儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中運用研究

南方電網(wǎng)公司 許一澤

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)獲得長效發(fā)展，但風(fēng)能具有不穩(wěn)定特征，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無法實現(xiàn)長期穩(wěn)定供電，繼而引發(fā)了電網(wǎng)頻率波動、電網(wǎng)調(diào)峰困難等現(xiàn)象，極大地限制了風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。面對上述情況，應(yīng)積極引入先進儲能技術(shù)，結(jié)合風(fēng)電場實際情況搭建風(fēng)力發(fā)電儲能系統(tǒng)，用于降低風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定性。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的儲能技術(shù)

2020年，我國風(fēng)力發(fā)電量實現(xiàn)了15%的增長，已達4665億kWh，且在“雙碳”戰(zhàn)略環(huán)境下，風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量不斷提升[1]。為進一步發(fā)揮出風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢，應(yīng)重視風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲能技術(shù)的發(fā)展。

1.1 蓄電池儲能技術(shù)

該技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)手段，且在長期發(fā)展中，現(xiàn)已出現(xiàn)多樣化類型。一是鉛酸蓄電池。該蓄電池具有成本低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，現(xiàn)已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但鉛酸蓄電池環(huán)保性能不佳，且無法實現(xiàn)資源回收利用，因此該類蓄電池的使用量逐漸下降。二是鎳氫電池。鎳氫電池多源于電動車產(chǎn)業(yè)，并未被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，故不作贅述。三是鏗離子電池。鏗離子電池現(xiàn)逐步應(yīng)用到新能源汽車產(chǎn)業(yè)中，但該蓄電池工藝復(fù)雜，且易受環(huán)境影響，在風(fēng)電場中無法表現(xiàn)出優(yōu)異效果。四是全釩液流電池。釩可在電池電解液條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時借助外界泵形成機械動力，使電解液可進入電池堆內(nèi)，以此形成循環(huán)閉合回路，在此基礎(chǔ)上設(shè)置質(zhì)子交換膜，用于隔絕電池組，而電解質(zhì)溶液可進一步進行電化學(xué)反應(yīng)，繼而實現(xiàn)電流收集存儲[2]。該蓄電池儲能技術(shù)具有成本低、效率高的優(yōu)勢，故已得到業(yè)界關(guān)注。

1.2 超級電容器儲能技術(shù)

該儲能技術(shù)的理論基礎(chǔ)為電化學(xué)雙電層理論，運行期間可形成較大的脈沖功率，繼而確保電力表面能夠保持優(yōu)異狀態(tài)。處于充電狀態(tài)下時，受到電荷驅(qū)動效果，電池內(nèi)電解質(zhì)異性離子將會逐漸在電極表面集中吸附，繼而出現(xiàn)雙電荷層結(jié)構(gòu)。超級電容器儲能技術(shù)在應(yīng)用期間不會有毒性物質(zhì)形成，符合新時代可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，且裝置結(jié)構(gòu)簡潔，并可在運行過程中形成大電流，可在一定程度上縮短充電時間，使該儲能技術(shù)能夠高效完成充放電循環(huán)。該儲能技術(shù)雖優(yōu)勢顯著，但同樣具有一定缺陷，即該儲能技術(shù)的電壓運行要求較高，故單個電容器難以表現(xiàn)出良好的充電效果。從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用角度來看，該儲能技術(shù)在調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大功率平滑現(xiàn)象方面呈現(xiàn)出優(yōu)異效果。

1.3 飛輪儲能技術(shù)

該儲能技術(shù)是在電能驅(qū)動下的促進圓盤旋轉(zhuǎn)，在圓盤旋轉(zhuǎn)期間電能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，而此時獲得的動則存儲于裝置加速質(zhì)量塊內(nèi)，若產(chǎn)生發(fā)電需求，飛輪則會在自身動能作用下提供能源，使發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電。該儲能技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)，在儲能運行期間可造成極大耗損，在飛輪儲能技術(shù)改進優(yōu)化過程中，逐漸在飛輪儲能裝置基礎(chǔ)上融入了現(xiàn)代化超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，并依托于新型復(fù)合材料縮減裝置體積，并借助材料優(yōu)勢對儲能密度進行強化。結(jié)合該儲能技術(shù)實際應(yīng)用情況來看，其能量轉(zhuǎn)化率仍可進一步提升，現(xiàn)已達到90%，但該儲能技術(shù)具有無限次充放電、無污染等優(yōu)勢，憑借其現(xiàn)有優(yōu)勢，其仍可在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用效果。

