大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用

1 引言

電力系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，發(fā)輸變電與配用電必須時(shí)刻保持平衡。而風(fēng)能是一種間歇性能源，且風(fēng)速預(yù)測(cè)存在一定的誤差，因此風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)引起的動(dòng)態(tài)不平衡功率都會(huì)導(dǎo)致機(jī)組間的振蕩,大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組結(jié)合，可以有效抑制或緩解風(fēng)電的波動(dòng)性，減小風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響。而只要儲(chǔ)能裝置容量足夠大而且響應(yīng)速度足夠快，就可以實(shí)現(xiàn)任何情況下系統(tǒng)功率的完全平衡，這是一種主動(dòng)致穩(wěn)電力系統(tǒng)的思想[1]。由于這種與儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)的穩(wěn)定控制裝置不必和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用，因此，可以方便地使用在系統(tǒng)中對(duì)于抑制振蕩來(lái)說(shuō)最有效的部位。同時(shí)，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(duì)不平衡功率進(jìn)行精確的補(bǔ)償，可以較少甚至不考慮系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)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(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的魯棒性也非常好。

2 電池儲(chǔ)能技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，日本、美國(guó)以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電池儲(chǔ)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(NGK INSULATORS)從阿聯(lián)酋阿布扎比水電局獲得300 MW NAS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(dòng)旨在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。東芝于2010 年宣布接到?jīng)_繩電力2010 年秋季將在宮古島開(kāi)始的“離島微型電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)證試驗(yàn)”相關(guān)設(shè)備的訂單，將構(gòu)建以蓄電池平衡功率變動(dòng)劇烈的可再生能源負(fù)荷的新一代電力系統(tǒng)。三洋電機(jī)也在其“加西綠色能源園”導(dǎo)入了1.5 MW·h 的鋰離子電池，其他廠商也在積極參與電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。歐美方面，2001 年，加拿大VRB Power Systems 公司在南非建造了250 kW 的全釩液流儲(chǔ)能電池示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全釩液流儲(chǔ)能電池的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。VRB Power Systems 公司為澳大利亞Hydro Tasmania on KingIsland 公司建造的與風(fēng)能發(fā)電配套的全釩液流儲(chǔ)能電池于2003 年11 月完成，該系統(tǒng)儲(chǔ)能容量為800 kW·h，輸出功率為250 kW。2004 年2 月，VRB Power Systems 公司又為castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了輸出功率250 kW，儲(chǔ)能容量2 MW·h 的全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。2006 年底該公司開(kāi)始為愛(ài)爾蘭建設(shè)迄今為止國(guó)際上最大的額定輸出功率2 MW(脈沖輸出功率3 MW)，儲(chǔ)能容量12 MW·h 全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。美國(guó)利用日本住友電氣工業(yè)公司和VRB Power Systems 公司的技術(shù)，分別建立了2 MW 和6 MW的全釩液流儲(chǔ)能電池示范運(yùn)行系統(tǒng)。

英國(guó)的Innogy 公司2000 年8 月開(kāi)始建造第一座商業(yè)規(guī)模的發(fā)電儲(chǔ)能調(diào)峰演示電廠，它與一座680 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電場(chǎng)配套，該電能存儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量為120 MW·h，可滿足10 000 戶家庭一整天的用電需求。

德國(guó)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(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)適用于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的大容量、低成本儲(chǔ)存的鋰離子電池電站，先期計(jì)劃在德國(guó)西部的薩爾州建造一個(gè)功率為1 MW 的儲(chǔ)能裝置。在大規(guī)模電池儲(chǔ)能裝置技術(shù)方面，我國(guó)起步較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(chǔ)能應(yīng)用方面我國(guó)距國(guó)外先進(jìn)水平差距也很大，國(guó)外已經(jīng)有數(shù)十套儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大容量電池儲(chǔ)能裝置的示范工程投入運(yùn)行。

目前，我國(guó)電池儲(chǔ)能的應(yīng)用規(guī)模還很小，但隨著國(guó)家能源政策的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策逐步落實(shí)，其應(yīng)用規(guī)模預(yù)計(jì)也將逐步擴(kuò)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(gè)儲(chǔ)能示范電站，電力調(diào)度中心可以直接通過(guò)電網(wǎng)儲(chǔ)能管理系統(tǒng)對(duì)分布于各地的儲(chǔ)能站實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度與遠(yuǎn)程監(jiān)控。BYD 在深圳龍崗建立了一座1 MW(4 MW·h)儲(chǔ)能電站。

國(guó)家電網(wǎng)所屬的新源控股有限公司與張家口市張北縣開(kāi)發(fā)建設(shè)全國(guó)第一個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)能綜合示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目總規(guī)模為風(fēng)電500 MW，光電100 MW，儲(chǔ)能70 MW。張北風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目是世界上規(guī)模最大的風(fēng)光儲(chǔ)三位一體示范工程，但是還沒(méi)有進(jìn)入投運(yùn)，目前已經(jīng)完成了一期工程方案設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行一期建設(shè)工作。

3 快速發(fā)展的風(fēng)電對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的要求

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53 億kW。近幾年來(lái)，中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電迅速發(fā)展。截至2007 年底全國(guó)累計(jì)裝機(jī)約600 萬(wàn)kW。2008 年12 月，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量已經(jīng)超過(guò)1 000 萬(wàn)kW，位居世界第五，截至2011 年3月中旬，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)4 450 萬(wàn)kW，風(fēng)電建設(shè)的規(guī)模居全球之首。這也意味著中國(guó)已進(jìn)入可再生能源大國(guó)行列。中國(guó)風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。

