大容量電池儲能技術(shù)在風電中的應(yīng)用

標簽：輸變電 電力系統(tǒng) 電池儲能技術(shù) 風電并網(wǎng) 智能電網(wǎng)

1.引言

電力系統(tǒng)是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，發(fā)輸變電與配用電必須時刻保持平衡。而風能是一種間歇性能源，且風速預(yù)測存在一定的誤差，因此風電場不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性和連續(xù)性較差。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，任何微小擾動引起的動態(tài)不平衡功率都會導(dǎo)致機組間的振蕩，大容量儲能系統(tǒng)與風電機組結(jié)合，可以有效抑制或緩解風電的波動性，減小風電對電網(wǎng)的影響。而只要儲能裝置容量足夠大而且響應(yīng)速度足夠快，就可以實現(xiàn)任何情況下系統(tǒng)功率的完全平衡，這是一種主動致穩(wěn)電力系統(tǒng)的思想。由于這種與儲能技術(shù)相關(guān)的穩(wěn)定控制裝置不必和發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)共同作用，因此，可以方便地使用在系統(tǒng)中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時，由于這種穩(wěn)定控制裝置所產(chǎn)生的控制量可直接作用于導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩的源頭，對不平衡功率進行精確的補償，可以較少甚至不考慮系統(tǒng)運行狀態(tài)變化對控制裝置控制效果的影響，因此裝置的參數(shù)整定非常容易，對于系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的魯棒性也非常好。

2.電池儲能技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，日本、美國以及歐洲等發(fā)達國家對電池儲能技術(shù)投入較大，技術(shù)領(lǐng)先。日本在鈉硫電池的研究與應(yīng)用方面走在世界前列，日本礙子(NGKINSULATORS)從阿聯(lián)酋阿布扎比水電局獲得300MWNAS電池系統(tǒng)和中央監(jiān)控系統(tǒng)的訂單。2009年松下和松下電工與丹麥電力公司SEAS-NVE共同啟動旨在實現(xiàn)智能電網(wǎng)的實證實驗。東芝于2010年宣布接到?jīng)_繩電力2010年秋季將在宮古島開始的“離島微型電網(wǎng)系統(tǒng)實證試驗”相關(guān)設(shè)備的訂單，將構(gòu)建以蓄電池平衡功率變動劇烈的可再生能源負荷的新一代電力系統(tǒng)。三洋電機也在其“加西綠色能源園”導(dǎo)入了1.5MW•h的鋰離子電池，其他廠商也在積極參與電池儲能項目。歐美方面，2001年，加拿大VRBPowerSystems公司在南非建造了250kW的全釩液流儲能電池示范系統(tǒng)，實現(xiàn)了全釩液流儲能電池的商業(yè)化運營。VRBPowerSystems公司為澳大利亞HydroTasmaniaonKingIsland公司建造的與風能發(fā)電配套的全釩液流儲能電池于2003年11月完成，該系統(tǒng)儲能容量為800kW•h，輸出功率為250kW。2004年2月，VRBPowerSystems公司又為castleValley，UtahPacificCorp公司建造了輸出功率250kW，儲能容量2MW•h的全釩液流儲能電池系統(tǒng)。2006年底該公司開始為愛爾蘭建設(shè)迄今為止國際上最大的額定輸出功率2MW(脈沖輸出功率3MW)，儲能容量12MW•h全釩液流儲能電池系統(tǒng)。美國利用日本住友電氣工業(yè)公司和VRBPowerSystems公司的技術(shù)，分別建立了2MW和6MW的全釩液流儲能電池示范運行系統(tǒng)。

英國的Innogy公司2000年8月開始建造第一座商業(yè)規(guī)模的發(fā)電儲能調(diào)峰演示電廠，它與一座680MW燃氣輪機發(fā)電場配套，該電能存儲系統(tǒng)儲能容量為120MW•h，可滿足10000戶家庭一整天的用電需求。

德國EVONIK工業(yè)股份公司宣布將聯(lián)合戴姆勒汽車公司等研發(fā)機構(gòu)共同開發(fā)適用于風能和太陽能發(fā)電的大容量、低成本儲存的鋰離子電池電站，先期計劃在德國西部的薩爾州建造一個功率為1MW的儲能裝置。在大規(guī)模電池儲能裝置技術(shù)方面，我國起步較晚，與國外發(fā)達國家還有較大差距，主要表現(xiàn)在：一是設(shè)備容量規(guī)模還較小;二是設(shè)備的壽命短、利用效率低;三是設(shè)備的智能化水平薄弱。在儲能應(yīng)用方面我國距國外先進水平差距也很大，國外已經(jīng)有數(shù)十套儲能電站投入運行，國內(nèi)還沒有大容量電池儲能裝置的示范工程投入運行。

