風電場和壓縮空氣儲能電站共同發展的必要性分析

閆方等

摘要：目前，我國風電場裝機容量較大，但“棄風”現象嚴重，風能利用效率低。依照“有效發展”風電的原則，提出風電場和壓縮空氣儲能電站配套建設，可以有效改善風電場發電的間歇性、波動性，實現風電場電力的平滑輸出，而且可以改善風電反調峰性能、參與電網調峰，提高風電場運行的經濟效益。與電池儲能電站、抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲能電站有明顯的建設優勢。最后，提出了今后應研究的重點。

關鍵詞：風電場；壓縮空氣儲能（CAES）電站；共同發展；必要性；優勢

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）24-0115-02

近年來，我國風電裝機規模不斷增大，但風電場棄風現象也愈發嚴重，經濟損失較大。按照我國能源發展“十二五”規劃，“十二五”后幾年我國將大力發展清潔能源發電，“有效發展”風電。預計至2015年，我國風電裝機規模到1億千瓦，占全國總裝機的6.7%。

壓縮空氣儲能（CAES）電站是一種“電能-壓縮空氣內能-電能”的儲能-釋能發電系統。雖然我國尚無建成的壓縮空氣儲能電站，但在德國、美國等國家已有比較成熟的技術，并已建立多個壓縮空氣儲能電站。CAES電站不僅可以實現“削峰填谷”調峰的作用，而且能有效改善風電場發電的間歇性、波動性，實現風電場電力的平滑輸出。為實現風電的“有效發展”，本文重點分析了CAES電站和風電場共同發展的必要性，以及CAES電站的建設優勢，供探討。

一、我國風電發展概況

截至2012年底，我國風電裝機總容量達到75324.2MW，同比增長20.8%。其中2012年新增裝機12960MW（不包括臺灣地區）。中國并網風電總容量達到60830MW，風電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。其中，內蒙古風電裝機總容量達到18623.8MW，位居國內風電裝首位，占全國風電總裝機容量的24.7%。

“十二五”后幾年，我國風電發展的主要原則是“有效發展”風電。實現集中與分散并舉，因地制宜開發利用風能資源，建設大型風電基地和中小型風電場，推進海上風電規模化發展。統籌風能資源開發、電力市場消納和輸送通道建設，推進風電與電力系統協調發展。預計到2015年，風電裝機容量達到1億千瓦，占全國總裝機的6.7%（全國總裝機約14.9億kW）。

二、我國風電利用情況

近年來，我國風電場建設快速發展，但是風電場“窩電”、“棄風”現象比較嚴重。根據中國風能協會統計，2011年中國約有120億千瓦時左右的風電場電量由于被限而損失，折合標準煤約400萬tce（等價值0.335kgce/kWh，2010年全國電力行業平均發電煤耗水平，下同）。初步統計，2012年我國風電因棄風而導致的限電量約200億千瓦時，相當于約670萬tce。可見，雖然我國風電裝機容量很大，但風電場并沒發發揮最大效能，據統計，2012年內蒙古地區風電裝機占我國風電裝機總容量的24.7%，位居第一，但是在風電場最大棄風裝機容量達到80%。大規模的風電棄風造成風電這種綠色可再生能源的大量浪費。

三、壓縮空氣儲能電站

1.壓縮空氣儲能電站工作原理

CAES電站由儲能系統與發電系統兩部分組成。儲能系統主要由電動機、空氣壓縮機機組、冷卻室、地下儲氣室組成。發電系統為實質為汽輪機發電系統，包括換熱器、加熱室、汽輪機、發電機等部分。

2.國內外發展概況

1978年，德國建成世界第一座示范性壓縮空氣儲能電站（Huntdorf），美國于1991年建成使用，隨后日本和以色列也都建成使用。其中截至2012年底，美國有三座壓縮空氣儲能電站，累計裝機容量3340MW。目前世界最大的壓縮空氣儲能電站在德國，裝機容量290MW，我國尚無建成的壓縮空氣儲能電站。

四、壓縮空氣儲能電站和陸上風電場共同發展的必要性

1.有效改善風電場運行特性，提高供電質量

CAES電站和風電場共同發展，在夜間負荷低谷時將風能以壓縮空氣的形式儲存，在白天負荷高峰時將壓縮空氣轉化為電能釋放，可有效消除風電場供電的“間歇性”，保證風電場聯系的連續供電，以滿足負荷需求。另外，壓縮空氣儲能電站發電系統為汽輪機發電系統，對風電場有一定的電壓支撐，提高供電質量。

壓縮空氣儲能電站與風電場共同發展接入系統方案設想如下：在風電場附近共同發展壓縮空氣儲能電站。儲能電站電力通過集電線路或電纜接入風電場升壓站母線，最終利用風電場并網線路接入系統。

2.改善風電反調峰性能，參與系統調峰

系統的調峰能力跟電源結構密切相關。我國電源結構以煤電為主，而在煤電裝機中供熱機組占有較大的比重，冬季供熱機組主要滿足供熱需求，供熱機組調節能力有限；而在水電裝機中，徑流式水電比重較大，調節性能好的水電裝機所占比重小，水電調峰能力很小，而目前我國的核電主要是帶基荷運行，不參與調峰。長期以來我國電力系統調峰能力不足。

按照國家能源發展規劃，未來幾年我國將大力發展風電、核電等清潔能源，改善電源結構。目前看來，系統調峰能力將成為制約風電等清潔能源發展的瓶頸之一，因此，發展清潔能源的配套建設調峰電源是非常必要的。

