效提高风电利用水平。在这种条件下，使用储能技术全面提升风电场的发电性能就有很强的实用价值。
2 常见储能技术的特性
储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能等四大类型，文章主要介绍几种常见的储能技术。
2.1 抽水蓄能
抽水蓄能因其简单的工作原理，发展最早且技术最成熟，已广泛使用在调频、调相及紧急事故备用等领域。当电网负荷处在峰值时，通过发电机将上游水的势能转化为电能；当电网处在低负荷状态时，可通过发电机将下游的水抽到上游，使电能转化为势能储存起来。但这种方式也存在着缺点，比如抽水高度过高时，能量转化效率极低且管道铺设困难大，需较大资金的投入。
2.2 飞轮储能
飞轮储能是电能与动能之间的转化，转子系统、轴承系统和能量转换系统三个部分构成飞轮储能系统的主要部分，转子系统使飞轮快速旋转起来，轴承系统起到支撑的作用，而能量转换系统可使电能与动能相互转化。飞轮主要用在电网调频和电能质量保障领域。与抽水储能相比，飞轮储能具有技术成熟度更高、维修成本低、寿命长及污染少等有点，但是飞轮储能的能量密度很低、自放电率高，如果充电停止，能量会在短时间内自行耗尽，并且对设备的要求非常高。在电网处在低负荷状态时，将多余电能转化动能储存起来；当电网负荷处在峰值时，将储存的电能释放出来。
2.3 压缩空气储能
压缩空气储能是电能与空气热能之间的转化。压缩空气储能是指在电网负荷低时将电能用来压缩空气，使电能转化热能，后将压缩空气储存在高压储气罐中，电网负荷高峰时将高度压缩的空气释放出来，使热能转化电能。压缩空气储能主要用于冷启动、黑启动、平衡负荷、调制频率等领域。压缩空气储能与飞轮储能一样能量密度低，与抽水储能相似一样要受到地形条件的制约。但它的成本很低，安全系数大。压缩空气小型化及提高储能压力是将来的发展趋势。
2.4 铅酸蓄电池
铅酸电池经过上百年的发展，其技术已经相当成熟，由于具有能储电容量大、放电性能卓越、材料价格优廉等优点，在电动车、电站备电站、便携式电源等领域使用广泛，市场占有率非常高。但它寿命短限制了使用次数，最大的缺点是污染环境，这是最为人所诟病的地方。 2.5 锂离子电池
锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有放电效率高、放电能量大，并且放电时电压稳定。寿命很长等优点。通过并联和串联的方式可组成大容量、高电压的锂电池储能系统，这将在电力系统中获得非常广泛的应用。
2.6 钠硫电池
纳硫电池必须在300 ℃高温环境下工作，使电能与化学能之间完成转化。与压缩储能、抽水储能及飞轮储能相比，它的能量密度大，放电效率高，并且寿命长，多用于稳定电网电压、应急电源等情况。由于钠硫电池使用必须在高温环境中，增大了电池的安全隐患且成本颇高，限制了电池的使用。
2.7 钒液流电池
钒液流电池储能性能更加优越，并且电解液可循环利用。钒电池可以通过增加电解液或者电解质的浓度来增大电池容量；可通过增加单片电池数量和面积增加其功率；同其它化学电池一样，钒电池的寿命也很长，充放电时电解质和电解液变化不大，使得电池不受较大损伤，提高了它的使用周期。响应速度非常快，能瞬间启动，充放电状态转化时只需0.02 s。
钒电池是一种优良的储能系统，电解液可以循环使用，具有很多独特的优点：
①功率和容量大，且额定功率和额定容量是独立的。钒电池可通过增加电解液的量或提高电解质的浓度，达到增加电池容量的目的；通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率。
②寿命长。由于钒电池的正、负极活性物质只存在于正、负极电解液中，充放电时无其他电池常有的物相变化，可100%深度放点而不损伤电池。由于自放电率低，可以长期保存。
③响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02 s，响应速度1 ms。同时，转换效率高，可达到70%～80%。
现阶段钒液流电池已经能够作为兆瓦级储能系统在风电场中应用。
2.8 超级电容储能系统
