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4 大规模储能技术在风力发电中的应用研究【国网联合】

大规模储能技术在风力发电中的应用研究

王文亮,秦明,刘卫

(国电联合动力技术有限公司风电设备技术研究所,北京 100044)

摘要:风力发电输出功率具有随机性和间歇性等特点,决定了其要大规模发展必须有先进的储能技术作支撑。本文详细分析了我国大规模风电并网所面临的问题,为应对风电并网所带来的问题,分析了大规模储能技术应用于风电中可以平滑风电输出功率、增强系统稳定性、“削峰填谷”以及发挥风电分布式供电优势等方面的优势和所带来的经济效益;详细分析了可适用于风电的储能技术的种类与研究现状,并根据各种储能技术的优缺点分析了储能技术发展趋势;指出了大规模储能发展所面临的体制和政策制约并给出了建议。

关键词:储能技术;风力发电;功率波动;电压稳定

Research on application of Large-Scale Energy Storage

Technology in Wind Power

WANG Wenliang,QIN Ming,LIU Wei

(Guo Dian Unity Power Technology Company Ltd, Beijing 100044, China)

Abstract: The random and intermittent characteristics of wind power output power determine that the large-scale development of wind power must be to have the support of advanced energy storage technology. The challenges for large-scale wind power integration ale summarized. With regard to the problems in system stability,low voltage ride-through (LVRT)ability of wind turbines,peak load shifting, distributed power advantages and economical operation of the power system, the recent progress of solutions based on the energy storage technology is discussed. The applicable wind power types of energy storage technologies and research status is analyzed in detail, and the trends of various energy storage technologies are introduced according to their advantages and disadvantages. The organization and policy constraints are illustrated which the development of large-scale energy storage technology faced, and some policy suggestions are proposed for the application of energy storage technology.

Keywords: energy storage technology, wind power, power fluctuation, voltage stability

1 引言

随着常规化石能源的消耗和环境污染日益严重[1],世界各国都纷纷出台各项政策,大力支持发展可再

作者简介:王文亮,男,硕士研究生,研究方向为储能系统与风力发电控制技术,联系电话:151********,E-mail:wangwenliang@http://www.wendangku.net/doc/f9452bd149649b6648d747c4.html

生能源,强力推进节能减排,打造低碳经济。在目前已经开发利用的可再生清洁能源中,风力发电是发展最快,技术最成熟,也是最具有大规模开发利用前景和市场竞争力的发电方式[2]。

近些年来,我国风力发电发展迅猛。据全球风能理事会消息,2009年全球风电总装机容量达到157.9 GW,但新增装机容量中有近三分之一来自中国。中国风电装机容量连续第5年实现100%增长,2009年增加到了26.1 kMW,超过德国成为全球第二大风电国家。按照中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的估计,2010年底,中国风电装机容量有望超过欧美,成为世界风电第一大国,预计到2020年我国风力装机容量将达到1.5亿kW。

众所周知,风电具有随机性、间歇性特性,大规模风电并网将给电力系统带来一系列挑战,严重影响了电力系统运行的稳定性、电能质量以及经济性[3]。随着我国风电大规模发展,风力发电在电力系统中所占的比重将会越来越大。研究表明,如果风电装机容量占电网总容量的比例达到20%以上,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。我国多数风电场由于位于电网末梢,电网建设会相对薄弱,风电场输出功率的波动严重时可能导致电网系统崩溃。因此,风电大规模发展必须有大规模先进储能技术作支撑。对于并网风电系统,配套适当容量的储能系统,可以在很大程度上解决风力发电的随机性、波动性问题,平滑风电输出功率,提高风电的可控性,保证风力发电连续性和稳定性,减小风电输出功率波动性对电网的影响,使大规模风电能够方便可靠地并入常规电网,很好解除风电场难并网运行的瓶颈;通过合理配置还能有效增强风电机组的低电压穿越(LVRT)能力,增大风电穿透功率(WPP);同时可以用于电网的“削峰填谷”,降低电网调峰负担,增加风电的经济效益和使用价值。对于风电离网系统,配套适当容量的储能系统,可以充分发挥风电分布式供电优势和风力发电的作用。

本文首先指出了风电发电并网所面临的问题,在此基础上详细分析了储能技术用于解决相关问题的可行性,介绍了适合风电的各种储能技术的研究现状与发展趋势。并根据我国大规模储能技术发展所面临的制约,提出了相对应的建议。