飛輪儲能技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的儲能技術(shù)之一，其現(xiàn)已得到優(yōu)化升級，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，該儲能技術(shù)可對短期功率波動現(xiàn)象進行補償，以此大幅提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，除此之外，現(xiàn)階段還提出了積木式組合飛輪結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了充放電效率的增加。風(fēng)能與太陽能屬于現(xiàn)階段主要應(yīng)用的清潔能源，但兩者均具有波動性特征，不利于發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定供電，因此隨著電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)已進入大規(guī)模并網(wǎng)階段，在此形勢下，飛輪儲能技術(shù)發(fā)展方向發(fā)生改變，加大了并網(wǎng)型飛輪儲能技術(shù)的研究力度，同時引入新型軸承及材料，兩者具備微損耗、高強度特征，極大地改進了飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用效果，驅(qū)動著飛輪儲能技術(shù)朝向大容量、高轉(zhuǎn)速發(fā)展。為進一步提高飛輪儲能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電之間的適配度，現(xiàn)階段不斷研究轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與儲能密度之間的關(guān)系，旨在通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而升級儲能總量，繼而確保該儲能技術(shù)可更好地服務(wù)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1.4 超導(dǎo)儲能技術(shù)

該儲能技術(shù)以磁場為能量基礎(chǔ)，以超導(dǎo)體線圈介質(zhì)引導(dǎo)電流流動，進一步形成磁場，此時則基于該磁場儲存電能，當(dāng)產(chǎn)生電能需求后，則可將該磁場內(nèi)的電能釋放，可用于彌補風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。該儲能技術(shù)不會產(chǎn)生較高能量損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)95%的能量利用率，且其具有動態(tài)性優(yōu)勢，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)給出指令后，超導(dǎo)儲能裝置可迅速響應(yīng)，因此該儲能技術(shù)現(xiàn)已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)異效果，可補償功率并調(diào)節(jié)頻率，效果顯著。

1.5 其他儲能技術(shù)

上述4種儲能技術(shù)較為常見，但現(xiàn)階段還存在其他儲能手段，如抽水儲能、壓縮空氣儲能、氫燃料儲能等方式。其中，抽水儲能技術(shù)需以依靠抽水蓄能電站而實現(xiàn)儲能，限制較大；壓縮空氣儲能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要起到調(diào)峰效果，且該技術(shù)還具備低能量損耗的優(yōu)勢；氫燃料儲能效果優(yōu)異，且綠色環(huán)保，但成本較高，故多用于航天航空領(lǐng)域，但在新時代環(huán)境下，該儲能技術(shù)日漸完善，現(xiàn)已在風(fēng)電場內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異效果，發(fā)展前景良好。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用主要為解決發(fā)電供電波動隨機的問題，借助儲能技術(shù)實現(xiàn)互補，以此優(yōu)化風(fēng)電場運行環(huán)境。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由塔架、風(fēng)力發(fā)電機、負(fù)載裝置、電能儲存裝置、充電控制器構(gòu)成，以總線連接方式為依據(jù)，可將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)劃分為交流、直流兩種結(jié)構(gòu)，其中直流總線型發(fā)電結(jié)構(gòu)最為常用，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電能儲存裝置安裝于直流總線結(jié)構(gòu)上，當(dāng)該發(fā)電系統(tǒng)有交流電輸出后，受到AC/DC逆變器影響，交流電轉(zhuǎn)為直流電，通過控制器后供電給直流負(fù)載。在此過程中，儲能技術(shù)主要用于存儲控制器直流負(fù)載，并將其傳輸至AC/DC逆變器，此時直流負(fù)載將會成為AC負(fù)載，且額外電能則會在電能儲存裝置內(nèi)進行存儲，防止了電能浪費現(xiàn)象。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用儲能技術(shù)時，應(yīng)綜合考量風(fēng)況與功率間的關(guān)聯(lián)，確保儲能技術(shù)能夠切實發(fā)揮出自身“削峰填谷”效果。