目前，我國電池儲能的應(yīng)用規(guī)模還很小，但隨著國家能源政策的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策逐步落實，其應(yīng)用規(guī)模預(yù)計也將逐步擴大。上海市電力公司已經(jīng)建設(shè)包括漕溪站、前衛(wèi)站、白銀站三個儲能示范電站，電力調(diào)度中心可以直接通過電網(wǎng)儲能管理系統(tǒng)對分布于各地的儲能站實施統(tǒng)一調(diào)度與遠程監(jiān)控。BYD在深圳龍崗建立了一座1MW(4MW•h)儲能電站。

國家電網(wǎng)所屬的新源控股有限公司與張家口市張北縣開發(fā)建設(shè)全國第一個風光儲能綜合示范項目，該項目總規(guī)模為風電500MW，光電100MW，儲能70MW。張北風光儲項目是世界上規(guī)模最大的風光儲三位一體示范工程，但是還沒有進入投運，目前已經(jīng)完成了一期工程方案設(shè)計，正在進行一期建設(shè)工作。

3.快速發(fā)展的風電對儲能技術(shù)的要求

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億kW。近幾年來，中國的并網(wǎng)風電迅速發(fā)展。截至2007年底全國累計裝機約600萬kW。

2008年12月，中國風電裝機總量已經(jīng)超過1000萬kW，位居世界第五，截至2011年3月中旬，我國風電累計裝機容量達4450萬kW，風電建設(shè)的規(guī)模居全球之首。這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。中國風力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。

在我國風電在建規(guī)模高居世界第一的同時，風電并網(wǎng)問題卻始終制約著我國風電的健康發(fā)展。有數(shù)據(jù)顯示，我國風電裝機累計并網(wǎng)3107萬kW，但仍然有近三成風電沒有并網(wǎng)這是由于風能隨機性和間歇性的特點，造成風電機組的出力頻繁波動，從而風電場的出力可靠性也差，風電比重過大，會使電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大，以及電網(wǎng)長距離送電的技術(shù)要求和運行成本急劇增大。因此，風電場大規(guī)模的并網(wǎng)接入對電力系統(tǒng)的運行也帶來一些新問題：

1)風電的隨機性及不可控性給電力系統(tǒng)規(guī)劃和穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn);

2)風電功率的波動特性與電網(wǎng)負荷的波動特性難以一致，使電網(wǎng)的調(diào)峰問題更加突出，對調(diào)峰容量和響應(yīng)速度都提出了更高的要求;

3)由于風速變化，風電機組容易引起電網(wǎng)電壓和功率波動問題，以及由其帶來的無功電壓控制和電能質(zhì)量問題。

風電具有間歇性和波動性與電力系統(tǒng)需要實時平衡之間矛盾，使得并網(wǎng)風電的波動需要通過常規(guī)電源的調(diào)節(jié)和儲能系統(tǒng)來平衡，成為長期困擾風電并網(wǎng)的主要難題。而蓄水儲能電站由于地理上的局限，不具有普遍的可獲得性，因此，引入可普遍應(yīng)用的大容量電池儲能裝置與風電場結(jié)合彌補風力發(fā)電的波動給電網(wǎng)帶來的各類影響是一種合適的技術(shù)選擇。通過儲能系統(tǒng)與風電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，不僅有效減小風電對系統(tǒng)的沖擊和影響，提高風電出力與預(yù)測的一致性，保障電源電力供應(yīng)的可信度，還降低電力系統(tǒng)的備用容量，提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，同時提高電力系統(tǒng)接納風電的能力。

4.國內(nèi)外對風電并網(wǎng)的要求

越來越多的大中型風電場相繼建成并投入運行，當風電所占比例逐漸增大后而風電場的功率波動會影響當?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動與閃變。對局部電網(wǎng)將產(chǎn)生明顯沖擊，嚴重時會引發(fā)嚴重事故。各國風電場并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定都對風電場的有功功率變化提出了要求，如：

1)Eltra和EltraElkraft要求并網(wǎng)風電場lmin的輸出功率變化小于等于風電場最大功率的5%。風電場能夠通過控制系統(tǒng)保證在2s內(nèi)降到額定功率的20%以下，EltraElkraf要求風電場每分鐘的功率變化率在10%～100%內(nèi)可調(diào);