2 大规模风电并网所面临的主要问题

2.1 电压、频率稳定性问题

风电场由于受风速所固有的随机波动性和间歇性的影响,其输出功率会随机波动,因此,大规模风电场并网会影响电力系统稳定性。特别是定速异步风电机组和现在主流双馈机型,由于异步风电机组在启动及运行过程中需吸收大量无功,从而导致风电场接入电网公共点的电压波动,引起闪变,对于电网薄弱地区很容易引起电网电压稳定性问题;而在有功备用不足的孤立电网中,过高比例的风电将会导致系统调频困难,频率稳定问题突出。

2.2 低电压穿越问题

目前,我国已并网运行的风电机组主要有异步电机、双馈电机和永磁同步电机三种,风电机组还不具备常规机组所具有的低电压穿越能力,抗电网故障能力弱。当电网故障或受到冲击时出现电压闪变时,风电机组往往为保护机组自动切除,使电网故障处理变得更加困难,有可能导致事故扩大、甚至引发电网电压崩溃,严重威胁电网的安全运行[4]。

随着风力发电大规模发展,风电渗透率不断增加,目前世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格。国家电网2009年印发了《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》中明确指出,风电场在任何运行方式下,应保证其无功功率具有一定的调节容量;当风电场并网点的电压偏差在正负10%之内时,风电机组应保持正常运行;在电压跌落至20%时要求机组并网运行625 ms;当跌落发生3s 内能够恢复到额定电压的90%时,风电机组保持并网运行的低电压穿越要求。这就要求风电机组在电网故障时必须具备一定的低电压穿越能力,并能向电网提供一定的无功以支持电网电压。

2.3 电能质量问题

当前双馈、直驱主流风力发电机组发电机的调速或调频装置均放置在发电机中间或其后端,采用的是部分变频或全功率变频,发出的交流电波形必然受到变频器的PWM调制影响产生一定的谐波污染,从而导致电压波动与闪变、谐波等电能质量问题。虽然通过改进调制波形的方法会有所改善,但很难达到传统火电和水电机组那样由绕组布置决定波形的效果。另一方面,风速的随机变化以及风电机组本身固有的塔影效应、风剪切、偏航误差等均会导致风电场接入电网公共点的电压波动,进而引起闪变等电能质量问题。因此,对电能质量要求较高的地区,风电引起的电能质量问题值得关注。

3 大规模储能系统在风电中的应用

3.1 平滑风电输出功率,提高系统稳定性和电能质量

据报道,我国2008年以后建设的风力发电场基本上没能正常并网运行。储能系统能够快速吸收和释放有功及无功功率,平滑风电输出功率,可以使单位时间发电量控制在一个较为稳定的区间内,提高风电的可控性,保证风力发电连续性和稳定性,在很大程度上解决了风力发电的随机性、波动性问题,减小风电输出功率波动性对电网的影响,使大规模风电能够方便可靠地并入常规电网。

文献[5]研究结果表明了采用电池储能系统能够有效改善并网风电场电能质量和稳定性;文献[6]研究结果表明采用超导储能系统有效改善了系统频率稳定性问题;文献[7]提出利用飞轮储能系统提高并网风电场电能质量和稳定性;文献[8,9]研究了采用超级电容储能系统平滑风电场有功功率及相关控制策略,结果表明,超级电容储能系统能有效改善风电输出功率与系统频率的波动。

可见,风电通过配套具备快速响应能力和高功率释放或吸收能力的储能系统(如电池储能、超导储能、飞轮储能和超级电容储能等储能),加以采取适当的控制策略,能够有效平滑风电输出功率,提高风电并网系统的稳定性和电能质量。

3.2 利用储能系统增强风电机组LVRT能力

研究结果表明,可以通过改进控制策略或增加硬件电路来提高目前主流风电机组LVRT能力,但是通过改进控制策略只能降低电网故障时风电机组的暂态过电压、过电流,不可能从根本上解决故障过程中的产生的过电压、过电流问题,而增加硬件电路则能从根本上解决风电机组故障期间的过电压、过电流问题,极大地增强风电机组的LVRT功能。先进储能技术的发展应用,为提高机组LVRT能力问题提供了较好的解决方案。文献[10]研究结果表明,在双馈风电机组变流器直流侧并联储能系统要比通过改进电机磁通Flux的控制策略来控制转子电流提高风电机组LVRT能力效果好。文献[11]说明了采用STATCOM/BESS (电池储能系统)能有效增强风电机组LVRT能力,保证风电机组不受过电压、过电流的损害,实现增强风电机组LVRT功能的目标[12]。

