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大规模储能技术对风电规模化发展举足轻重
风力发电 波动 平滑 储能
1 引言
    风能作为一种清洁、高效的能源有其自身鲜明的特点，在大部分地区和大部分时间可很容易获取，但又有一定的随机性和波动性，并且不能直接进行储存。目前，作为主流机型的双馈型风电机组、直驱型风电机组以及以前的失速型风电机组，均可运行在不同方式下，即，有多少风、发多少电，这在风电所占电网比例较小的情况下是无可厚非的。随着风电的大规模发展，其在电网中所占比例也大幅增加。不幸的是，在用电低谷时段，往往是风力机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动，使得大家不得在承认风电是“绿色电力”的同时，又戏称之为“垃圾电力”。
    为规范风电的进程，确保其健康、稳定发展，国家电网今年编制印发了《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》中明确提出，风电场在任何运行方式下，应保证其无功功率有一定的调节容量；当风电场并网点的电压偏差在±10%之间时，风电场内的风电机组应能正常运行；要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。诚然，双馈、直驱机组具备一定的低电压穿越能力、抑制输出功率波动能力，但其能力有一定限度[1]，此时，为风电场配备一定储能装置，就显得尤为必要了。
    风力固有的变化性和随机性增加了风能利用的困难，使得必须在风力机系统中增加调速限速装置和储能系统。研究表明位于0.01Hz-1Hz的波动功率对电网电能质量的影响最大，平抑该频段风电波动，需借助大规模储能系统来实现。风力发电系统储能装置的作用是：在风力强时，除了通过风力发电机组向负荷供电外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来；在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。
    储能技术在在风力发电中，尤其显的重要，风速的变化会使原动机输出的机械功率发生变化，从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降。应用储能装置是改善发电机输出电压和频率质量的有效途径。储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。通过对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品。此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。尤其在风力发电厂，由于风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风力发电场显得尤为重要。
    按储存能量的形式不同，适合风力发电系统、有应用前景的储能方式主要有液流电池储能、钠硫电池储能、锂离子电池储能等，此外，超级电容器、超导、压缩空气储能等预计也会有一定发展。

