储能技术在风力发电系统中的应用研究

高福伟

（国华(临朐)风力发电有限公司，山东潍坊，262600）

0 引言

在现代化时代背景下，社会需电量逐年增加，据国家能源局数据统计，2020年风电并网装机容量在新能源总装机容量中占37.5%，全年风力发电量为4665亿千瓦时，同比增长15%[1]。在大力发展新能源发电的“双碳”战略指导下，电网调频、调峰需求增大，在此形势下，风力发电系统将进一步稳定发展，通过储能实效消纳，避免资源浪费，充分利用风力资源，必须根据风力发电系统实际情况配置储能系统，用于调节电力供给情况，提升电力系统稳定性。

1 常见储能技术类别及其特点

风力发电具有成本低、技术成熟、环保节能的优势，在新时代电力系统的地位逐渐提升，风力发电量逐年增加，然而风能存在一定波动性，即风能大小不可控，为提升风力发电供给稳定性，需借助储能技术进行调频、调峰。

■1.1 飞轮储能技术

飞轮储能技术主要是借助电能驱动带动装置圆盘旋转，实现电能到动能的转化，所生成的动能将被存储在装置加速质量块中，需要发电时，飞轮将凭借自身动能为发电机提供能源，继而实现动能到电能转化。在传统化飞轮储能期间，将产生大量耗损，为解决耗损问题，逐渐将超导磁悬浮技术应用到飞轮储能装置中，借助新型复合材料增强储能密度，并缩减储能装置体积。飞轮储能的能量转化率约为90%，仍存有上升空间，但飞轮储能具有无污染、保养维修便利、不限次充放电等优势，因此，在风电系统中，飞轮储能技术仍具有较强应用空间。随着发电产业与电力系统的发展，飞轮储能技术得到进一步开发，借助飞轮储能用于补偿发电功率短期变化情况，维持电力系统稳定性，同时，积木式组合飞轮储能方式被提出，极大提升了飞轮储能充放电效率。在大规模并网形势下，为保持并突出飞轮储能优势，逐渐将飞轮储能的研究目标集中在并网型飞轮储能系统研究中，引入新型微损耗轴承及高强度飞轮材料，提升飞轮储能系统性能，使飞轮储能系统趋向高转速、大容量、模块化发展。此外，为确保飞轮储能能够在风力发电系统中得到良好发挥，近年来还注重飞轮装置转子结构对应力、储能密度的作用，致力于调整优化转子结构改变飞轮半径、最高转速、储能总量，使飞轮储能技术能够良好适应于风力发电系统。

■1.2 超导储能技术

超导储能技术主要借助磁场能量进行存储，即在储能过程中，运用超导体线圈介质，借助直流电流形成的磁场进行储能，当需要电能时，将磁场内电能放出即可，因此，该技术又被称之为超导磁体储能。能够在较短时间内完成高功率储能[2]。超导储能技术能够长时间储存电能，且储能期间的能量损耗较低，有效提升了能量利用率（约为95%）。超导储能系统最显著的特点在于动态性强，能够根据电力系统指令快速反应，故而在各领域中得到广泛，其在风电系统多用于频率调节、功率补偿等方面，能够极大提高供电稳定性。

■1.3 蓄电池储能技术

蓄电池储能技术为传统化储能手段，经长期开发与探索，蓄电池储能出现多种类型，并在多领域中得到广泛应用。随着蓄电池储能的发展，电池存储容量逐渐提升，大幅度提高了蓄电池应用价值。（1）铅酸蓄电池。该类蓄电池存储容量已达20MW，远超蓄电池初期发展水平，因铅酸蓄电池可靠性高、制作成本低、环境要求低，故而在风力发电系统中较为常见。铅酸蓄电池在环保与资源再利用方面存在劣势，当铅酸蓄电池使用寿命结束后将不具备任何用途，且铅酸蓄电池在降解期间无法无公害化处理，若处理不当则会污染环境，与新时代生态环保理念相悖。（2）镍氢电池。该类电池最早于2008年在北京用于混合电动车，在实际应用期间发现，镍氢电池能量转化情况与周围环境存在紧密关联，即受环境影响大。若在电流较小的情况下，放电时的能量密度至少为80kWh/kg，但若电流较大，放电时的能量密度降至40kWh/kg。（3）铿离子电池。该类电池同样受环境影响较大，且制作工艺复杂，故而在风力发电系统内不适用。（4）全钒液流电池。汞在电解液环境中将产生化学反应，在电极表面进行氧化还原，继而完成蓄电池的充放电。在钒液流电池实际应用期间，其高效率、低成本的特点逐渐被业界关注，现已取得一定成效。

