储能技术在大容量风电接入电网中的应用进展

摘 要：风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，是发展最快的新能源之一。然而，风力发电其自身间歇性、不可控、无调频能力、控制复杂等特点，使其接入电网后给电网带来一系列问题。因此，应用储能技术全面提升风电场的发电性能已经成为了一种共识。文章综述了几种常见的储能技术，分析了各自的优缺点，介绍了典型的储能示范项目。最后提出储能系统功率特性的持续提升、储能成本的降低与储能和风力发电系统的高级集成将是未来的重点发展方向。

关键词：储能技术；风力发电；电池特性；储能经济性；储能示范工程

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0008-03

近年来，随着风电装机容量占全网容量比例的增大，风电场的并网管理已经成为一项重要课题。由于风能具有随机性、间歇性的特点，因此风电场输出有功功率存在着很强的波动性，很难满足电网对于电源调峰调频的要求。现阶段，国内外普遍认识到，为大型风力发电场添加储能设备是一种改善发电特性的重要途径，在技术研发和电场应用方面已经有较多的实践成果。本文将从应用策略、储能技术特性和示范工程三方面阐述储能技术在风电并网中的应用进展。

1 储能技术在风电并网中的应用策略

现阶段储能技术在风电并网中的主要应用有如下几个方向。

1.1 平滑功率输出

储能系统现阶段最主要的功能就是在风电场出力超过电网消纳能力的状态下储存多余电量，在风电场出力低于电网并网要求的状态下释放已有电量，达到削峰填谷平滑输出的目的。目前，许多国家对风电功率波动平滑控制进行了比较深入的研究，根据理论模拟与实际运行经验，提出了应用储能系统平滑风电波动的运算法则以及评估标准，能够根据成本/性能比得出最佳的电场容量与充放电策略。

1.2 调频与平衡机制

在运行电力系统时，为实现AGG（自动发控制）对电网频率和联络线功率的控制，通常采用调节调频电源有功出力的方式。储能系统的优点是能准确且快速地控制功率输出，满足电网调频的要求。全球已统进行了大量的实验、理论方面的研究，并经过实际测试表明，通过充分利用高性能调频电源能有效提升系统调频的整体经济性和运行效率。北美地区已率先规模化使用新型储能系统。

1.3 电压调节作用

储能系统能够通过调整并网点处的无功功率输出，以较好地实现电压调节功能。尽管越来越多的风力发电机组也具有电压调节的功能，但如果需要在风电场不能发电的情况下也能够发挥这种作用，就必须安装储能系统。

1.4 改善电能质量

在很多情况下，风电场一般位于电网末端，并与配电网直接相连，这就使得风电引起的电能质量问题显得尤为重要，例如电压波动和闪变则是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。有学者采用超级电容器平抑风电有功功率快速波动从而抑制闪变的方法，设计了超级电容器的控制策略，仿真结果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。

1.5 提高预测水平

有研究表明，在通过预测的风速值计算风电场向电网发送的功率，并将预测值提交到电网调度机构的同时，可以在风电场的出口处接入电池储能系统。快速响应弥补风电场实际发出功率与预测功率的误差，从而提高电网依据风功率预测进行风电场发电调度的可信性，改善了风电场与电力系统之间的协调运行能力。

目前，我国许多地区的电网调度部门已经提出了建设“友好型风场”的概念，其主要目的就是适应大规模风电并网形势，有效提高风电利用水平。在这种条件下，使用储能技术全面提升风电场的发电性能就有很强的实用价值。

2 常见储能技术的特性

储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能等四大类型，文章主要介绍几种常见的储能技术。

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能因其简单的工作原理，发展最早且技术最成熟，已广泛使用在调频、调相及紧急事故备用等领域。当电网负荷处在峰值时，通过发电机将上游水的势能转化为电能；当电网处在低负荷状态时，可通过发电机将下游的水抽到上游，使电能转化为势能储存起来。但这种方式也存在着缺点，比如抽水高度过高时，能量转化效率极低且管道铺设困难大，需较大资金的投入。

2.2 飞轮储能

飞轮储能是电能与动能之间的转化，转子系统、轴承系统和能量转换系统三个部分构成飞轮储能系统的主要部分，转子系统使飞轮快速旋转起来，轴承系统起到支撑的作用，而能量转换系统可使电能与动能相互转化。飞轮主要用在电网调频和电能质量保障领域。与抽水储能相比，飞轮储能具有技术成熟度更高、维修成本低、寿命长及污染少等有点，但是飞轮储能的能量密度很低、自放电率高，如果充电停止，能量会在短时间内自行耗尽，并且对设备的要求非常高。在电网处在低负荷状态时，将多余电能转化动能储存起来；当电网负荷处在峰值时，将储存的电能释放出来。

2.3 压缩空气储能

压缩空气储能是电能与空气热能之间的转化。压缩空气储能是指在电网负荷低时将电能用来压缩空气，使电能转化热能，后将压缩空气储存在高压储气罐中，电网负荷高峰时将高度压缩的空气释放出来，使热能转化电能。压缩空气储能主要用于冷启动、黑启动、平衡负荷、调制频率等领域。压缩空气储能与飞轮储能一样能量密度低，与抽水储能相似一样要受到地形条件的制约。但它的成本很低，安全系数大。压缩空气小型化及提高储能压力是将来的发展趋势。

2.4 铅酸蓄电池

铅酸电池经过上百年的发展，其技术已经相当成熟，由于具有能储电容量大、放电性能卓越、材料价格优廉等优点，在电动车、电站备电站、便携式电源等领域使用广泛，市场占有率非常高。但它寿命短限制了使用次数，最大的缺点是污染环境，这是最为人所诟病的地方。