風(fēng)電場(chǎng)和壓縮空氣儲(chǔ)能電站共同發(fā)展的必要性分析

閆方等

摘要：目前，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量較大，但“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴(yán)重，風(fēng)能利用效率低。依照“有效發(fā)展”風(fēng)電的原則，提出風(fēng)電場(chǎng)和壓縮空氣儲(chǔ)能電站配套建設(shè)，可以有效改善風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電力的平滑輸出，而且可以改善風(fēng)電反調(diào)峰性能、參與電網(wǎng)調(diào)峰，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。與電池儲(chǔ)能電站、抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲(chǔ)能電站有明顯的建設(shè)優(yōu)勢(shì)。最后，提出了今后應(yīng)研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）電站；共同發(fā)展；必要性；優(yōu)勢(shì)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）24-0115-02

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模不斷增大，但風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失較大。按照我國(guó)能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃，“十二五”后幾年我國(guó)將大力發(fā)展清潔能源發(fā)電，“有效發(fā)展”風(fēng)電。預(yù)計(jì)至2015年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模到1億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)的6.7%。

壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）電站是一種“電能-壓縮空氣內(nèi)能-電能”的儲(chǔ)能-釋能發(fā)電系統(tǒng)。雖然我國(guó)尚無(wú)建成的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，但在德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家已有比較成熟的技術(shù)，并已建立多個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。CAES電站不僅可以實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”調(diào)峰的作用，而且能有效改善風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電力的平滑輸出。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的“有效發(fā)展”，本文重點(diǎn)分析了CAES電站和風(fēng)電場(chǎng)共同發(fā)展的必要性，以及CAES電站的建設(shè)優(yōu)勢(shì)，供探討。

一、我國(guó)風(fēng)電發(fā)展概況

截至2012年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到75324.2MW，同比增長(zhǎng)20.8%。其中2012年新增裝機(jī)12960MW（不包括臺(tái)灣地區(qū)）。中國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到60830MW，風(fēng)電已超過(guò)核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。其中，內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到18623.8MW，位居國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝首位，占全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量的24.7%。

“十二五”后幾年，我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的主要原則是“有效發(fā)展”風(fēng)電。實(shí)現(xiàn)集中與分散并舉，因地制宜開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源，建設(shè)大型風(fēng)電基地和中小型風(fēng)電場(chǎng)，推進(jìn)海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展。統(tǒng)籌風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)、電力市場(chǎng)消納和輸送通道建設(shè)，推進(jìn)風(fēng)電與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。預(yù)計(jì)到2015年，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)的6.7%（全國(guó)總裝機(jī)約14.9億kW）。

二、我國(guó)風(fēng)電利用情況

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展，但是風(fēng)電場(chǎng)“窩電”、“棄風(fēng)”現(xiàn)象比較嚴(yán)重。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2011年中國(guó)約有120億千瓦時(shí)左右的風(fēng)電場(chǎng)電量由于被限而損失，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約400萬(wàn)tce（等價(jià)值0.335kgce/kWh，2010年全國(guó)電力行業(yè)平均發(fā)電煤耗水平，下同）。初步統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)風(fēng)電因棄風(fēng)而導(dǎo)致的限電量約200億千瓦時(shí)，相當(dāng)于約670萬(wàn)tce。可見(jiàn)，雖然我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量很大，但風(fēng)電場(chǎng)并沒(méi)發(fā)發(fā)揮最大效能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)占我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?4.7%，位居第一，但是在風(fēng)電場(chǎng)最大棄風(fēng)裝機(jī)容量達(dá)到80%。大規(guī)模的風(fēng)電棄風(fēng)造成風(fēng)電這種綠色可再生能源的大量浪費(fèi)。

三、壓縮空氣儲(chǔ)能電站

1.壓縮空氣儲(chǔ)能電站工作原理

CAES電站由儲(chǔ)能系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)機(jī)組、冷卻室、地下儲(chǔ)氣室組成。發(fā)電系統(tǒng)為實(shí)質(zhì)為汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，包括換熱器、加熱室、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等部分。

2.國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

1978年，德國(guó)建成世界第一座示范性壓縮空氣儲(chǔ)能電站（Huntdorf），美國(guó)于1991年建成使用，隨后日本和以色列也都建成使用。其中截至2012年底，美國(guó)有三座壓縮空氣儲(chǔ)能電站，累計(jì)裝機(jī)容量3340MW。目前世界最大的壓縮空氣儲(chǔ)能電站在德國(guó)，裝機(jī)容量290MW，我國(guó)尚無(wú)建成的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。