可见,通过增加具有快速响应的储能系统和采用合适的控制策略,在电网故障时,可以快速吸收多余能量以保护风电机组免遭损坏,有效提高风电机组LVRT能力。

3.3 用于电网的“削峰填谷”,降低电网调峰负担,提高风电利用的经济性

我国大部分地区的风力资源中夜间的风往往强于白天,而从我国的电网负荷来看,白昼有一个长达十几小时的高“峰”,夜间有一个数小时的深“谷”,“谷”期的负荷甚至不及“峰”期的一半。即风力强时正是电网用电低谷,电价大约是白天电价的三分之一,此时上网的风电越多,电网公司的经济损失就越大,燃煤电厂因电网“调峰”需要而减发的任务也加重。如果风电场配套大规模储能系统用于电网的“削峰填谷”,在用电“谷”期将多余的风电储存,充分利用风能,辅助设备容量也会大幅度降低,成本也随之降低;在用电“峰”期将储存的电能售给电网,上网电价可以达到“峰”期的市价,或至少较容易达成协议。可见,风电与大规模蓄电相结合后,降低了电网调峰负担,改善了电力系统的供需矛盾,增加了风电的经

济效益以及提高了风电利用的经济性和使用价值。用于风电“削峰填谷”的储能系统在国外已经得到了应用证明。可见,风电配以适当容量的抽水蓄能或压缩空气储能等大规模储能系统用于电网“削峰填谷”,能够有效降低电网调峰负担,提高风电利用的经济性。

3.4 充分发挥风电分布式供电优势和风电的作用

我国的电力系统一直遵循着大电网、大机组的发展方向,但是我国也存在没有电网或者电网较弱的地区,如海岛、西部偏远地区等。因此,在这些海岛及偏远地区,独家使用的微小型风电机组数量不断增加。以后,随着海岛、偏远地区的开发,生活水平的提高以及风电机组价格的下降,将有可能逐步发展以大、中型风力发电机组为核心的小型局域电网,为分散的用户提供日常生活和生产用的电能。与非直接并网的分布式风电站必须要有相应规模的储能与之配套运行,才能充分发挥风电的作用,保证风电供电的昼夜连续性和稳定性。所以,风电与大规模储能相结合,是风电直接应用的拓展,并可提高分布式供电的质量和经济性。

4 可适用于风电的储能技术研究状现与发展趋势

目前,各种储能技术在技术成熟度、功率能量密度、产业化进程、应用领域等方面都存在差异。可适用于风电的蓄能方式[13]主要有以下三类:机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等),电化学储能(如铅酸电池、钠硫电池、锂离子电池、液流电池、镍氢电池、超级电容器等),电磁储能(如超导电磁储能等)。

迄今为止,没有一种大规模储能技术堪称完美,各自都有自优点和难题。在未来储能产业市场需求竞争中,多种储能技术都在大力发展,以期望在大规模风电储能应用中发挥作用。

抽水蓄能是目前最成熟的储能技术,而且抽水蓄能和压缩空气蓄能,容量可达上万兆瓦时,这两种技术都对自然环境要求很高,建设局限性大,且前期建设投资相当巨大,并且动态调节响应速度慢。飞轮储能循环使用寿命长达20年,工作温区为-40~50℃,无噪声,无污染,维护简单,可连续工作,具有良好的发展前景,但是目前存在技术难点主要集中在转子强度设计、低功耗磁轴承、安全防护等方面,急需突破。超导储能技术在20世纪90年代术已被应用于风力发电系统,本身具有一系列优点,但是价格比较昂贵,目前还没有进行商业化;超级电容器储能历经数10年的发展,已形成电容量0.5~1000 F、工作电压12~400 V、最大放电电流400~2000 A的系列产品。2005年,美国加利福尼亚州建造了1台450 kW 的超级电容器储能装置,用以平滑950 kW风电机组输出功率。其技术难点在于耐压能力仍然不够高,目前即使是陶瓷超级电容器的耐压水平最高也只能承受1 kV左右,而且成本高。

近些年来,技术进步最快的还是电化学储能,表1给出了各种电池储能的基本特性对比。其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破,产业化应用的条件日趋成熟,而且也最适合我国大规模风电储能。据了解,目前大容量储能电池一般通过两条技术路线实现,一种是通过单体电池串并联做成较大容量的电池储能产品,以大力发展的锂离子电池技术为主;另一种是专门开发大容量电池,国际上主流的技术是钠硫电池和液流电池。

