儲能技術在抑制風電場功率波動方面的研究綜述

管俊，高賜威

（東南大學電氣工程學院，南京210096）

風能是21世紀最重要的新能源之一，雖然存在著出力間歇性和不確定性[1]等缺點，但是風能清潔，無污染的特點順應了時代對于環保的要求。因此，風力發電得到了各國政府的大力支持。2009年全球風電裝機總量增長31%，中國風電裝機容量連續5a實現100%增長，全球風電裝機總量達到157.9GW，較上年增加了37.5GW,新增裝機容量中有近1/3來自中國。

大規模風電并網困難已經成為當前風電發展的瓶頸，如2009年四季度內蒙古電網風電上網電量占全網上網電量的8.2%，2010年一季度達到了7.7%。但是由于內蒙古電網對風電的接納能力有限且電力外送通道的不順暢，棄風情況嚴重，因此提高電網對風電的接納能力已經成為電網面臨的迫切問題。2010年中國風機裝機容量還將持續高速增長勢頭。隨著大規模風機接入電網，風電在電力系統中所占的比重越來越大，風電出力間歇性將會對電力系統的安全可靠運行產生巨大的沖擊，為了減小風電對電力系統的沖擊，在風電場配置儲能裝置已經成為平滑風電出力的有效手段之一。

1 風電接入對電網的影響

我國風電發展迅速，大規模風電并網勢在必行，隨著風電占電網的比重越來越大，風電對電網的影響將會逐漸顯示出來，文獻[2-4]闡述了風電并網后對電力系統穩定性、電網頻率、電能質量、發電計劃和調度等方面的影響。由于風電場對無功功率的需求，因此風電場對電壓穩定的影響較為突出；在有功調整方面，隨著風電占全網的比例的不斷增大，風電場對電網頻率的影響也越來越大；而且由于風電出力具有較強的間歇性和波動性，風電并網將引起電壓的波動和閃變問題。在電源出力可調的條件下，系統運行人員根據預測負荷制定發電計劃，目前短期負荷預測已經具有非常高的精度，但是風電電源出力基本不可調而且短期預測精度還遠遠沒有達到工程實際的要求，因此系統風電滲透率的高低對發電計劃的制定影響巨大。

2 儲能技術抑制風電場功率波動原理

風電場加入儲能裝置后，風電場的總輸出功率是風機總輸出功率和儲能裝置輸出功率之和。儲能裝置的輸出功率要起到平抑風電輸出的作用，即當風電出力驟升時，儲能裝置吸收功率，反之則輸出功率。儲能裝置輸出功率可正可負，當儲能裝置輸出功率為正時，儲能裝置在放電；當儲能裝置輸出功率為負時，儲能裝置在充電。

以某風電場一天的數據來說明原理。圖1中，紫紅色直線對應的值為130 MW，當風機總輸出功率大于130 MW時，儲能裝置通過某種控制策略立即充電；當風機總輸出功率小于130 MW時，儲能裝置通過某種控制策略立即放電，理論上可以平滑風電場的出力大小。在這種運行控制策略下，儲能裝置的響應時間要求達到ms級，并且要求儲能裝置有一定大小的功率和容量。風電場目標總輸出功率并不一定是一直固定不變的，可以根據各個風電場不同時間段風力大小等情況，制定各個時間段的目標總輸出功率。

圖1 某風電場某日出力情況

3 儲能技術在風電出力穩定性中的研究狀況

儲能技術按不同的原理可以分為機械能儲能、化學能儲能和電磁能儲能3類，在風力發電系統中均有不同程度的應用。

3.1 機械能儲能

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能(Pumped Storage)電站一般利用電力負荷低谷期的電能把水抽至上游水庫，在電力負荷高峰期再放水至下游水庫發電。抽水蓄能的效率在70%~85%之間，響應時間在10 s~4 min之間[5]，是目前存儲大規模電力成本效益最好的儲能技術。抽水蓄能電站能夠用于黑啟動、控制電網頻率、提供備用容量和提高火電站和核電站的運行效率等方面。

針對以抽水蓄能電站為儲能裝置的風電場，文獻[6]提出了3種運行方案，第一種是全部風電供給抽水蓄能電站抽水；第二種是通過分析風電場出力和電網容量大小，將一部分風電直接輸入電網，其余部分風電供給抽水蓄能電站抽水；第三種是風電全部輸入電網。文章通過建立風電和抽水蓄能電站系統的最佳運行模型和經濟評價模型，求解出電網內常規電廠最小出力，選出最優的風電、抽水蓄能系統最佳運行方式和風電、抽水蓄能電站的最佳容量比。文獻[7]闡述了加那利群島解決可再生能源滲透的可行方案，即抽水蓄能和可再生能源的混合系統，系統包括額定輸出功率為20.40MW的風電場，額定輸出功率為17.80MW的模塊化抽水蓄能電站和額定輸出功率為60MW的水電廠，實際應用表明混合系統對電力系統和用戶滿意度沒有負面的影響。