2)而E.ON和ESBNG要求風電場輸出功率在任何時間內(nèi)都小于它的注冊容量。E.ON要求每分鐘功率降低最少要占額定容量的10%，ESBNG要求15min功率變化與風電場的規(guī)模有關(guān)，小于100MW的風電場每分鐘功率變化小于5%，小于200MW的風電場每分鐘功率變化小于額定容量的4%，大于200MW的風電場每分鐘功率變化小于額定容量的2%;

3)蘇格蘭并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定要求風電場輸出功率在合理的時間內(nèi)可以超出額定功率;

4)中國國家電網(wǎng)公司規(guī)定了風電場1min和10min的功率變化率，變化率與風電場的裝機容量有關(guān)，如小于30MW的風電場10min最大變化量為20MW，1min最大變化量為6MW;

5)Scottish要求風電場起停要滿足電壓質(zhì)量的要求，Scottish還要求風電場起停滿足最大功率變化的要求，而且不多于25%的額定容量可以跳開，并在30min內(nèi)分階段逐步退出。

5.大容量電池儲能技術(shù)對風電的平穩(wěn)作用

顯然實現(xiàn)有功功率最重要的調(diào)節(jié)手段是儲能，大功率、大容量的儲能系統(tǒng)能夠平抑風電的波動性和間歇性。儲能系統(tǒng)的容量達到一定規(guī)模時，將儲能系統(tǒng)與風電機組結(jié)合，可以有效抑制或緩解風電的波動性，減小風電對電網(wǎng)的影響。大容量電池儲能技術(shù)在風電并網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

1)平滑機組輸出：將電池儲能系統(tǒng)與風力發(fā)電機組相結(jié)合，在快速風速擾動下平滑風電場輸出，減少風電場輸出波動對電網(wǎng)的影響，降低風電波動對電網(wǎng)的沖擊。

2)提高風電輸出與預(yù)測的一致性：以儲能作為配合來調(diào)整輸出，根據(jù)風電場預(yù)測的出力曲線優(yōu)化出力，提高風電輸出可信度。

3)提高調(diào)度能力：采用儲能系統(tǒng)則可以控制風力發(fā)電輸出的有功功率和無功功率，用于電力調(diào)峰，使風力發(fā)電單元作為調(diào)度機組單元運行，而且具備向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應(yīng)等輔助服務(wù)的能力。

4)峰值轉(zhuǎn)移：利用大功率大容量儲能系統(tǒng)可以將不穩(wěn)定的風能電力收集起來并在適當?shù)臅r候?qū)⑵淦椒€(wěn)釋放，轉(zhuǎn)移峰值，降低對電網(wǎng)沖擊;

5)保證風力發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)可靠地供電：當環(huán)境因素或外部條件變化較快，風力發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定地輸出電能時，儲能系統(tǒng)中存儲的能量可以產(chǎn)生一定的能量和功率支撐作用，保證對負載持續(xù)、穩(wěn)定地供電。

6)系統(tǒng)運行可靠性及冗余度大大提高：多臺容量較小的并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)群控運行，使得系統(tǒng)可以根據(jù)各種新能源發(fā)電的特點，啟動不同數(shù)量的并網(wǎng)逆變器進行控制，這樣就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)電效率最優(yōu)，進一步提高系統(tǒng)可靠性和冗余度也將大大提高。

7)使風力發(fā)電具有可調(diào)度性：單純的新能源發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境因素的影響較大，因此，無法制訂特定的發(fā)電規(guī)劃。如果配置能量儲存裝置，就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此時發(fā)電單元的發(fā)電功率，新能源發(fā)電系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，實現(xiàn)向電網(wǎng)的饋電，并可以提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。只需按照預(yù)先制定的發(fā)電規(guī)劃進行發(fā)電。儲能裝置的容量越大，系統(tǒng)的調(diào)度就更加自由，就可以獲取更多的經(jīng)濟利益，但需要的投資也就越大，關(guān)鍵在于找到最佳經(jīng)濟平衡點。

6.結(jié)論

本文綜述了國內(nèi)外儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了中國風電在快速發(fā)展下所面臨的問題，提出大容量電池儲能技術(shù)在風電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，大容量電池儲能技術(shù)提供了具有很寬時間范圍的儲能功能，這些對解決風電并網(wǎng)，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量提供了新的思路和有效的技術(shù)支持。因此，世界各國，特別是發(fā)達的國家，都在積極開展這方面的研究。我們應(yīng)該充分利用我國豐厚的風力資源和電力體制改革的良好機遇.積極開展這一領(lǐng)域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運行提供新的技術(shù)支持。大容量電池儲能技術(shù)在清潔能源發(fā)電中起到越來越重要的作用。市場潛力巨大、具有越來越重要的經(jīng)濟價值和社會價值。