表1主要电池种类的基本特性

电池种类单体电压/V 比容量W h/kg 比功率W/kg常温循环寿命/次充放电效率/% 自放电%/月

铅酸电池镍氢电池锂离子电池钠硫电池

钒电池2.0

1.25

3.6

2.08

1.4

35~50

80~90

110~160

150~240

80~130

150~350

500~1000

1000~1200

90~230

50~140

500~1500

400~500

1000~10000

2500

13000

0~80

0~70

0~95

0~90

0~80

2~5

5~20

0~1

钠硫电池能量密度高,循环寿命长,国际上电化学储能的成功案例都是使用这项技术。基本由日本NGK公司对该项技术垄断,已经进入商业化运行,2009年的订单达到600 MW,产品供不应求。而我国钠硫电池技术还十分不成熟,上海硅酸盐研究所的钠硫电池也还在实验室阶段,而且工作时要保证300℃以上的工作温度,以及钠、硫两种元素大量聚集,可能会造成危险,所以没有特别成熟的技术,一般不会尝试使用。液流电池具有功率容量相互独立、安全可靠性高、电解液可以循环使用、理论寿命很长等优点,但是其也具有能量密度低,体积大,占地面积巨大,对环境温度要求太高,价格贵,系统比较复杂等缺点。目前应用最广、最成熟的液流电池是钒流电池,钒电池如果能成熟发展,将会很适合我国大规模风电储能,具有广阔的市场前景,但是目前兆瓦级的钒电池等液流电池还只是在试验室阶段,还没有进行商业化。

我国从事储能电池生产的厂家多数使用的是锂离子电池技术,因为锂电池具有其他两种技术望尘莫及的产业链,目前,锂离子电池产品已经相对成熟,但是要解决的难点是大容量锂离子电池成组应用与系统集成技术。因为在多节电池并联成的电池组里面,所以只要有一块电池坏掉,一般就可以认为这组电池寿命的终结,必须进行维修、更换。而且就算每块电池都是优中选优,这些电池之间还是会有性能差别。目前,单体电池的寿命一般可以做到2000次以上,新型锂离子电池甚至可以达到10000次以上,但如果是把100节单体电池并联起来之后,使用次数最少衰减10倍。在“863”、“十一五规划”等计划的支持下,我国锂离子电池技术正在以前所未有的速度发展,高端产品寿命更长,市场竞争力也在不断增强,有望在风电等新能源发电中发挥重要作用,并逐渐成为电池市场的主流产品,存在广阔的市场空间。

我国企业已掌握大规模储能的关键技术,拥有自主知识产权。如北京普能公司通过收购加拿大VRB POWER公司,已在世界上拥有钒电池50%以上的核心发明专利,其中15项核心专利已在全球24个国家和地区得到应用。在电池关键材料方面,国内企业也呈现出强大的创新能力,屡屡突破国外企业对产品的垄断和专利封锁。北京金能燃料电池公司、深圳星源材料公司、深圳方德纳米科技公司掌握相电池关键材料技术知识产权,打破国外技术垄断。

5 我国大规模储能产业所面临的制约与建议

1)我国大容量储能产业发展面临诸多体制和政策制约,如缺乏储能与电网、电源同步规划和激励性政策支持,以及没有形成配套的技术标准和规范化管理等。美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术,并根据《经济复苏及再投资法案》拨付45亿美元用于美国电力电网的改善。我国虽然发改委对储能技术产品研发和平台建设做了不少工作,但是政府还没明确发展储能产业的战略意义以及实施有利于储能发展的政策。因此,政府应该将储能与新能源发展同步规划,实施峰谷电价与储能电价政策以及制定新能源发电技术要求与并网管理规范。同时,应该鼓励储能技术多元化发展,通过加大对大容量储能技术的研发投入,实现原始创新,掌握自主知识产权。

2)储能技术缺乏实践机会。目前,国外已经进行了多项大规模风电储能系统项目示范工程,但是在国内还没有一个大规模风电储能示范工程在运行,大容量储能技术在国内缺少实践机会,这将会影响其产业化进程。因此,应该加紧安排多个储能开源示范工程,在大力发展储能技术和风力发电的同时,通过建立大规模风电储能示范工程,以尽快实现大规模风电储能系统产业化。据了解,中国国家电网、南方电网正在建设风光储一体的示范工程,国电联合动力技术有限公司也正在申请建设在大规模风电储能系统示范工程。

6 结论

随着环保与节能概念不断深化,集中发展和使用清洁能源成为未来的主要趋势,大力发展风力发电是中国新能源战略的重点。而在节能与新能源汽车、风能发电、光伏发电、智能电网等节能与新能源产业中,储能产业是上述产业的共性基础产业。因此,研究大规模储能应用于风电中平滑、移峰填谷、提高LVRT 能力及孤岛和偏远地区的离网用电问题,对发展节能与新能源事业具有重要意义。

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