推薦單位：大唐黑龍江新能源開發(fā)有限公司
本文作者：劉亮
摘要：風(fēng)能作為一種綠色新能源發(fā)電具有不同于火電、水電等常規(guī)電源的波動性和間歇性，大規(guī)模并網(wǎng)運行會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響,嚴(yán)重時會引發(fā)大規(guī)模惡性事故。儲能技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)及改善風(fēng)電性能提供了有效的解決方案，在風(fēng)電裝機容量不斷增加、規(guī)模不斷擴大的情況下，安裝動態(tài)響應(yīng)特性好，壽命長、可靠性高的儲能裝置能夠提供快速的有功支撐，增強電網(wǎng)調(diào)頻能力，有效解決風(fēng)能的隨機性和波動性問題，大幅提高電網(wǎng)接納能力。風(fēng)電場配置儲能裝置在改善風(fēng)電場運行特性的同時，也意味著投資成本的增加，風(fēng)電場增加儲能設(shè)備及其效益分析是儲能技術(shù)能否在風(fēng)電場應(yīng)用的前提條件。
1、儲能技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的作用
風(fēng)力發(fā)電雖然是環(huán)保、可再生的能源，但其出力受自然條件影響非常大，具有較強的間歇性、波動性。此外風(fēng)電場出力的變化規(guī)律與系統(tǒng)負(fù)荷的變化規(guī)律并不一致。為了抑制風(fēng)電場的出力波動，提高風(fēng)電場的利用率，可考慮給風(fēng)電場配置儲能裝置。儲能裝置在風(fēng)力發(fā)電中所起的作用主要有：
1.1 均衡供電，提高風(fēng)電對用電企業(yè)的供電質(zhì)量和能力
風(fēng)電有間歇性和不穩(wěn)定性，而用電的生產(chǎn)設(shè)備則力求連續(xù)、均衡、按最佳條件運行，以求的生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。大規(guī)模儲能系統(tǒng)正可起此作用，風(fēng)大電多時進(jìn)行大規(guī)模蓄電，風(fēng)小電少時由儲能設(shè)備隨時補充。
1.2 減輕電網(wǎng)“谷”期的壓力，增加“峰”期的供電能力
我國很多風(fēng)電場在午夜后風(fēng)力增大，而這時正式電網(wǎng)負(fù)荷的“谷”期，風(fēng)電并網(wǎng)實際上是增加了電網(wǎng)“調(diào)峰”的負(fù)擔(dān)，特別是實行分時計價中，“谷”的電價很低，此時上網(wǎng)的風(fēng)電越多，經(jīng)濟損失就越大，燃煤電廠因電網(wǎng)“調(diào)峰”需要而減發(fā)的任務(wù)也加重。風(fēng)電經(jīng)儲能蓄電后上網(wǎng)，可大大減輕對電網(wǎng)“谷”期的壓力，并增加“峰”期的供電能力。
1.3 提高風(fēng)電的使用價值
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安裝了儲能裝置后，“谷”期將一部分多余風(fēng)電儲存起來，這樣按照國家政策照顧的“平均價”售給電網(wǎng)的電能變少，而且在“峰”期將儲存的電能售給電網(wǎng)，上網(wǎng)電價將不再是國家政策照顧的“平均價”，而是提高至接近“峰”期的市價，提高風(fēng)電自身的經(jīng)濟效益。
1.4 儲能裝置可以調(diào)節(jié)風(fēng)電場無功出力
風(fēng)電場無功出力不穩(wěn)定，有時候還會向電網(wǎng)吸收無功，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，或者電壓質(zhì)量變差，在加裝儲能裝置后。會明顯改善無功出力，對電網(wǎng)電壓質(zhì)量有很大的提高。
由此可見，給風(fēng)電配置儲能系統(tǒng)后，既可以提高風(fēng)電并網(wǎng)質(zhì)量運行效率，又可以一定程度上減輕系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。
2、各種儲能技術(shù)在風(fēng)電場中的應(yīng)用前景比較分析
本過高是限制儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中大量推廣應(yīng)用的共同問題，提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本是今后儲能技術(shù)研究的重要方向。根據(jù)某儲能研究機構(gòu)對蓄能方式的長期研究得出的基本結(jié)論，在各種儲能技術(shù)中，抽水儲能和壓縮空氣儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)峰；電池儲能和相變儲能比較適用于中小規(guī)模儲能和用戶需求側(cè)管理；超導(dǎo)電磁儲能和飛輪儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障；超級電容器儲能比較適用于電動汽車儲能和混合儲能。如圖所示，可實現(xiàn)大功率長周期儲能的方式有壓縮空氣蓄能、泵儲存、液流電池（ 液釩）、鈉硫電池、鉛酸電池等。
圖1 蓄能方式對照圖
在風(fēng)力發(fā)電中，儲能方式的選擇需要考慮額定功率、橋接時間、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成本、環(huán)境條件等多種因素。風(fēng)電場的儲能首先要實現(xiàn)電能質(zhì)量管理功能，超級電容器、高速飛輪、超導(dǎo)、鈉硫和液流電池儲能系統(tǒng)能使風(fēng)電場的輸出功率平滑，外部電網(wǎng)故障時能夠提供電壓支撐，維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定；其次，鉛酸電池、新型鈉硫和液流電池儲能系統(tǒng)具有調(diào)峰功能，比較適合風(fēng)電的大規(guī)模電能存儲。
3、風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)的合理容量分析