超级电容器依据电化学原理研发而成，充电时电极表面接近理想极化状态，将异形离子吸附在表面，形成双层电荷，构成双层电容。因为采用了特殊的电极结构，加上电荷之间的距离在0.5 mm以内，使得电极表面积非常大，从而电容量也很大。超级电容储能系统多使用在调节电能质量及高峰值功率等情况。尽管其体积很小，但电容量却不小，相反却非常大甚至达到法拉级；超级电容储能系统的充放电不会对其使用寿命产生影响。
现阶段过高的成本是阻碍储能系统发展的重要原因。美国EPRI分析了目前各种储能技术的花费。全面比较现今储能技术所需成本，如表1所示，其中成本最低的是压缩空气储能技术，成本只有60～125美元/kW·h，960～1 250美元/kW还没能规模化应用，其它技术花费要远远高于这个数据，比如液流电池价格在470～1 125美元/kW·h（2 350～4 500美元/kW）；锂离子电池价格在1 050～6 000美元/kW·h（1 200～4 650美元/kW）。美国EPRI分析了目前应用广泛的储能技术的市场规模和价值，通过研究发现这些储能技术的目标价值平均在200美元/kW·h上下。目前市场所能提供的储能技术成本与此有很大的差距。
3 储能系统应用案例
近年来，以美国和日本为代表的发达国家在电池技术取得突破的基础上，开展200多项示范工程，确立了以储能方式提高新能源可控性的重要技术方式。
同时在电力系统调频中规模化使用，并且在电能质量控制等方面进行实验，并应用大规模储能系统于电力系统调频，提高了其可再生能源的并网接纳能力，如表2所示。然而，储能技术在国内尚未进入大规模应用阶段，只有小部分示范工程。其中，以电科院为主力建设的张北风光储实验基地是储能系统容量最大的示范项目。
河北省张家口市张北县境内建有国家风光储输示范工程，规模为500 MW风电场、100 MW光伏发电站和相应容量储能电站的。一期工程建成后将成为世界上规模最大的多类型化学储能电站，将达到100 MW风电、40 MW光伏发电量、20 MW化学储能的规模。
一期工程运行几个月来，通过风、光、储的6种组合发电方式与平滑出力、计划跟踪、系统调频、削峰填谷4种功能的结合，实现了多组态、多功能、可调节、可调度的联合发电运行方式。为大规模储能系统在新能源并网领域的深入推广提供了一定借鉴。
储能技术在珠海万山群岛微网中的应用。近年来，由于万山群岛电网没有与珠海陆地联网，为解决该群岛日益社会经济发展用电需求，按照万山群岛微网规划，由柴油机、风能、光伏、储能等多种能源组成的微电网正逐步在万山群岛形成和快速发展。2013年东澳岛微网电气接线图见图1。
珠海万山群微网储能蓄电池主控微源模型采用Matlab 010a/Simulink/SimPowerSystems主元件库中自带的铅酸蓄电池详细模型，该模型能够考虑蓄电池充放电过程中的动态特性。由于电力系统电磁暂态仿真中蓄电池的动态对逆变侧的输出特性影响不大，亦可采用直流电压源作为蓄电池模型，不考虑蓄电池的充放电过程。当风光能源互补混合微网并网运行时，频率由外部微电网提供支持，蓄电池可采用珠海万山群岛智能微网规划研究适当控制策略以抑制风力发电机和光伏阵列输出有功波动；而当微网孤岛运行时，须采用蓄电池作为主控单元，同时调节蓄电池有功和无功功率输出，维持电压和频率的稳定。
4 结 语
储能技术是一种重要的并网支持技术，现阶段已经在部分风电场中实际运行。本文介绍了几种常见储能技术的功能特性与经济成本，分析了各类储能方式的优劣，并介绍了已有的示范应用。随着储能材料技术发的告诉发展，可以认为：储能系统功率特性的持续提升、储能成本的降低与储能和风力发电系统的高级集成将是未来应用的三大方向。
参考文献：
[1] 李文斌.储能系统平抑风电场功率波动研究[D].重庆：重庆大学，2012.
[2] 蒋平，熊华川.混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计[J].电力系统自动化，2013，37（1）：122-127.
[3] 靳文涛，马会萌，谢志佳，等.电池储能系统平滑风电功率控制策略[J].电力建设，2012，33（7）：7-11.
[4] 袁小明，程时杰，文劲宇.储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析[J].电力系统自动化，2013，37（1）：14-18.