■1.4 超级电容器储能

超级电容器储能以电化学双电层理论为基础，在实际运用期间，将产生巨大脉冲功率，使电力表面始终处于最佳状态，当充电时，电解质异性离子在电荷吸引力驱动下吸附于电极表面，此时将产生双电荷层。超级电容器储能技术的装置结构较为简单，且无毒性物质产生，环保性得到保障，此外，超级电容器储能方式所产生的电流较大，充电时间相对较短，在充放电循环期间能够保持上述优势，但超级电容器储能同样存在一定劣势，超级电容器储能对充电期间的电压具有较高要求，而单个电容器电压无法满足高效充电需求，故而在风力发电系统中，超级电容器储能多用于调节短时大功率平滑情况。

■1.5 其他储能技术

除上述常用储能技术外，现阶段应用较为广泛的还有氢燃料电池储能、压缩空气储能、抽水储能等。其中氢燃料电池储能成本相对较高，但环保性强、性能优异，受限于成本与技术，现主要被应用在航天航空领域，但随着技术的成熟发展，现已认识到氢燃料电池储能技术在风力发电系统中的较大潜力，现已逐步在风力发电系统中得到应用。压缩空气储能需借助燃气机实现，该储能方式具有较高能量转化率，可降低能量耗损，现在风力发电与电力系统中多用于储能调峰。抽水储能现阶段在风力发电与电力系统主要起到集中发电、系统调峰的效果，但抽水储能对地理条件要求高，需建设配套抽水蓄能电站，故而存在一定局限。

2 风力发电系统中储能技术的具体应用

为深入了解储能技术在风力发电系统中的应用，将以前瞻性眼光分析风力发电系统中储能技术应用，主要探讨风力发电系统中的先进新型储能技术。

■2.1 氢燃料储能

氢燃料储能主要凭借电化学装置来实现，将氧化剂、燃料内的化学能转化为电能，在“双碳”战略目标及可持续发展战略指导下，氢燃料储能技术逐渐被应用到风力发电系统中。氢燃料储能容量无上限，以电解质为划分依据主要可分为直接甲醇燃料储能装置、质子交换膜燃料储能装置、碱性燃料储能装置，各类储能装置均由阳极、阴极、电解质构成，工作原理相似，仅电解质存在差异。在风力发电系统内，质子交换膜燃料储能方式应用最广泛。在质子交换膜燃料储能装置运行期间，燃料气体与氧气穿过双击板气体通道后进入两极，经过膜电极部位扩散区域后进入催化层，此时氢气将在膜阳极催化剂作用下分解为水、质子与电子，水与质子穿过质子交换膜磺酸基进入阴极，而电子穿过外电路进入阴极，最终，电子、质子与水在阴极催化剂作用下，与氧分子产生反应，在一系列化学反应中完成电能存储及充放电过程，同时在压缩化、液化、金属化储能方式应用下实现长期储能，效果显著[3]。在风力发电系统内，氢储能装置由氢储罐、电解槽、燃料储能装置构成，当风能充足时，电解槽通过电解水产生氢气，并将在氢储罐存储，待储满氢后，此时的多余电力将转出成为负载，当风力发电赤字时，氢储能装置将进行氧与氢的反应，继而生成电能，弥补系统负载，保持电力系统稳定。现阶段对氢燃料储能的技术研究逐渐深化，技术难关逐渐被攻克，同时，相关组件成本不断降低，使氢燃料储能技术的大范围应用更为可能。