充分利用風(fēng)能，以最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效能、減少傳統(tǒng)能源的消耗成為風(fēng)電場建成后的首要目標(biāo)。但是風(fēng)速的變化對于風(fēng)電場的出力影響很大，而電網(wǎng)必須連續(xù)、安全可靠、穩(wěn)定地向用戶提供電壓、頻率合格的優(yōu)質(zhì)電力。要達(dá)到保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行且最大化利用風(fēng)能的這個目標(biāo)，可以運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術(shù)已不存在技術(shù)瓶頸，只是儲能設(shè)備成本過高。
3.1 風(fēng)電場的傳統(tǒng)輸出方式
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機始終以最大功率點跟蹤方式運行。當(dāng)負(fù)荷較輕時，如夜間，儲存部分電能，當(dāng)負(fù)荷重且遇到弱風(fēng)時，將儲能設(shè)備中的電能用于補償。由于電網(wǎng)負(fù)荷的波動特性往往并不與風(fēng)功率的波動特性一致，這總方法仍然存在如何合理選取儲能容量大小的問題。如果夜間風(fēng)速特別強，就需要很大的儲能容量，否則將會引起風(fēng)能浪費，于是很容易出現(xiàn)儲能容量不夠而造成的的夜間風(fēng)能浪費和白天儲能不足的情況。
3.1.2風(fēng)力發(fā)電機采用降額發(fā)電，即在正常情況下，風(fēng)電場不按最大功率點跟蹤的方式運行，而是按照最大功率的一定百分比進(jìn)行發(fā)電，如電網(wǎng)公司給定負(fù)荷曲線，按照電網(wǎng)公司需求相應(yīng)地降低或提升發(fā)電能力，以緩解發(fā)電量的隨機波動，但這種方法直接影響了風(fēng)能利用的效率，降低了運營利潤，并且存在調(diào)節(jié)能力有限的問題。
3.2 風(fēng)電場儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置計算步驟
針對上述3.1出現(xiàn)的問題，可以按一下步驟來對風(fēng)電場儲能容量優(yōu)化設(shè)計：
3.2.1 統(tǒng)計風(fēng)電場輸出曲線；
3.2.2 確定需要風(fēng)電場穩(wěn)定輸出的功率P；
3.2.3 計算風(fēng)電場出力大于P時的差額發(fā)電量S；
3.2.4 計算風(fēng)電場出力小于P時的差額發(fā)電量S’；
3.2.5 比較S和S’的大小，即可確定配置儲能裝置的合理容量。
4、儲能裝置在風(fēng)電場應(yīng)用的效益分析
4.1為更好的衡量風(fēng)電系統(tǒng)配置儲能裝置的成本、效益，去動態(tài)的考慮投資的價值，也即資金的時間價值，其中用等年值進(jìn)行方案比較的方法稱為等年值法。等年值法是經(jīng)濟評價中最常用的一種方法。
4.2風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后增加的成本主要包括：儲能系統(tǒng)的設(shè)備固定成本Ｋ,這主要與配置儲能系統(tǒng)的容量及放電功率有關(guān)。而風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后增加的收益B，這主要是通過儲能系統(tǒng)的低儲高發(fā)獲得。
風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后的年收益可表示如下：
AW=-K(A,P,i,n)+B-C
式中：AW —風(fēng)電場年度收益；
K —一次性投資成本
I —貼現(xiàn)率
N —工程使用年限
B —工程年收益
C —工程年運行費用。
使用等年值進(jìn)行經(jīng)濟評價時，只有AW≥0，該方案在經(jīng)濟上才是可取的，i的取值應(yīng)大于現(xiàn)在銀行存款利率。
4.3 加裝儲能設(shè)備后，能夠平滑風(fēng)電場出力，對于提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩都有有力的影響，為激勵風(fēng)電場加裝儲能設(shè)備，可以實行峰谷分段上網(wǎng)電價的方式，提高風(fēng)電場加裝儲能裝置后的經(jīng)濟效益，從風(fēng)電場角度出發(fā)，谷值時少發(fā)電，就能提高總電費收入，而不加儲能裝置的風(fēng)電場則會因為風(fēng)電場輸出的特性與負(fù)荷特性的差異而少獲得電費。
4.4 在眾多的儲能方式中，鈉硫電池單體的比能量高，可大電流、高功率放電，無放電污染、無振動、底噪聲，利于環(huán)境保護(hù)，幾乎沒有自放電現(xiàn)象，放電率幾乎可達(dá)100%，通過串聯(lián)可以方便實現(xiàn)大容量存儲，這些優(yōu)點使鈉硫電池儲能成為現(xiàn)在風(fēng)電儲能應(yīng)用中最具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的方法之一。
5、目前，風(fēng)電場安裝性能較高的新型鈉硫蓄電池儲能系統(tǒng)，其運行成本仍然較高，風(fēng)電場還是虧錢的，造成虧損的原因是當(dāng)前儲能設(shè)備尤其是蓄電池成本太高。但隨著科技進(jìn)步，技術(shù)瓶頸被打破，儲能設(shè)備的規(guī)模化生產(chǎn)，其單位容量的制造成本是會逐漸降低的。在儲能系統(tǒng)單位成本逐漸降低以及抬高系統(tǒng)負(fù)荷高峰時的協(xié)議電價，風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后是可以實現(xiàn)盈利的，此外因為儲能設(shè)備對于風(fēng)電場的穩(wěn)定性輸出具有重要作用，可以減小風(fēng)電場不穩(wěn)定輸出對電力系統(tǒng)的負(fù)面影響。所以電網(wǎng)公司方面或者國家應(yīng)給予安裝儲能裝置的風(fēng)電場補助，這樣可以進(jìn)一步減小由于儲能設(shè)備造成的虧損，提高風(fēng)電場安裝儲能設(shè)備的積極性。
參考文獻(xiàn)
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