風電儲能聯合運行技術應用前景的探討

曹辰雨

（京能招標集采中心有限責任公司，北京 102300）

隨著世界社會經濟形勢的快速發展，越來越多的發達國家和地區已開始日益重視資源環境保護，全球氣溫迅速變暖溫室效應等現象都嚴重影響著全人類的生活。為了盡快改善地球當前生活環境，一些研究機構和社會團體對于綠色新能源項目的開發研究投入在不斷地增加。為解決風力發電系統規模應用給電網帶來的一系列問題，風電儲能聯合運行技術已成為最新的研究熱點。

一、風力發電現狀分析

風電作為一種新能源，其工作方式是利用相關設備將風產生的動能轉化成為電能，而風能是一種清潔的、可再生能源，近些年來在世界范圍內受到各個國家的重視。截至2022年底，全球風力發電裝機容量已經超過了900GW，而我國是全球最大的風力發電市場，風力發電裝機容量約為350GW，占世界風力發電裝機容量的38%。

近年來，風力發電技術取得了巨大的突破，發電機組的效率不斷提高，發電成本也逐漸降低。風力發電機組的尺寸也越來越大，單個風力發電機組的裝機容量已經超過了10MW。通過傳感器、物聯網和數據分析等技術手段，風力發電機組的運維管理變得更加智能化，可以實時監測機組的運行狀態、預測故障并進行維修，提高了風力發電機組的可靠性和運行效率。同時，風力發電與其他可再生能源（如太陽能、水能等）的結合，形成了混合能源系統，這種系統可以更好地利用不同能源之間的互補性，提高能源利用效率，并且可以實現能源的穩定供應。此外，風力發電技術還在不斷創新，如離岸風電、垂直軸風力發電等新技術的應用，進一步推動了風力發電行業的發展。

風力發電技術仍存在以下問題：

（1）不穩定的發電能力：由于風速的變化，風力發電機組的發電功率會波動。在風速較低或過高的情況下，風力發電機組的發電能力會受到限制，這種不穩定性給電網的運行帶來了挑戰。

（2）地理局限性：風力發電需要具備適宜的地理環境，如較高的風速和廣闊的開闊地區。這限制了風力發電的地理分布，使得一些地區無法充分利用風能資源。此外，風力發電機組的建設也需要大量的土地空間，這在一些相對擁擠的地區可能會受到限制。

（3）儲能和輸電問題：風力發電的不穩定性和地理局限性使得儲能和輸電成為一個挑戰。由于風速的波動性，風力發電機組產生的電能可能會超過或不足以滿足電網的需求。因此，需要儲能技術來平衡供需，并將多余的電能儲存起來以備不時之需。此外，由于風力發電機組的分布通常較為分散，輸電線路的建設和維護也是一個挑戰。

（4）成本問題：盡管風力發電成本在過去幾十年中有所下降，但仍然相對較高。風力發電機組的建設和維護成本較高，需要很長時期才能收回投資。

總體來說，風力發電技術在可再生能源領域具有巨大的潛力，但仍然存在一些問題需要解決，儲能技術的出現在一定程度上解決了風力發電不穩定的現狀。

二、儲能技術的特性和分類

1.飛輪儲能系統

飛輪儲能系統是一種將電能轉化為動能后進行儲存，在需要的時候再將動能釋放轉化為電能的儲能方式。其基本工作原理是通過儲能方式把其中一部分電能先轉換為驅動飛輪進行高速旋轉運動過程中所需要的動力，進而將能量以動能形式長期儲存，在需要釋放能量時，利用飛輪儲能系統把飛輪進行低速回轉運動中儲存著的這部分動能全部轉換為電能，從而可以為用戶側的電力設備系統提供一種可靠且持續運行的高效電力能源。飛輪儲能系統具有儲能密度高、適應性強、應用范圍廣、效率高、壽命長、無污染和維修費低等優點。

2.超導儲能系統

超導儲能系統與上述的飛輪儲能系統在工作原理上存在著差異性，其主要工作原理是由超導線圈將電磁能直接儲存起來，在用戶側有使用需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種儲能方式。超導線圈儲能技術與其他儲能方式相比具有一些技術優點：超導線圈進行能量釋放時產生的電能傳送和反應速度較快，在完全無功率損耗的能量傳輸狀態下，運行該系統時基本不用另外再去進行其他各種能量形式參數間的相互轉換，儲能過程轉換速度快、功率消耗小、容量大，儲能系統效率明顯高于飛輪儲能系統；超導儲能系統可以將能量長時間儲存，并可以保證儲能過程中不會有任何能量損耗；超導儲能系統在建造時選址較為靈活，可忽略建設地點條件因素的限制，同時后期維護方便簡單，設施整體污染較小。