抽水蓄能是當前惟一的廣泛采用的大規模能量存儲技術，但是其應用受地理條件、轉化效率等方面的制約較大，而且由于抽水蓄能響應時間是分鐘級，在瞬時平滑風電場出力方面有時間上的限制。

3.1.2 飛輪儲能

飛輪儲能(Flywheel Storage)系統一般主要由以下幾部分組成[8]：轉子系統，軸承系統和電動/發電機系統，真空、外殼和控制系統等。飛輪儲能的主要優點是高充放電率，高循環次數，并且轉換效率大于90%，響應速度快，幾乎不需要運行維護。由于充放電率對循環次數沒有影響，飛輪的循環次數可以達到105~107次，壽命一般為20 a。通過對轉子材料等方面的研究，飛輪儲能的比能量可以達到100Wh/kg，比功率可以達到5 000W/kg。飛輪儲能的劣勢是高成本和高存儲損耗。存儲損耗在每小時20%左右，因此飛輪儲能不適合用于能量的長期存儲。飛輪儲能可以用于不間斷電源、應急電源、調頻和調峰等方面。

在風電場中的應用方面，文獻[8]對飛輪儲能在并網運行的風電系統中的應用做了詳細的探討，得出的結論是對于并網運行的風電系統，飛輪儲能可以作為風電機組輸出功率的補償環節。飛輪的工作原理是當風機出力相對于基準功率出現偏移時，飛輪通過充/放電控制來補償風電出力的波動，使得風電和飛輪系統的總輸出功率平穩。文獻[9]針對風力發電系統存在的功率波動問題，提出基于模糊控制的飛輪儲能裝置抑制功率波動的方法，通過控制公共直流母線上電流的大小，控制飛輪儲能的充放電規律，結果表明飛輪儲能有效地抑制了風電場功率波動。文獻[10]研究了風機、飛輪儲能的混合系統以及飛輪儲能的控制方式，通過仿真來演示風機和飛輪儲能混合系統的性能，得出的結論是飛輪平滑風電場出力的效果良好。在文獻[11]中，雙饋感應風機，飛輪儲能連接到直流母線，通過一種模糊邏輯的控制策略控制飛輪儲能的充放電，并且保持直流母線的電壓的穩定，以此平滑風機出力。

隨著大功率飛輪儲能的研制和應用，飛輪儲能可以實現MW級的輸出功率和數小時的持續時間，基于飛輪儲能壽命長、快速脈沖響應能力和高充放電率等特點，在合理的控制策略下，飛輪儲能可適用于瞬時平滑風電場出力。

3.1.3 壓縮空氣儲能

大部分有關翻轉課堂的研究采取了課堂內以小組為基礎的互動教學活動形式，這一運用是建立在Piaget 1967和Vygotsky[2]的以學生為中心的教學理論基礎之上的。而這些教學活動的本質在不同的研究中相差甚遠，這就容易產生一些認識誤區，導致翻轉課堂的標簽經常被用在一些課程當中，這些課程也會使用提前錄制的以網絡為基礎的錄像講座和封閉性問題與測試，而在許多傳統課程中，這些就是學習者得到的全部學習指導。因此，翻轉課堂不是指單純的教學活動重組，而是指課程安排的拓展。其簡易的表述見表2。

壓縮空氣儲能 (Compressed Air Energy Storage)電站主要有壓氣機、儲氣室、電動機/發電機等部分。壓縮儲能電站是一種調峰用燃氣輪機發電廠[12]，主要是利用電網負荷低谷期剩余的電力壓縮空氣，將其儲存在高壓密封的容器內，在用電高峰期再釋放空氣來驅動燃氣輪機發電。蓄水層、巖洞、自建的容器或者廢棄的礦井可以作為壓縮空氣的儲氣室，目前蓄水層作為儲氣室是最便宜的方案。通常壓縮空氣儲能的容量在50~300 MW，因此壓縮空氣儲能適用于大規模能量儲能，除了抽水蓄能，壓縮空氣儲能容量最大。壓縮空氣儲能存儲損耗很低，響應時間在1~10 min之間[13]，主要應用于平衡負荷、可再生能源存儲、系統備用等。