■2.2 双电池储能

现阶段主要有两种缓解风电功率波动的方式，即借助储能装置与功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用储能装置，但无法确保风能采集应用效果，而运用储能装置搭建储能系统，能够良好采集风力发电量，通过电能存储，为电网输送稳定电能。电池储能效果优异，故而在风力发电系统中得到广泛应用。近年来，电池储能技术发展迅速，为延长电池储能装置使用寿命而提出双时间尺度协调控制的方式，用于控制风电功率波动，确保电池储能装置能够在风电系统中发挥良好作用。此外，为缩减系统运行成本而出现了大型电池储能装置，由多个电池组成，通过双层控制方式调节风电功率波动，并配置不同电池储能单元的功率，在此基础上，逐渐出现了双电池储能技术，由两个电池装置构成，分别用于充电与放电，当实际风电功率高于电网调度功率时，充电电池将始终保持充电状态，当实际风电功率低于电网调度功率时，充电电池将停止工作，而放电电池进入工作状态，两个不同功能的电池充放电状态根据实际风电功率而切换，因状态切换由两个电池单独进行，可避免单个电池装置进行状态切换的弊端，相较于单个电池装置，能够有效延长电池储能装置使用寿命，并优化调度功率，使不稳定性风电能够持续化送入电网。

■2.3 混合储能技术

现阶段风力发电系统的主要储能装置为蓄电池，但蓄电池装置寿命较短、功率密度较低、维护难度高，还易产生环境污染，为解决该问题，可将蓄电池装置与超级电容器方式相结合，形成混合储能技术。超级电容器储能装置使用寿命长，功率密度及功率效率较高，且无需维护，能够与蓄电池储能通过无源式结构、有源式结构进行互补式并联，继而构建混合储能装置。混合储能装置集合两种储能方式的优势，有效延长储能装置使用寿命，兼顾经济性与技术性，并保障了能量转化效果，由此可见，混合储能装置在风力发电系统中具有较强应用价值。当风力发电系统运行状态出现异常时，混合储能装置能够快速响应并投入到风力发电系统运行中，快速进行充放电，用于弥补并网负荷高峰阶段的电力缺口。超级电容器能够有效带动蓄电池进入充放电状态，根据风力发电系统实际情况进行“削峰填谷”，以此保障风力发电系统平衡，提升供电可靠性。

■2.4 碳纳米管超级电容器

超级电容器由电解质、极板、隔离物、电流采集装置构成，能够通过电解质极化完成储能。超级电容器与蓄电池储能方式类似，在充电期间采用离子形式存储电荷，达到储能效果。传统的超级电容器多采用金属氧化物、活性炭纤维等材质作为电极材料，随着超级电容器的发展，因碳纳米管的导电性、化学稳定性、机械强度更高，故而现阶段多采用碳纳米管超级电容器作为风力发电系统的储能方式。在风力发电系统中，碳纳米管超级电容器能够实现十万余次深度充放电循环，电能储备效果显著，且使用寿命相对较长，因此，碳纳米管超级电容器在风力发电系统中尤为适用。

3 储能技术在风力发电系统中的未来应用前景

现阶段社会各领域发展均重视新能源的应用，在发电产业中，在“双碳”战略目标指导下，火力发电量在总发电量中的占比逐渐降低，风能作为新能源的一种，其装机数量及发电量逐渐提高，在整个发电产业中的占比持续增高，在此形势下，诸多风电企业着手研究风电场储能装置或储能型风机，因此，在未来发展中，风力发电系统的储能技术将快速发展。储能技术在风力发电系统中的应用效果不仅限于“削峰填谷”，其经济效益仍有待挖掘，例如：能否使前期投入成本与后期“弃风量”达到“收支平衡”等[4]。同时在新时代电力系统发展中，提出并搭建了风光互补发电系统，采用风力发电、太阳电池方阵两种方式完成风光互补电站的发电任务，使太阳能与风能可在不同场景配合发挥效果，通过互补方式消除可再生能源发电的不稳定性，在此形势下，需根据风光互补电站运行规律做好储能装置的配备，以此实现全天候发电。除此之外，蓄能装置的回收与再利用同样为未来发展重点，实现蓄能装置回收再利用后，将大幅度提高各类储能技术的应用价值。近年来，为促进光伏、风电发展，储能装置的研发项目持续推进，力图提升储能装置带来的全年收益、调峰收益，使风力发电系统储能能够兼顾技术性与经济性。

4 结束语

综上所述，飞轮储能技术、超导储能技术、蓄电池储能技术、超级电容器储能等传统储能技术，在未来风力发电系统中，氢燃料储能技术、双电池储能技术、混合储能技术、碳纳米管超级电容器储能技术将得到广泛应用，进一步提高风力发电系统储能容量，增强储能性能，提高储能稳定性。在未来发展中，储能技术的作用将不仅限于“削峰填谷”，在保障技术优势的同时，还可进一步挖掘经济效益。