四、壓縮空氣儲(chǔ)能電站和陸上風(fēng)電場(chǎng)共同發(fā)展的必要性

1.有效改善風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，提高供電質(zhì)量

CAES電站和風(fēng)電場(chǎng)共同發(fā)展，在夜間負(fù)荷低谷時(shí)將風(fēng)能以壓縮空氣的形式儲(chǔ)存，在白天負(fù)荷高峰時(shí)將壓縮空氣轉(zhuǎn)化為電能釋放，可有效消除風(fēng)電場(chǎng)供電的“間歇性”，保證風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)系的連續(xù)供電，以滿足負(fù)荷需求。另外，壓縮空氣儲(chǔ)能電站發(fā)電系統(tǒng)為汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有一定的電壓支撐，提高供電質(zhì)量。

壓縮空氣儲(chǔ)能電站與風(fēng)電場(chǎng)共同發(fā)展接入系統(tǒng)方案設(shè)想如下：在風(fēng)電場(chǎng)附近共同發(fā)展壓縮空氣儲(chǔ)能電站。儲(chǔ)能電站電力通過(guò)集電線路或電纜接入風(fēng)電場(chǎng)升壓站母線，最終利用風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路接入系統(tǒng)。

2.改善風(fēng)電反調(diào)峰性能，參與系統(tǒng)調(diào)峰

系統(tǒng)的調(diào)峰能力跟電源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以煤電為主，而在煤電裝機(jī)中供熱機(jī)組占有較大的比重，冬季供熱機(jī)組主要滿足供熱需求，供熱機(jī)組調(diào)節(jié)能力有限；而在水電裝機(jī)中，徑流式水電比重較大，調(diào)節(jié)性能好的水電裝機(jī)所占比重小，水電調(diào)峰能力很小，而目前我國(guó)的核電主要是帶基荷運(yùn)行，不參與調(diào)峰。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足。

按照國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)幾年我國(guó)將大力發(fā)展風(fēng)電、核電等清潔能源，改善電源結(jié)構(gòu)。目前看來(lái)，系統(tǒng)調(diào)峰能力將成為制約風(fēng)電等清潔能源發(fā)展的瓶頸之一，因此，發(fā)展清潔能源的配套建設(shè)調(diào)峰電源是非常必要的。

核電和風(fēng)電是我國(guó)清潔能源中所占比重較大的兩大部分。目前我國(guó)已投產(chǎn)及規(guī)劃建設(shè)的核電站主要位于沿海或水資源豐富地區(qū)，為滿足核電帶基荷運(yùn)行需要，配套建設(shè)抽水蓄能電站是不二選擇。而從我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)情況來(lái)看，目前陸上風(fēng)電站占比例較大，主要分布在西北、華北、東北等地，水資源有限，抽水蓄能電站建設(shè)條件受限，需配套建設(shè)合適的調(diào)峰電源。

CAES電站和抽水蓄能電站的性質(zhì)都是儲(chǔ)能電站，同抽水蓄能電站，CAES電站同樣可以參與系統(tǒng)調(diào)峰。風(fēng)電場(chǎng)一般建設(shè)在風(fēng)資源豐富地區(qū)，壓縮空氣儲(chǔ)能電站通過(guò)和風(fēng)電場(chǎng)配套建設(shè)，在夜間負(fù)荷低谷時(shí)將風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能儲(chǔ)存，不僅可以解決風(fēng)電場(chǎng)大量“棄風(fēng)”現(xiàn)象，而且能有效改善風(fēng)電的“反調(diào)峰”性能；在負(fù)荷高峰而風(fēng)較小時(shí)釋放壓縮空氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，滿足高峰電力需求，能起到“削峰填谷”作用。

3.提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益

就目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)情況來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量發(fā)展迅速，但風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，造成風(fēng)力資源利用效率低。2011年我國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)電量約120億千瓦時(shí)，棄風(fēng)率為16%。2012年我國(guó)由于棄風(fēng)電量約200億千瓦時(shí)，棄風(fēng)率達(dá)20%，若按0.5元/度計(jì)算，2012年由于風(fēng)電棄風(fēng)而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億元。

