风电储能联合运行技术应用前景的探讨

曹辰雨

（京能招标集采中心有限责任公司，北京 102300）

随着世界社会经济形势的快速发展，越来越多的发达国家和地区已开始日益重视资源环境保护，全球气温迅速变暖温室效应等现象都严重影响着全人类的生活。为了尽快改善地球当前生活环境，一些研究机构和社会团体对于绿色新能源项目的开发研究投入在不断地增加。为解决风力发电系统规模应用给电网带来的一系列问题，风电储能联合运行技术已成为最新的研究热点。

一、风力发电现状分析

风电作为一种新能源，其工作方式是利用相关设备将风产生的动能转化成为电能，而风能是一种清洁的、可再生能源，近些年来在世界范围内受到各个国家的重视。截至2022年底，全球风力发电装机容量已经超过了900GW，而我国是全球最大的风力发电市场，风力发电装机容量约为350GW，占世界风力发电装机容量的38%。

近年来，风力发电技术取得了巨大的突破，发电机组的效率不断提高，发电成本也逐渐降低。风力发电机组的尺寸也越来越大，单个风力发电机组的装机容量已经超过了10MW。通过传感器、物联网和数据分析等技术手段，风力发电机组的运维管理变得更加智能化，可以实时监测机组的运行状态、预测故障并进行维修，提高了风力发电机组的可靠性和运行效率。同时，风力发电与其他可再生能源（如太阳能、水能等）的结合，形成了混合能源系统，这种系统可以更好地利用不同能源之间的互补性，提高能源利用效率，并且可以实现能源的稳定供应。此外，风力发电技术还在不断创新，如离岸风电、垂直轴风力发电等新技术的应用，进一步推动了风力发电行业的发展。

风力发电技术仍存在以下问题：

（1）不稳定的发电能力：由于风速的变化，风力发电机组的发电功率会波动。在风速较低或过高的情况下，风力发电机组的发电能力会受到限制，这种不稳定性给电网的运行带来了挑战。

（2）地理局限性：风力发电需要具备适宜的地理环境，如较高的风速和广阔的开阔地区。这限制了风力发电的地理分布，使得一些地区无法充分利用风能资源。此外，风力发电机组的建设也需要大量的土地空间，这在一些相对拥挤的地区可能会受到限制。

（3）储能和输电问题：风力发电的不稳定性和地理局限性使得储能和输电成为一个挑战。由于风速的波动性，风力发电机组产生的电能可能会超过或不足以满足电网的需求。因此，需要储能技术来平衡供需，并将多余的电能储存起来以备不时之需。此外，由于风力发电机组的分布通常较为分散，输电线路的建设和维护也是一个挑战。

（4）成本问题：尽管风力发电成本在过去几十年中有所下降，但仍然相对较高。风力发电机组的建设和维护成本较高，需要很长时期才能收回投资。

总体来说，风力发电技术在可再生能源领域具有巨大的潜力，但仍然存在一些问题需要解决，储能技术的出现在一定程度上解决了风力发电不稳定的现状。

二、储能技术的特性和分类

1.飞轮储能系统

飞轮储能系统是一种将电能转化为动能后进行储存，在需要的时候再将动能释放转化为电能的储能方式。其基本工作原理是通过储能方式把其中一部分电能先转换为驱动飞轮进行高速旋转运动过程中所需要的动力，进而将能量以动能形式长期储存，在需要释放能量时，利用飞轮储能系统把飞轮进行低速回转运动中储存着的这部分动能全部转换为电能，从而可以为用户侧的电力设备系统提供一种可靠且持续运行的高效电力能源。飞轮储能系统具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、寿命长、无污染和维修费低等优点。

2.超导储能系统

超导储能系统与上述的飞轮储能系统在工作原理上存在着差异性，其主要工作原理是由超导线圈将电磁能直接储存起来，在用户侧有使用需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种储能方式。超导线圈储能技术与其他储能方式相比具有一些技术优点：超导线圈进行能量释放时产生的电能传送和反应速度较快，在完全无功率损耗的能量传输状态下，运行该系统时基本不用另外再去进行其他各种能量形式参数间的相互转换，储能过程转换速度快、功率消耗小、容量大，储能系统效率明显高于飞轮储能系统；超导储能系统可以将能量长时间储存，并可以保证储能过程中不会有任何能量损耗；超导储能系统在建造时选址较为灵活，可忽略建设地点条件因素的限制，同时后期维护方便简单，设施整体污染较小。

