風電儲能聯(lián)合運行技術(shù)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(jīng)濟形勢的快速發(fā)展，越來越多的發(fā)達國家和地區(qū)已開始日益重視資源環(huán)境保護，全球氣溫迅速變暖溫室效應等現(xiàn)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(huán)境，一些研究機構(gòu)和社會團體對于綠色新能源項目的開發(fā)研究投入在不斷地增加。為解決風力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模應用給電網(wǎng)帶來的一系列問題，風電儲能聯(lián)合運行技術(shù)已成為最新的研究熱點。

一、風力發(fā)電現(xiàn)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(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)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(nèi)受到各個國家的重視。截至2022年底，全球風力發(fā)電裝機容量已經(jīng)超過了900GW，而我國是全球最大的風力發(fā)電市場，風力發(fā)電裝機容量約為350GW，占世界風力發(fā)電裝機容量的38%。

近年來，風力發(fā)電技術(shù)取得了巨大的突破，發(fā)電機組的效率不斷提高，發(fā)電成本也逐漸降低。風力發(fā)電機組的尺寸也越來越大，單個風力發(fā)電機組的裝機容量已經(jīng)超過了10MW。通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，風力發(fā)電機組的運維管理變得更加智能化，可以實時監(jiān)測機組的運行狀態(tài)、預測故障并進行維修，提高了風力發(fā)電機組的可靠性和運行效率。同時，風力發(fā)電與其他可再生能源（如太陽能、水能等）的結(jié)合，形成了混合能源系統(tǒng)，這種系統(tǒng)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(xiàn)能源的穩(wěn)定供應。此外，風力發(fā)電技術(shù)還在不斷創(chuàng)新，如離岸風電、垂直軸風力發(fā)電等新技術(shù)的應用，進一步推動了風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。

風力發(fā)電技術(shù)仍存在以下問題：

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

（2）地理局限性：風力發(fā)電需要具備適宜的地理環(huán)境，如較高的風速和廣闊的開闊地區(qū)。這限制了風力發(fā)電的地理分布，使得一些地區(qū)無法充分利用風能資源。此外，風力發(fā)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(qū)可能會受到限制。

（3）儲能和輸電問題：風力發(fā)電的不穩(wěn)定性和地理局限性使得儲能和輸電成為一個挑戰(zhàn)。由于風速的波動性，風力發(fā)電機組產(chǎn)生的電能可能會超過或不足以滿足電網(wǎng)的需求。因此，需要儲能技術(shù)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(fā)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(zhàn)。

（4）成本問題：盡管風力發(fā)電成本在過去幾十年中有所下降，但仍然相對較高。風力發(fā)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(fā)電技術(shù)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(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了風力發(fā)電不穩(wěn)定的現(xiàn)狀。

二、儲能技術(shù)的特性和分類

1.飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)是一種將電能轉(zhuǎn)化為動能后進行儲存，在需要的時候再將動能釋放轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為驅(qū)動飛輪進行高速旋轉(zhuǎn)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(tǒng)把飛輪進行低速回轉(zhuǎn)運動中儲存著的這部分動能全部轉(zhuǎn)換為電能，從而可以為用戶側(cè)的電力設備系統(tǒng)提供一種可靠且持續(xù)運行的高效電力能源。飛輪儲能系統(tǒng)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(yōu)點。

2.超導儲能系統(tǒng)

超導儲能系統(tǒng)與上述的飛輪儲能系統(tǒng)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(cè)有使用需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負載的一種儲能方式。超導線圈儲能技術(shù)與其他儲能方式相比具有一些技術(shù)優(yōu)點：超導線圈進行能量釋放時產(chǎn)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(tài)下，運行該系統(tǒng)時基本不用另外再去進行其他各種能量形式參數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，儲能過程轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗小、容量大，儲能系統(tǒng)效率明顯高于飛輪儲能系統(tǒng)；超導儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)

(1)鉛酸蓄電池

由于國內(nèi)外對鉛酸蓄電池產(chǎn)品在電力系統(tǒng)儲能方面的應用已經(jīng)有了較為系統(tǒng)和深入的研究，因此蓄電池儲能相關技術(shù)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(shù)與應用已經(jīng)十分地接近于成熟，因此有著大量的商業(yè)成功案例。隨著我國的鉛酸蓄電池行業(yè)市場規(guī)模的不斷壯大與發(fā)展，其產(chǎn)品也是逐漸地創(chuàng)新演變?yōu)橹饕捎靡悦芊庑筒牧辖Y(jié)構(gòu)為主的形式，是一種免維護的儲能新型技術(shù)產(chǎn)品，目前最大儲能產(chǎn)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(yōu)化的基礎上，為鉛酸電池回收系統(tǒng)設備的高效穩(wěn)定運行提供了強有力的技術(shù)保障。但是鉛酸儲電池應對極端外部環(huán)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)、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(jié)構(gòu)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(tǒng)鋰離子電池高出一倍，同時不容易形成自放電現(xiàn)象。但是因為存在對環(huán)境溫度因素影響較為敏感以及對技術(shù)工藝要求過高等原因，同時電池產(chǎn)品的平均理論使用壽命遠遠低于常規(guī)電池產(chǎn)品，大容量蓄電池和電池集成裝置供電線路的研發(fā)制造生產(chǎn)技術(shù)難度較大，生產(chǎn)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(nèi)可能很難在電力系統(tǒng)裝備中形成大規(guī)模應用。

三、儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用及前景

我國的風力發(fā)電技術(shù)已實現(xiàn)大規(guī)模應用，隨著技術(shù)的發(fā)展，風力發(fā)電機組容量也日趨增大，隨之而來的對并網(wǎng)產(chǎn)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(wǎng)末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱，風力發(fā)電的輸出功率的不確定性限制了風電的發(fā)展[1]。現(xiàn)階段，應用在風力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能技術(shù)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(shù)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(shù)已成為主要解決方案。

風電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點，風能的不確定性會導致風電場出力隨機發(fā)生變化，因此大規(guī)模的風電場接入系統(tǒng)會導致一系列安全隱患的出現(xiàn)[2]。大規(guī)模的風電加大了電網(wǎng)調(diào)度難度，在大型風力發(fā)電系統(tǒng)應用開發(fā)設計中，儲能系統(tǒng)可以有效彌補風力發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定等缺點，同時可以進一步提高資源可循環(huán)高效再利用，避免或減少資源損失浪費等情況的出現(xiàn)。風電儲能聯(lián)合運行可有效增加風電場經(jīng)濟效益，但應注重做好儲能技術(shù)運用在風力發(fā)電場的系統(tǒng)開發(fā)和運行維護相關成本的綜合控制，逐步做到降低儲能結(jié)合風力發(fā)電技術(shù)開發(fā)和使用企業(yè)的研發(fā)運營成本。多數(shù)風力發(fā)電廠采用單一儲能技術(shù)，實踐中可能出現(xiàn)使用壽命短、儲能效率低等問題，應盡量提升系統(tǒng)能量的有效轉(zhuǎn)換率，同時開展多種儲能形式混合運用的試驗研究，結(jié)合各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點，優(yōu)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(jié)語

儲能技術(shù)對于保障風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)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(guī)模增長迅速，并占據(jù)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(tǒng)既能有效促進風電、光電消納，又可實現(xiàn)削峰填谷和減輕電網(wǎng)波動，進而提高電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)性以及安全穩(wěn)定性。配置儲能項目還可以將冗余電能存儲起來，增加經(jīng)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(jié)合的應用技術(shù)，研制開發(fā)新型儲能設備是儲能利用技術(shù)今后是否能夠真正應用于傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)的前提條件。