2.2 應(yīng)用效果

對儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果進行總結(jié)，具體如下。

2.2.1 調(diào)節(jié)并跟蹤負(fù)荷

當(dāng)風(fēng)能較弱，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)位于負(fù)荷低谷狀態(tài)時，可依托于儲能技術(shù)補充電能，待電力系統(tǒng)達到負(fù)荷高峰階段時，可將儲能裝置中的電能主動放出，以此起到調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷的效果。除此之外，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還可基于儲能技術(shù)對電力負(fù)荷進行跟蹤，將儲能裝置接入電力電子接口位置，電力負(fù)荷變化情況均可被儲能裝置跟蹤，且一旦風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷變化現(xiàn)象，儲能系統(tǒng)可及時響應(yīng)，使儲能技術(shù)切實發(fā)揮出其原有作用。

2.2.2 提升系統(tǒng)穩(wěn)定性

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變化較快，且所造成的現(xiàn)象較為明顯，而儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率振蕩環(huán)境下能夠呈現(xiàn)出阻尼效果，以此提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，在實際運行期間，儲能技術(shù)還可對系統(tǒng)功率因數(shù)起到控制效果，繼而校正系統(tǒng)功率，以此可進一步提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲能技術(shù)分析

為增強本次技術(shù)研究實效，選取某風(fēng)電場為實例展開分析，結(jié)合該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際情況，選擇適宜的儲能技術(shù)，用于“削峰填谷”，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.1 基本概況

以某風(fēng)電場發(fā)電為例，其由33臺風(fēng)電機（1500kW）構(gòu)成，受到朝向、位置等因素影響，各風(fēng)電機所表現(xiàn)出發(fā)電量參數(shù)存在一定差異，當(dāng)風(fēng)力強勢時，易出現(xiàn)電能過剩現(xiàn)象，且電能較難存儲，此時需將部分風(fēng)電機停運。結(jié)合損失發(fā)電量參數(shù)來看，其與發(fā)電量參數(shù)基本持平，在一定程度上影響了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行效率。針對這一現(xiàn)象，該風(fēng)電場逐步推進儲能系統(tǒng)建設(shè)工作，從維修維護、投資成本、污染排放等方面綜合考量現(xiàn)階段常用的儲能方式，最終選擇采用電熱蒸汽蓄熱器作為儲能設(shè)備，以此保障發(fā)電供電穩(wěn)定性。

3.2 技術(shù)原理

電熱蒸汽儲能器能夠在水載熱體作用下對蒸汽壓力進行存儲，可在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)負(fù)荷波動，當(dāng)該電熱蒸汽儲能器運行時，運用該裝置存儲水，若遭遇用電低谷但風(fēng)力強勢情況，則可將過剩電能用于電熱管供能，對電熱蒸汽儲能器內(nèi)所存儲的水進行加熱，此時裝置內(nèi)水溫與水壓將會逐漸提升，繼而成為承壓飽和水，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)所產(chǎn)生的過剩電能存儲為熱能。當(dāng)面臨用電高峰但風(fēng)力較弱的情況，此時電熱蒸汽儲能器內(nèi)部壓力逐漸下降，致使飽和水不再飽和而成為過熱水，并進入沸騰而狀態(tài)并蒸發(fā)，繼而形成蒸汽，該蒸汽可對汽輪機形成驅(qū)動效果，實現(xiàn)發(fā)電，以此完成了熱能到電能的轉(zhuǎn)變，在電熱蒸汽儲能器作用下實現(xiàn)“削峰填谷”。