3.蓄电池储能技术

(1)铅酸蓄电池

由于国内外对铅酸蓄电池产品在电力系统储能方面的应用已经有了较为系统和深入的研究，因此蓄电池储能相关技术应用具有较其他储能方式更高的成熟度，并且应用范围也最为广泛。铅酸蓄电池能提供的最大能量密度相对较低，价格方面一般不会过于昂贵，建成后的使用维护成本相对较低，技术与应用已经十分地接近于成熟，因此有着大量的商业成功案例。随着我国的铅酸蓄电池行业市场规模的不断壮大与发展，其产品也是逐渐地创新演变为主要采用以密封型材料结构为主的形式，是一种免维护的储能新型技术产品，目前最大储能产品容量可达约40MW。在密封形式和阀控型等设计方面的进一步优化的基础上，为铅酸电池回收系统设备的高效稳定运行提供了强有力的技术保障。但是铅酸储电池应对极端外部环境条件或其他某些影响因素的问题上存在着一定的不足，这也导致了产品的应用范围会受到一定程度的制约。

(2)钠硫电池

钠硫电池有着能量密度高、功率高等特点，但同时存在安全性及生产成本较高的问题。随着对钠硫电池研究的进一步开展，目前，其在削峰填谷、可再生能源并网、输配电领域有着广泛应用。钠硫电池安全性较差，因其原材料易燃，在使用过程中应特别考虑安全性。

(3)锂聚合物电池

锂聚合物电池是一种结构类型最为特殊的新型聚合物电池，具有能量高、小型化、轻量化的特点，容量比同样大小的传统锂离子电池高出一倍，同时不容易形成自放电现象。但是因为存在对环境温度因素影响较为敏感以及对技术工艺要求过高等原因，同时电池产品的平均理论使用寿命远远低于常规电池产品，大容量蓄电池和电池集成装置供电线路的研发制造生产技术难度较大，生产安装与检修维护的成本费用较高，这些都使这种大容量新型储能电池装置在我国短期内可能很难在电力系统装备中形成大规模应用。

三、储能技术在风力发电系统中的应用及前景

我国的风力发电技术已实现大规模应用，随着技术的发展，风力发电机组容量也日趋增大，随之而来的对并网产生的不利影响也日渐严重。目前，我国建成的1000万千瓦级风电基地中，大部分处于电网末端，电网结构较为薄弱，风力发电的输出功率的不确定性限制了风电的发展[1]。现阶段，应用在风力发电系统中的储能技术主要有：抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导储能。以上储能技术在对应用场所要求、能量密度、安全性、制造成本等方面存在一定问题。因此，研究新型储能技术已成为主要解决方案。

风电具有不确定性和反调峰性等特点，风能的不确定性会导致风电场出力随机发生变化，因此大规模的风电场接入系统会导致一系列安全隐患的出现[2]。大规模的风电加大了电网调度难度，在大型风力发电系统应用开发设计中，储能系统可以有效弥补风力发电不连续、不稳定等缺点，同时可以进一步提高资源可循环高效再利用，避免或减少资源损失浪费等情况的出现。风电储能联合运行可有效增加风电场经济效益，但应注重做好储能技术运用在风力发电场的系统开发和运行维护相关成本的综合控制，逐步做到降低储能结合风力发电技术开发和使用企业的研发运营成本。多数风力发电厂采用单一储能技术，实践中可能出现使用寿命短、储能效率低等问题，应尽量提升系统能量的有效转换率，同时开展多种储能形式混合运用的试验研究，结合各种储能技术的优缺点，优化储能设计方案，可以有效提高能源利用率，降低维护成本。

结语

储能技术对于保障风力发电系统的动态稳定性、可靠性起到非常重要的作用，以风电、太阳能为主的新能源装机规模增长迅速，并占据着越来越大的比重，但是因其出力随机性、间歇性等特点，使得这些新能源的利用受到了制约，配置储能系统既能有效促进风电、光电消纳，又可实现削峰填谷和减轻电网波动，进而提高电网运行的协调性以及安全稳定性。配置储能项目还可以将冗余电能存储起来，增加经济效益。因此积极研究风电、太阳能等可再生能源与储能相结合的应用技术，研制开发新型储能设备是储能利用技术今后是否能够真正应用于传统风力发电系统的前提条件。