核電和風電是我國清潔能源中所占比重較大的兩大部分。目前我國已投產及規劃建設的核電站主要位于沿海或水資源豐富地區，為滿足核電帶基荷運行需要，配套建設抽水蓄能電站是不二選擇。而從我國風電場建設情況來看，目前陸上風電站占比例較大，主要分布在西北、華北、東北等地，水資源有限，抽水蓄能電站建設條件受限，需配套建設合適的調峰電源。

CAES電站和抽水蓄能電站的性質都是儲能電站，同抽水蓄能電站，CAES電站同樣可以參與系統調峰。風電場一般建設在風資源豐富地區，壓縮空氣儲能電站通過和風電場配套建設，在夜間負荷低谷時將風電場發出的電能轉化為壓縮空氣的內能儲存，不僅可以解決風電場大量“棄風”現象，而且能有效改善風電的“反調峰”性能；在負荷高峰而風較小時釋放壓縮空氣通過燃氣輪機發電，滿足高峰電力需求，能起到“削峰填谷”作用。

3.提高風電場運營的經濟效益

就目前我國風電場情況來看，風電場裝機容量發展迅速，但風電場棄風現象嚴重，造成風力資源利用效率低。2011年我國風電棄風電量約120億千瓦時，棄風率為16%。2012年我國由于棄風電量約200億千瓦時，棄風率達20%，若按0.5元/度計算，2012年由于風電棄風而造成的經濟損失達100億元。

目前我國風電場建設及運行主要原則是：風電場一般以1回線路并網，如果風電場送出線路故障或檢修、對側接入點故障或檢修，風電場均需要全停機；規程規定，在負荷低谷時調度部門可采取措施讓風電場壓出力或者切除整個風電場。此外，目前我國風電場基本采取就地接入地方電網，風電場送出通道不足。上述因素是風電場大量棄風的直接原因。

若在風電場附近配套建設壓縮空氣儲能電站，可在風電場送出線路故障或檢修、負荷低谷時風電場繼續發電儲能，減少“棄風”現象，可以實現風力資源的充分利用，提高風電場運營的經濟效益。

五、建設壓縮空氣儲能電站的優勢

目前，國內外主要的儲能電站有電池儲能電站、抽水蓄能電站，壓縮空氣儲能電站雖然在國內才剛剛起步，但國外已有相當成熟的值得借鑒的技術經驗。相比電池儲能電站和抽水蓄能電站，有以下較突出的優勢：

第一，投資最省：電池儲能電站投資3000元/kW～15000元/kW（鋰電池投資最省，約3000元/kW）、抽水蓄能電站3600元/kW ～5000元/kW、壓縮空氣儲能電站3000元/kW～3300元/kW。

第二，占地面積最小：電池儲能電站占地面積大，約為100～1500平米/MW（光伏電站中兆瓦級鋰離子電池電站占地最小，為100～150平米/MW）；抽水蓄能電站占地1500～1800平米/MW；壓縮空氣儲能電站3.7平米/MW（大部分設施位于地下）。

第三，建設條件要求低：壓縮空氣儲能電站無特定地理要求，壓縮空氣儲氣罐建于地下，不受地面條件的影響。電池儲能電站的建設要求大量的空地，抽水蓄能電站的建設對水源水質、地質條件要求比較高。

另外，壓縮空氣儲能電站在能量轉換效率、運行壽命等方面也有一定優勢。

六、結論及建議

近年來，我國風電場“棄風”現象嚴重，造成經濟損失巨大，按照我國將大力發展風電等清潔能源的思路，為提高風能利用效率，實現風電“有效發展”，配套建設儲能電源是非常必要的。CAES電站不僅能有效改善風電場運行特性，提高供電質量，而且可以改善風電場反調峰特性、參與系統調峰，同時提高風電場運行的經濟效益，為“有效發展”風電提供必要條件。CAES電站同其他儲能電站相比，具有投資省、占地面積小、建設條件要求低等特點。建議相關部門研究CAES電站容量和風電場容量的最佳匹配關系，以便應用于工程實際。

參考文獻：

[1]中國可再生能源學會風能專業委員會.2012年中國風電裝機容量統計[R].北京：中國可再生能源學會風能專業委員會，2012.

[2]國務院.能源發展“十二五”規劃[R].北京：國家能源局，2012.

[3]劉文毅，楊永平.壓縮空氣蓄能電站綜合效益評價研究[J].工程熱物理學報，2007，28（3）：373-375.

[4]譚靖，李國杰，唐志偉，等.基于壓縮空氣儲能的風電場功率調節及效益分析[J].電力系統自動化，2011，35（8）：33-37.

[5]金一丁，宋強，陳晉輝，等.大容量電池儲能電網接入系統[J].中國電力，2010，43（2）：16-20.

[6]DL/T 5172-2003 抽水蓄能電站選點規劃編制規范[S].北京：中華人民共和國國家經濟貿易委員會，2003.

[7]Q/GDW 392-2009風電場接入電網技術規定[S].北京：國家電網公司，2009.

[8]LI Wei，JOOS G，ABBEY C. Attenuation of wind power fluctuations in wind turbine generators using a DC bus capacitor based filtering control scheme[C]//Proceedings of Industry Applications Conference，October 8-12，2006，Tampa，FL，USA：216-221.

[9]國家電網公司.風電場電氣系統典型設計[M].北京：國家電網公司，2011.

[10]Q/GDW 268-2009電網規劃設計內容深度規定[S].北京：國家電網公司，2009.

（責任編輯：王祝萍）