3.蓄電池儲能技術

(1)鉛酸蓄電池

由于國內外對鉛酸蓄電池產品在電力系統儲能方面的應用已經有了較為系統和深入的研究，因此蓄電池儲能相關技術應用具有較其他儲能方式更高的成熟度，并且應用范圍也最為廣泛。鉛酸蓄電池能提供的最大能量密度相對較低，價格方面一般不會過于昂貴，建成后的使用維護成本相對較低，技術與應用已經十分地接近于成熟，因此有著大量的商業成功案例。隨著我國的鉛酸蓄電池行業市場規模的不斷壯大與發展，其產品也是逐漸地創新演變為主要采用以密封型材料結構為主的形式，是一種免維護的儲能新型技術產品，目前最大儲能產品容量可達約40MW。在密封形式和閥控型等設計方面的進一步優化的基礎上，為鉛酸電池回收系統設備的高效穩定運行提供了強有力的技術保障。但是鉛酸儲電池應對極端外部環境條件或其他某些影響因素的問題上存在著一定的不足，這也導致了產品的應用范圍會受到一定程度的制約。

(2)鈉硫電池

鈉硫電池有著能量密度高、功率高等特點，但同時存在安全性及生產成本較高的問題。隨著對鈉硫電池研究的進一步開展，目前，其在削峰填谷、可再生能源并網、輸配電領域有著廣泛應用。鈉硫電池安全性較差，因其原材料易燃，在使用過程中應特別考慮安全性。

(3)鋰聚合物電池

鋰聚合物電池是一種結構類型最為特殊的新型聚合物電池，具有能量高、小型化、輕量化的特點，容量比同樣大小的傳統鋰離子電池高出一倍，同時不容易形成自放電現象。但是因為存在對環境溫度因素影響較為敏感以及對技術工藝要求過高等原因，同時電池產品的平均理論使用壽命遠遠低于常規電池產品，大容量蓄電池和電池集成裝置供電線路的研發制造生產技術難度較大，生產安裝與檢修維護的成本費用較高，這些都使這種大容量新型儲能電池裝置在我國短期內可能很難在電力系統裝備中形成大規模應用。

三、儲能技術在風力發電系統中的應用及前景

我國的風力發電技術已實現大規模應用，隨著技術的發展，風力發電機組容量也日趨增大，隨之而來的對并網產生的不利影響也日漸嚴重。目前，我國建成的1000萬千瓦級風電基地中，大部分處于電網末端，電網結構較為薄弱，風力發電的輸出功率的不確定性限制了風電的發展[1]。現階段，應用在風力發電系統中的儲能技術主要有：抽水儲能、壓縮空氣儲能、蓄電池儲能、超導儲能。以上儲能技術在對應用場所要求、能量密度、安全性、制造成本等方面存在一定問題。因此，研究新型儲能技術已成為主要解決方案。

風電具有不確定性和反調峰性等特點，風能的不確定性會導致風電場出力隨機發生變化，因此大規模的風電場接入系統會導致一系列安全隱患的出現[2]。大規模的風電加大了電網調度難度，在大型風力發電系統應用開發設計中，儲能系統可以有效彌補風力發電不連續、不穩定等缺點，同時可以進一步提高資源可循環高效再利用，避免或減少資源損失浪費等情況的出現。風電儲能聯合運行可有效增加風電場經濟效益，但應注重做好儲能技術運用在風力發電場的系統開發和運行維護相關成本的綜合控制，逐步做到降低儲能結合風力發電技術開發和使用企業的研發運營成本。多數風力發電廠采用單一儲能技術，實踐中可能出現使用壽命短、儲能效率低等問題，應盡量提升系統能量的有效轉換率，同時開展多種儲能形式混合運用的試驗研究，結合各種儲能技術的優缺點，優化儲能設計方案，可以有效提高能源利用率，降低維護成本。

結語

儲能技術對于保障風力發電系統的動態穩定性、可靠性起到非常重要的作用，以風電、太陽能為主的新能源裝機規模增長迅速，并占據著越來越大的比重，但是因其出力隨機性、間歇性等特點，使得這些新能源的利用受到了制約，配置儲能系統既能有效促進風電、光電消納，又可實現削峰填谷和減輕電網波動，進而提高電網運行的協調性以及安全穩定性。配置儲能項目還可以將冗余電能存儲起來，增加經濟效益。因此積極研究風電、太陽能等可再生能源與儲能相結合的應用技術，研制開發新型儲能設備是儲能利用技術今后是否能夠真正應用于傳統風力發電系統的前提條件。