電池儲能技術在風力發電系統中的應用

辛華+邢潔+李小燕

[摘 要]電池儲能技術在風力電力系統中有著重要應用，帶動了風力電力產業的發展。文章對各種儲能技術的特點以及各種儲能技術在風力電力系統中的應用進行闡述，并分析了儲能技術在風力發電系統中的發展前景。

[關鍵詞]電池儲能技術；風力發電；風力電力系統

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.066

在國家政策的強力推動下，經過數年的快速發展，我國部分電網的風電滲透率已達到較高的水平。風功率具有多個時間尺度上的隨機波動特性，大量并網加大了系統調度的復雜程度，降低了運行效率。近年來，我國部分電網出現了較為嚴重的“棄風”現象。為促進風資源的開發、利用，必須采取措施提高電網對風電波動的適應能力，盡可能減少“棄風”現象。無論從調峰深度還是從爬坡速率角度來看，儲能電站的功率調節遠比常規電站靈活，可有效平衡風功率波動，促進電網對風電的消納。而且，只要接入電網位置合適，儲能電站還可緩解阻塞，減少因電網輸送能力不足導致的“棄風”。近年來，在電化學儲能技術不斷進步的背景下，大規模風電并網為發展大型電池儲能電站提供了應用前景，因此對電池儲能技術在風力發電中的應用必須要重視。

1 各種儲能技術的分類和特性概述

儲能的形式很多，各種儲能技術所利用的原理之間也存在很大差異。儲能技術大致可分如下幾類：電化學儲能與物理儲能，最常用到的是電磁儲能，還有較少見的變相儲能。電化學儲能的形式中有最常見的蓄電池儲能還有超級電容器儲能。變相儲能的典型方式是冰蓄冷儲能。

2 蓄電池儲能技術

蓄電池儲能的原理主要依靠的是化學反應。電池中主要發生的化學反應是氧化還原反應，蓄電池也是通過這種化學反應實現放電和充電。蓄電池儲能系統比較復雜，由多個部分共同組成，通常情況下的組成部分有控制裝置、電池等。另外，還需要一些適當的輔助設備。不同的蓄電池中使用的物質不同，按照其中化學物質對蓄電池進行分類，可以劃分為鋰離子電池、鉛酸電池以及液流電池等。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池的發展歷史較長，技術也日趨成熟。市場上的鉛酸電池主要以密封型產品為主，這種電池的優點是價格便宜、可靠性高、電能密度適中，因此鉛酸電池在電力系統中應用很廣泛，但它在報廢后難以進行無公害處理以及深度放電，這些問題制約了它的深層次開發與應用。

（2）鎳氫電池。鎳氫電池的特點是結構堅固、容量大、充放循環次數多，價格昂貴。這種電池也屬于封閉免維護電池，不含有毒物質，不會在正常的使用過程中產生有害物質。

（3）鋰離子電池。鋰離子電池具有功率高、對環境影響小以及自放電小的特點，但鋰離子電池系統很容易受工藝和環境溫度等因素的影響，導致系統的壽命比單位電池短很多，因此鋰離子電池的大規模集成比較困難，加上需要維護，限制了鋰離子電池在電力系統中應用。

（4）鈉硫電池。鈉硫電池被普遍認為是最高效和最具有發展潛力的電力儲能電池，日本已經成功開發出鈉硫儲能電池系統。日本也開始把鈉硫電池應用在風力發電系統中，鈉硫電池在風力發電中的主要任務就是穩定輸出功率。在日本風力發電中應用鈉硫電池，已經成為該國政府重點資助的發展項目，并且制定了進一步的發展計劃。

（5）全釩電池。液流電池中的全釩電池是行業正在重點研究的。全釩電池的工作原理是離子經過一系列的電化學反應來實現充電和放電。液流電池的儲能容量與電解液的容量和密度有很大關系，可以進行靈活配置，如果需要增大儲存能量的話，就可以采用增大電解液容積和濃度的方法。在日本已經有全釩液流儲能電池用于風電場的調頻和調峰。

3 超導儲能系統

超導儲能的原理是將超導線制成線圈，線圈的作用是對磁場能量進行儲存，并可以在用電的時候返還電能。這種儲能技術的優點主要體現在三個方面：①能量的釋放速度快，不需要能量轉換。②可以實現能量的無損耗儲存，能量返還率高。③可以對電網電壓、頻率等進行調節，實現與電力系統的大容量能量交換以及功率補償，超導儲能技術已經在風力發電中應用了很長一段時間。

4 超級電容器儲能技術

電化學雙電層理論是超級電容器研制的基礎，也是重要的理論依據。超級電容器儲能系統已經發展了很長時間，它在電力系統中的任務是提高電壓下降時的供電水平。世界上一個典型在風力發電系統中應用超級電容器的例子發生在美國，美國建造的超級電容器儲能裝置的主要任務是緩解風力發電機組向電網輸送功率產生的較大波動。超級電容器儲能系統的發展思路為采用串聯和并聯的方式應用于風力發電系統中，這使得系統的調節速度加快，調節范圍也增大，同時也提升風力發電系統中的電能質量，提高了系統的穩定性。

5 其他儲能技術

除了以上在生活中比較常見和常用到的四種儲能方式以外，還有抽水蓄能裝置，這種技術的主要任務是調峰，在集中式發電中應用比較廣泛。抽水蓄能裝置需要在地理條件允許的情況下才能應用，因此，很多風力發電場受條件限制無法建造抽水蓄能電站。另外，還有壓縮空氣儲能，它可以用于調峰，它消耗的燃氣低，能量轉化率高，在復合化發電以及大容量發電中，成本很低。

氫燃料電池是一種新型的儲能技術，把氫氣作為一種能源載體大規模地應用，首先要解決的是氫的成本和儲存問題，也就是要實現氫的低成本制造以及進行安全儲存。在氫燃料成本還很高的情況下，氫燃料電池的大規模應用還需要進一步發展。

6 各種儲能技術應用前景分析

儲能技術多種多樣，綜合分析來看，在調峰方面具有優勢的儲能技術是抽水蓄能技術；比較適用于中、小規模儲能的是電池儲能，而且電池儲能還可以適應不同用戶的需求。超級電容儲能在電動汽車儲能方面應用比較廣泛；飛輪儲能在電網的調頻方面有優勢。

大部分儲能技術由于需要的原料比較昂貴，這導致儲能技術應用于電力系統的成本都會很高，成本問題也是制約儲能技術在風力發電中大規模應用的一個重要問題。因此，提高能量轉化效率以及降低成本是實現儲能技術在風力發電中應用的重要措施。在風力發電中，在進行儲能方式選擇時需要考慮多種因素，例如系統成本、環境條件以及技術成熟度等。進行風力發電系統中電能的儲存的親體是進行電能質量的管理，超級電容器、高速飛輪儲能等技術的重要作用是保證系統輸出功率的穩定。當外部電網有故障出現時，儲能系統可以為電力系統提供一定的電壓來維護電網的穩定。另外，鉛酸電池和液流電池儲能這兩種系統的調峰功能比較優越，非常有利于對電能的大規模儲存。儲能系統還可以進行組合，例如超級電容器和蓄電池等，采用混合式儲能系統對提高儲能效率很有幫助。

7 結 論

隨著電網風電滲透水平的不斷提高以及電化學儲能技術的日益進步，規模化電池儲能系統有望在不久的將來進入商業運行。電池儲能技術在風力發電系統中有著很大的應用潛力，做好電池儲能的研究工作，有助于促進風力發電的發展。

參考文獻：

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