在我國(guó)風(fēng)電在建規(guī)模高居世界第一的同時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題卻始終制約著我國(guó)風(fēng)電的健康發(fā)展。有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)并網(wǎng)3 107 萬(wàn)kW，但仍然有近三成風(fēng)電沒(méi)有并網(wǎng)這是由于風(fēng)能隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，造成風(fēng)電機(jī)組的出力頻繁波動(dòng)，從而風(fēng)電場(chǎng)的出力可靠性也差，風(fēng)電比重過(guò)大，會(huì)使電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大，以及電網(wǎng)長(zhǎng)距離送電的技術(shù)要求和運(yùn)行成本急劇增大。因此，風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模的并網(wǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也帶來(lái)一些新問(wèn)題：

1)風(fēng)電的隨機(jī)性及不可控性給電力系統(tǒng)規(guī)劃和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn);

2)風(fēng)電功率的波動(dòng)特性與電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)特性難以一致，使電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題更加突出，對(duì)調(diào)峰容量和響應(yīng)速度都提出了更高的要求;

3)由于風(fēng)速變化，風(fēng)電機(jī)組容易引起電網(wǎng)電壓和功率波動(dòng)問(wèn)題，以及由其帶來(lái)的無(wú)功電壓控制和電能質(zhì)量問(wèn)題。

風(fēng)電具有間歇性和波動(dòng)性與電力系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)平衡之間矛盾，使得并網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)需要通過(guò)常規(guī)電源的調(diào)節(jié)和儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平衡，成為長(zhǎng)期困擾風(fēng)電并網(wǎng)的主要難題。而蓄水儲(chǔ)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(chǔ)能裝置與風(fēng)電場(chǎng)結(jié)合彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)給電網(wǎng)帶來(lái)的各類影響是一種合適的技術(shù)選擇[8]。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，不僅有效減小風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的沖擊和影響，提高風(fēng)電出力與預(yù)測(cè)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提高電力系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力。

4 國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的要求

越來(lái)越多的大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并投入運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)電所占比例逐漸增大后而風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)會(huì)影響當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變。對(duì)局部電網(wǎng)將產(chǎn)生明顯沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重事故[9，10]。各國(guó)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定都對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率變化提出了要求，如：

1)Eltra 和Eltra&Elkraft 要求并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)l min 的輸出功率變化小于等于風(fēng)電場(chǎng)最大功率的5%。風(fēng)電場(chǎng)能夠通過(guò)控制系統(tǒng)保證在2 s 內(nèi)降到額定功率的20%以下，Eltra&Elkraf 要求風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)輸出功率在任何時(shí)間內(nèi)都小于它的注冊(cè)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15 min 功率變化與風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模有關(guān)，小于100 MW 的風(fēng)電場(chǎng)每分鐘功率變化小于5%，小于200 MW 的風(fēng)電場(chǎng)每分鐘功率變化小于額定容量的4%，大于200 MW的風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)輸出功率在合理的時(shí)間內(nèi)可以超出額定功率;

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

5)Scottish 要求風(fēng)電場(chǎng)起停要滿足電壓質(zhì)量的要求，Scottish 還要求風(fēng)電場(chǎng)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(kāi)，并在30 min 內(nèi)分階段逐步退出。

5 大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)風(fēng)電的平穩(wěn)作用

顯然實(shí)現(xiàn)有功功率最重要的調(diào)節(jié)手段是儲(chǔ)能，大功率、大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平抑風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組結(jié)合，可以有效抑制或緩解風(fēng)電的波動(dòng)性，減小風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響[11，12]。大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

1)平滑機(jī)組輸出：將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，在快速風(fēng)速擾動(dòng)下平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出，減少風(fēng)電場(chǎng)輸出波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，降低風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

2)提高風(fēng)電輸出與預(yù)測(cè)的一致性：以儲(chǔ)能作為配合來(lái)調(diào)整輸出，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)的出力曲線優(yōu)化出力，提高風(fēng)電輸出可信度。

3)提高調(diào)度能力：采用儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以控制風(fēng)力發(fā)電輸出的有功功率和無(wú)功功率，用于電力調(diào)峰，使風(fēng)力發(fā)電單元作為調(diào)度機(jī)組單元運(yùn)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?jī)?chǔ)能系統(tǒng)可以將不穩(wěn)定的風(fēng)能電力收集起來(lái)并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑵淦椒€(wěn)釋放，轉(zhuǎn)移峰值，降低對(duì)電網(wǎng)沖擊;

5)保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)可靠地供電：當(dāng)環(huán)境因素或外部條件變化較快，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定地輸出電能時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的能量可以產(chǎn)生一定的能量和功率支撐作用，保證對(duì)負(fù)載持續(xù)、穩(wěn)定地供電。

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

7)使風(fēng)力發(fā)電具有可調(diào)度性：?jiǎn)渭兊男履茉窗l(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境因素的影響較大，因此，無(wú)法制訂特定的發(fā)電規(guī)劃。如果配置能量?jī)?chǔ)存裝置，就可以在特定的時(shí)間提供所需的電能，而不必考慮此時(shí)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(shí)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(jìn)行發(fā)電。儲(chǔ)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(jì)利益，但需要的投資也就越大，關(guān)鍵在于找到最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文綜述了國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了中國(guó)風(fēng)電在快速發(fā)展下所面臨的問(wèn)題，提出大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)提供了具有很寬時(shí)間范圍的儲(chǔ)能功能，這些對(duì)解決風(fēng)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(guó)，特別是發(fā)達(dá)的國(guó)家，都在積極開(kāi)展這方面的研究。我們應(yīng)該充分利用我國(guó)豐厚的風(fēng)力資源和電力體制改革的良好機(jī)遇.積極開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究，為我國(guó)電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)在清潔能源發(fā)電中起到越來(lái)越重要的作用。市場(chǎng)潛力巨大、具有越來(lái)越重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。