3.3 參數(shù)設(shè)計

立足于某風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際情況，對電熱蒸汽儲能器裝置參數(shù)精心設(shè)置，并在裝置參數(shù)基礎(chǔ)上，計算汽輪機功率。

3.3.1 儲能裝置儲水量

某風(fēng)電場由33臺風(fēng)電機（1500kW）構(gòu)成，將風(fēng)速條件設(shè)定為10.8m/s，依據(jù)額定功率計算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電總量及損失發(fā)電量，得出結(jié)果分別為226783kWh、217571kWh，電熱蓄熱系統(tǒng)工作壓力呈一定范圍，將工作壓力最大值、最小值設(shè)定為充熱壓力、放熱壓力。將風(fēng)電場電熱蒸汽蓄熱器加熱壓力（P1）、放熱壓力（P2）分別設(shè)計為4.0MPa、0.2MPa，蓄熱器加熱前，其注水壓力屬于放熱壓力，此時的損失發(fā)電量數(shù)值是217571kWh，該數(shù)值代表蓄熱器從儲水到加熱壓力所形成的加熱蓄熱量，此時通過查驗水蒸汽表可知，若加熱壓力為4.0MPa，此時飽和水比焓與密度分別為1087.49kJ/kg、798.36kg/m3，當(dāng)放熱壓力為0.2MPa時，此時的飽和水比焓參數(shù)為504.704kJ/kg。依托于上述參數(shù)計算蓄熱器蓄熱量，公式如下：

儲水量計算公式如下：

按照上述公式計算可得，蓄熱器蓄熱量與儲水量分別約為134400kg、1683m3。

3.3.2 儲能裝置容積

蓄熱器內(nèi)應(yīng)具備充足的蒸汽空間，要求電熱管加熱期間始終浸沒在水內(nèi)，此時將最高水位容積占據(jù)總?cè)莘e的百分比定為充水系數(shù)，該系數(shù)與蒸汽空間、蒸發(fā)率成反比，按照技術(shù)要求，需將充水系數(shù)控制在75%至95%范圍內(nèi)，而案例風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將該參數(shù)定為80%，此時可計算蓄熱器容積，公式如下：

3.3.3 水容積與產(chǎn)氣量

依據(jù)質(zhì)量守恒定律可計算得出放熱時的水容積，公式如下：

公式（4）中，go為單位蓄熱量，單位為kg/m3；V1為儲水量，單位為m3；為放熱壓力狀態(tài)的飽和水密度，單位為kg/m3。在水容積基礎(chǔ)上，可進一步計算得出產(chǎn)氣量，按照每日10h運行進行計算，可得結(jié)果約為348t。

3.3.4 汽輪發(fā)電機功率

結(jié)合上述儲能技術(shù)原理來看，在熱能轉(zhuǎn)化為電能過程中，需借助熱能驅(qū)動汽輪發(fā)電機，以此進行發(fā)電，因此汽輪發(fā)電機功率可在一定程度上影響儲能技術(shù)的“削峰填谷”效果。按照25%的發(fā)電效率及每日運行10h的標(biāo)準(zhǔn)進行計算，該儲能技術(shù)為實現(xiàn)良好負(fù)荷調(diào)節(jié)效果，需將汽輪發(fā)電機功率精控制在6000kW左右。

3.4 效益分析

某風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用電熱蒸汽儲能器后，極大改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行體系，提高了風(fēng)能利用率，大幅降低損失發(fā)電量，按照每日發(fā)電10h、全年300日運行、0.61元/kWh電價的標(biāo)準(zhǔn)進行計算，汽輪發(fā)電機可創(chuàng)造1098萬元的年發(fā)電效益，該效益同樣為電熱蒸汽儲能器裝置的運行效果，按照3500萬元的總投資成本進行估算，約4年即可回收投資成本，效益顯著。

綜上所述，將儲能技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有優(yōu)異的“削峰填谷”效果，且可提升清潔能源利用率，有助于提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟效益。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)期間，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場實際情況合理選擇儲能技術(shù)，并致力于新型儲能技術(shù)的研究，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠在儲能技術(shù)的支持下而實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。