目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)及運(yùn)行主要原則是：風(fēng)電場(chǎng)一般以1回線路并網(wǎng)，如果風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障或檢修、對(duì)側(cè)接入點(diǎn)故障或檢修，風(fēng)電場(chǎng)均需要全停機(jī)；規(guī)程規(guī)定，在負(fù)荷低谷時(shí)調(diào)度部門(mén)可采取措施讓風(fēng)電場(chǎng)壓出力或者切除整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。此外，目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)基本采取就地接入地方電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)送出通道不足。上述因素是風(fēng)電場(chǎng)大量棄風(fēng)的直接原因。

若在風(fēng)電場(chǎng)附近配套建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，可在風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障或檢修、負(fù)荷低谷時(shí)風(fēng)電場(chǎng)繼續(xù)發(fā)電儲(chǔ)能，減少“棄風(fēng)”現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源的充分利用，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益。

五、建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外主要的儲(chǔ)能電站有電池儲(chǔ)能電站、抽水蓄能電站，壓縮空氣儲(chǔ)能電站雖然在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，但國(guó)外已有相當(dāng)成熟的值得借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。相比電池儲(chǔ)能電站和抽水蓄能電站，有以下較突出的優(yōu)勢(shì)：

第一，投資最省：電池儲(chǔ)能電站投資3000元/kW～15000元/kW（鋰電池投資最省，約3000元/kW）、抽水蓄能電站3600元/kW ～5000元/kW、壓縮空氣儲(chǔ)能電站3000元/kW～3300元/kW。

第二，占地面積最小：電池儲(chǔ)能電站占地面積大，約為100～1500平米/MW（光伏電站中兆瓦級(jí)鋰離子電池電站占地最小，為100～150平米/MW）；抽水蓄能電站占地1500～1800平米/MW；壓縮空氣儲(chǔ)能電站3.7平米/MW（大部分設(shè)施位于地下）。

第三，建設(shè)條件要求低：壓縮空氣儲(chǔ)能電站無(wú)特定地理要求，壓縮空氣儲(chǔ)氣罐建于地下，不受地面條件的影響。電池儲(chǔ)能電站的建設(shè)要求大量的空地，抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)水源水質(zhì)、地質(zhì)條件要求比較高。

另外，壓縮空氣儲(chǔ)能電站在能量轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行壽命等方面也有一定優(yōu)勢(shì)。

六、結(jié)論及建議

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成經(jīng)濟(jì)損失巨大，按照我國(guó)將大力發(fā)展風(fēng)電等清潔能源的思路，為提高風(fēng)能利用效率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電“有效發(fā)展”，配套建設(shè)儲(chǔ)能電源是非常必要的。CAES電站不僅能有效改善風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，提高供電質(zhì)量，而且可以改善風(fēng)電場(chǎng)反調(diào)峰特性、參與系統(tǒng)調(diào)峰，同時(shí)提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，為“有效發(fā)展”風(fēng)電提供必要條件。CAES電站同其他儲(chǔ)能電站相比，具有投資省、占地面積小、建設(shè)條件要求低等特點(diǎn)。建議相關(guān)部門(mén)研究CAES電站容量和風(fēng)電場(chǎng)容量的最佳匹配關(guān)系，以便應(yīng)用于工程實(shí)際。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì).2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[R].北京：中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)，2012.

[2]國(guó)務(wù)院.能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃[R].北京：國(guó)家能源局，2012.

[3]劉文毅，楊永平.壓縮空氣蓄能電站綜合效益評(píng)價(jià)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（3）：373-375.

[4]譚靖，李國(guó)杰，唐志偉，等.基于壓縮空氣儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)及效益分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（8）：33-37.

[5]金一丁，宋強(qiáng)，陳晉輝，等.大容量電池儲(chǔ)能電網(wǎng)接入系統(tǒng)[J].中國(guó)電力，2010，43（2）：16-20.

[6]DL/T 5172-2003 抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃編制規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2003.

[7]Q/GDW 392-2009風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2009.

[8]LI Wei，JOOS G，ABBEY C. Attenuation of wind power fluctuations in wind turbine generators using a DC bus capacitor based filtering control scheme[C]//Proceedings of Industry Applications Conference，October 8-12，2006，Tampa，F(xiàn)L，USA：216-221.

[9]國(guó)家電網(wǎng)公司.風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2011.

[10]Q/GDW 268-2009電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容深度規(guī)定[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2009.

（責(zé)任編輯：王祝萍）