2 适合风力发电系统、有应用前景的储能方式
2.1液流电池储能
    液流电池或称氧化还原液流蓄电系统，与通常蓄电池的活性物质被包容在固态阳极或阴极之内不同，液流电池的活性物质以液态形式存在，既是电极活性材料又是电解质溶液。它可溶解于分装在两大储液罐的溶液中，由各个泵使溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。这种电池没有固态反应，不发生电极物质结构形态的改变。与其它常规蓄电池相比，具有明显的优势。液流蓄电系统的功率取决于电池的面积和堆的节数，储能容量则取决于储液罐的容积，两者可单独设计。因而，设计的灵活性大，易于模块组合，受设置场地限制小，蓄电规模易于调节。各单池的反应物流体相同，容易保证电堆的一致性和均匀性，并可通过某几个单池来监测整个系统的充放电状态。也可以利用连接含有不同单电池数的电池组段构成分立的负载，以提供不同的输出电压。当负载变化或放电深度增加时，可用附加电池维持恒定的输出电压，并利用“再平衡电池”连续校正阳极区和阴极区因物流不平衡引起的轻微副反应。理论上讲，液流化学蓄电系统的寿命长，可靠性高，无污染排放和噪音，建设周期短，运行和维持费较低，是一种高效的大规模储存电能装置。
    液流电池的结构类似于燃料电池，可分为三个层次：单体(Cell)、电堆(Stack)和系统(System) 。电池单体通过双极板串(并)联成“电堆”，就可以形成不同规模的蓄电装置。液流蓄电系统的功率取决于单电池内电机板的面积和堆的节数，储能容量取决于储液罐的容积和电解液的浓度。因此，功率与储能容量可单独设计，适用于大容量蓄电。
2.2钠硫电池储能
    钠硫电池是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池,钠硫电池用于储能具有独到的优势，主要体现在原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便等方面。钠硫电池已经成功的用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。目前在国外已有100余座钠硫电池储能电站在运行中,涉及工业、商业、交通、电力等多个行业，是各种先进二次电池中最为成熟的一种，也是最具有潜力的一种先进储能电池。
2.3锂离子电池储能
    锂离子电池与现有的铅酸电池、镍氢电池等电池相比有诸多优点，如无记忆效应、高工作电压、低自放电率、无环境污染性、高能量密度等，在电子消费品领域应用十分普遍。现在国内外都在大力研发新式的储能电池，其中锂离子蓄电池备受关注。现在国内外都在大力研发新式的储能电池，其中锂离子蓄电池备受关注。在日本1992年启动的“新阳光计划”中[4]，研究了两类锂离子电池，一类是用于驱动电动车辆的锂离子动力电池，另一类是用于家庭储电的锂离子储能电池。我国小功率锂离子电池产量已占国际市场的1/3。锂离子蓄电池有高达90%以上的充放电转化率，这比抽水储能发电站的转化效率还要高出一些，甚而也比氢燃料电池的80%发电效率还要高。
2.4压缩空气储能
    压缩空气蓄能CAES(Compressed-air Energy Storage)是在电力系统峰荷时，利用压缩空气储存的能量发电，向系统供电；在系统低谷时，利用电网中的富余电力，通过空气压缩机储存能量。与抽水储能方式相似，这种储能方式也需要特定的地形条件，即需要特定的洞穴用于储存风能。在风力强，用电负荷小时，将风力发电机发出的多余电能将空气压缩并储存在洞穴中；而在无风或负荷增大时，则将储存在洞穴内的压缩空气释放出来，形成高速气流，推动涡轮机转动，并带动发电机发电，供应负荷。压缩空气蓄能发电系统的关键是气室的密封性、经济性、可靠性等。
2.5超导储能
    超导储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES)是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，它是一种新型高效的蓄能技术。超导蓄能系统主要由电感很大的超导蓄能线圈、使线圈保持在临界温度以下的氦制冷器和交直流变流装置构成。
    当储存电能时，将风力发电机的交流电，经过交-直流变流器整流成直流电，激励超导线圈。发电时，直流电经逆变器装置变为交流电输出，供应电力负荷或直接接入电力系统。由于采用了电力电子装置，这种转换非常简便、响应极快，并且储能密度高，结构紧凑。不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率，对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。它的蓄能效率高达90%以上，远高于其他蓄能技术[3]。小容量超导蓄能装置已经商品化。供电力系统调峰用的大规模超导蓄能装置，在大型线圈产生的电磁力的约束、制冷技术等方面还未成熟，各国正在加紧研究。
2.6超级电容器储能
    超级电容器又可称为超大容量电容器、双电层电容器、(黄)金电容、储能电容或法拉电容。众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，而超级电容器的电荷储存发生在电极/电解质的形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移。与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上[5]，储存电荷的能力比普通电容器高 ，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点。在风力发电系统直流母线侧并入超级电容器，不仅能想蓄电池一样储存能量，平抑由于风力波动引起的能量波动，还可以起到调节有功无功的作用。
2.7变速恒频抽水储能
    抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化间流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。在传统的水力发电系统中，由于发电机是同步电机，为使发电频率保持恒定，水轮机-发电机组也必须采取恒速恒频运行方式。但是对应于不同的水头和出力，水轮机都有个不同的最佳转速，在这个转速下，水轮机把水流能量转化为机械能的效率最高，而且水流对水轮机的气蚀作用也最小。由于系统对转速的限制，使水轮机经常不能工作在最佳状态，这样不仅浪费了大量的水流能量，而且有时为使水轮机免遭损坏，不得不关闭水轮机。正是由于恒速恒频运行方式的上述缺点，变速恒频运行开始引起人们的重视。变速恒频抽水蓄能电站就是用同一套电机和变流器系统，在抽水时电机运行在电动机状态，在发电时运行在发电机状态，通过变流器系统变频调速控制系统运行在最佳状态。日本已经研制出几十万千瓦的机组，并早已成功应用。我国在变速恒频抽水蓄能电站技术的研究方面早就进行过实验室研究，但迄今没有实际应用。变速恒频技术在风力发电场合已经十分成熟，目前主流风电机组均采用了变速恒频技术。将该技术应用在抽水蓄能领域，预计有一定的应用前景。

3 风电与其他能源互补与蓄能等技术
    风电与其它发电技术组成的互补系统，以及风电与大规模蓄能装置的配套应用，也是风电应用的重要技术途径。互补系统可以并网或离网运行，特别在我国小型风电机组及其它能源，如光伏发电组成的互补发电系统在无电有风地区得到了很好的应用。对于三北地区风能资源丰富、电网较薄弱的地区，在风电场的附近提供互补系统运行，可使得风电场也能够成为电网中一个稳定输出负荷的电源，并且在一定程度下能够参与电网的调度运行。在这些地区发展风水(如西藏、青海)、风气(新疆)互补系统，作为解决风能间歇式发电缺陷的重要技术措施，也是风电技术发展的一个重要方面。

4  结束语
    风电的规模化应用已经是大势所趋，为解决其固有的间歇性、波动性，提高其接入能力，使其尽快成为电力系统的“好邻居、好伙伴”，通过风力发电系统中的储能装置，可以使风电这种间歇性、波动性很强的可再生能源变得“可控、可调”，在风力强时，除了通过风力发电机组向负荷供电外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来；在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。大力开展风功率预测，并借助液流电池、钠硫电池、锂离子电池等大规模储能技术，提高其电能品质，成为一种易于电网调度的“可控”新能源。可以预见，大规模储能系统必将成为智能电网中不可或缺的生力军。

李建林

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