在風電場中的應用方面，文獻[14]提出了壓縮空氣儲能和風機聯合運行時的新思路，將捕獲的風能高效地轉換為壓縮空氣內能，負荷高峰或需要用電時再用壓縮空氣直接發電，在理論上具有可行性，可以解決電力系統發電和用電不同步的問題。文獻[15]論述了通過壓縮空氣儲能技術可以把風能變為可控的能源，并且考慮風機和壓縮空氣儲能混合系統生產的電力成本問題，指出這個生產成本對于現代工業社會是完全可以接受的，壓縮空氣儲能將會在很長時期內具有競爭力。文獻[16]講到兩種儲能裝置安裝方案，一種放在風機側，另一種放在負荷側，通過輸電成本分析發現儲能放在風機側更加合理、可靠；還分析了風機和壓縮空氣儲能系統的優點，比如降低網絡傳輸費用、改善電能質量等。

從理論上來說，壓縮空氣儲能也適于大規模能量的儲能，但是其應用受轉換效率和成本等方面的影響限制。壓縮空氣儲能具有分鐘級的響應時間，在瞬時平滑風電場出力方面受一定的時間限制。

3.2 電磁儲能

超導磁儲能 (Superconducting Magnetic Energy Storage)主要由3部分組成：超導單元、低溫恒溫器和轉換系統。超導磁儲能系統一般將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存在由超導磁制成的線圈中，需要時再釋放出來[17]。超導磁儲能的效率很高，一般大于97%，并且能夠快速響應（ms級），循環次數大于10萬次，壽命大于20 a。超導磁儲能的比能量（0.1~10 Wh/kg）和比功率（1 000 W/kg）都比較高，但是超導磁儲能成本高昂和其強磁場對環境影響顯著。超導磁儲能適用于解決大型工業用戶的電壓穩定和電能質量問題。

在風電場中的應用方面，文獻[18]建立了風機和超導磁儲能裝置的數學模型，并且研究了超導磁儲能對風電場運行穩定性的改善情況，超導磁通過某種控制策略可以有效平滑風電場的功率輸出。文獻[19]從補償系統中不平衡功率這一角度出發，研究了超導磁儲能裝置穩定風機輸出的效果，結果表明超導磁儲能裝置可以穩定系統輸出。超導磁儲能系統用來改善風電場的電壓穩定性是文獻[20]研究的重點。超導磁儲能系統可以控制有功和無功潮流，風機在四象限運行，超導磁系統的引入可以平滑風電場的輸出功率，并且維持動態的電壓。文獻[21]指出，大規模風電接入電網會使得電力系統出現嚴重的波動問題，為了抑制功率波動，可以應用超導磁儲能系統，因為超導磁儲能系統可以迅速地控制有功和無功。為了增強超導磁儲能系統控制器的魯棒性，文章建議控制器的設計要考慮系統的不確定因素。文獻[22]通過合理設計功率解耦的超導磁儲能控制器抑制了功率波動，仿真分析證明了理論的正確性。

3.3 化學能儲能

3.3.1 超級電容儲能

超級電容(Supercapacitor Storage)是根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其賦予電極表面，形成雙電荷層，構成雙層電容[17]。超級電容儲能的比功率非常高，達到10 kW/kg，而蓄電池的比功率一般只有幾百W/kg，但是因為比能量低，高功率只能持續很短的一段時間。由于高功率和高快速放電能力，并且儲存損耗在每天20%~40%之間，超級電容儲能適合作為能量暫時存儲單元。和其他新型儲能技術的問題一樣，超級電容儲能的成本也比較高。目前超級電容器主要用于短時間、大功率的負荷平滑，電動汽車的能量存儲裝置等。

在風電場應用方面，文獻[23]介紹了超級電容儲能系統可以快速調節有功和無功，提出了一種將超級電容儲能系統應用在風力發電系統的新思路。通過MATLAB仿真，結果表明超級電容可以很好地改善并網風機的電能質量和穩定性。文獻[24]考慮了儲能裝置和風機的聯合運行抑制風機功率波動，在瞬態情況下，儲能裝置還能用來加固直流母線，因此增加了低電壓穿越的能力。研究結果顯示，當基于低電壓穿越來規定儲能裝置的能力時，儲能裝置可以有效地抑制短期功率波動。文獻[25]描述了風/小水電電力系統聯合超級電容儲能裝置的實驗結果，證明了當超級電容儲能裝置和電網相連后，風/小水電系統成功地彌補和平滑了波動的風機出力。

超級電容儲能壽命比較長，比功率、比能量都能達到平滑風電場出力的要求，就風電場的應用而言，主要制約因素依然是相對高昂的成本。

3.3.2 蓄電池

蓄電池主要利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電。根據所使用的化學物質的不同，蓄電池可以分為許多類，有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、液流電池等[17]。

鉛酸電池是目前最常用的電池，當前廣泛應用于各類風電場中。鉛酸電池的比能量一般為30Wh/kg，比功率為180W/kg，效率在85%~90%之間，自放電率只有每月2%左右，這使得鉛酸電池適合長期儲存。鉛酸電池的缺點是低的循環壽命，并且其壽命跟放電深度和溫度有關，此外廢棄鉛酸電池對環境的影響巨大，需要進行必要的回收處理。

鎳氫電池與鉛酸電池相比，具有容量大，充放循環次數多和環境友好等特點，但是價格比較貴。由于鎳氫電池的成本、效率（不如鉛酸電池）等問題，缺乏大規模應用的條件。

鋰電池的比能量高，環境友好，和鉛酸電池相比，鋰電池的比能量（75~200 Wh/kg）和效率（接近100%）都比較高，目前已經廣泛應用于數碼產品，但是由于大容量集成和成本的問題，目前還不能在電力系統中大規模應用。

鈉硫電池的比能量高（和鋰電池同一等級），并且效率達到89%~92%，一般運行在300~350℃，在100%放電深度下，循環次數可以達到2 000次，壽命一般為15 a。鈉硫電池可以提供30 s左右的脈沖功率，因此適用于調峰和提高電能質量。鈉硫電池所用材料便宜，并且沒有毒性，具有廣闊的發展前景，至今有150多座功率大于500 kW的鈉硫電池儲能站在全球運行。

全釩液流電池（Vanadium Redox Battery）是液流電池的發展主流，是一種新型的儲能設備，它的主要特點是規模化蓄電，全釩液流電池壽命很長（5~10 a），充放電循環次數大于10 000次，容量和功率可以靈活設計，可以快速充放電。主要缺點是能量密度相對較低（10~30Wh/kg），以及釩液體有劇毒，存在安全隱患。

針對蓄電池在風電場中的應用，文獻[26]分析了應用于風電的儲能方式，并對蓄電池儲能方式進行了仿真研究，驗證了蓄電池儲能方式的可行性。文獻[27]研究了在太陽能/風能發電混合系統中加入蓄電池儲能的技術性和經濟性，通過實例分析說明技術和經濟的可行性。文獻[28]介紹了風機、柴油機混合動力系統(WDHS)的3種運行方式：只運行柴油機(DO)，只運行風機(WO)，風機、柴油機一起運行(WD)。在WO模式下，電源是風力發電機和蓄電池，如果輸出有功有缺額，分布式控制系統(DCS)就會啟動柴油機阻止頻率波動，風機、柴油機和蓄電池的聯合運行可以使得系統的頻率達到額定值。文獻[29]中使用的蓄電池是鎳鉻蓄電池，文章闡述了有鎳鉻蓄電池儲能系統的風力柴油混合動力系統(WDHS)有效地控制了有功出力。文獻[30]設計了一個預測控制方法來解決風電場輸出功率波動問題，這種控制方法可以控制蓄電池的儲能容量。文獻[31]用一個簡化的模型評估有蓄電池儲能的風力發電系統的月度績效，通過改變蓄電池的容量，模擬系統的月度績效。為了充分結合各種儲能裝置的優點，混合儲能研究也已經開始，文獻[32-33]結合了蓄電池的比能量大、超級電容器比功率大和循環壽命長的特點，設計了超級電容器和蓄電池的混合儲能，優化了儲能系統的性能。

蓄電池的響應速度都能夠滿足瞬時平滑風電場出力的要求，且成本效益較高，是當前比較常用的風電場配置，但是受制于存儲容量的限制，需要通過進一步優化運行方式改善風電場出力的運行特性。

3.4 各類儲能技術特點總結

根據文獻[34-36]總結出各類儲能技術的特點，見表1。

表1 各類儲能的特點

4 結論

風電場配備一定容量的儲能裝置對風電場輸出功率的穩定性具有重要的作用，為了提高系統對風電的接納能力，尋找適合應用于瞬時平滑風電場出力的儲能技術，并對其進行系統的研究是當前迫切需要的。本文對傳統和新型儲能技術做了詳細的分析，對提高電網對風電的接納能力方面的研究進行了深入的調研和總結歸納，為風電場儲能裝置配置提供了技術參考。總體而言，抽水蓄能和壓縮空氣儲能由于存儲容量大，適合存儲大規模的風電，但是受地理條件的約束。飛輪儲能、超導磁儲能和超級電容儲能在壽命、比功率、轉換效率等方面比蓄電池有優勢，并且作為新興的儲能技術發展潛力巨大。蓄電池的種類繁多，其中鉛酸電池目前已經廣泛應用于風電場，但僅從技術角度分析，鈉硫、全釩液流等新興電池的性能比鉛酸電池優越，只是目前鈉硫、全釩液流等新興電池成本昂貴，并不能大規模取代鉛酸電池。飛輪儲能、超導磁儲能、超級電容儲能、鈉硫電池和全釩液流電池等新興儲能技術響應速度快，并且有一定的功率/能量，適用于瞬時平滑風電場出力，隨著儲能技術的突破和成本的逐步降低，在不久的將來儲能技術將大規模用于改善風電場的運行特性。

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