風(fēng)電儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用前景的探討

曹辰雨

（京能招標(biāo)集采中心有限責(zé)任公司，北京 102300）

隨著世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的快速發(fā)展，越來越多的發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已開始日益重視資源環(huán)境保護(hù)，全球氣溫迅速變暖溫室效應(yīng)等現(xiàn)象都嚴(yán)重影響著全人類的生活。為了盡快改善地球當(dāng)前生活環(huán)境，一些研究機(jī)構(gòu)和社會(huì)團(tuán)體對(duì)于綠色新能源項(xiàng)目的開發(fā)研究投入在不斷地增加。為解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)用給電網(wǎng)帶來的一系列問題，風(fēng)電儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)已成為最新的研究熱點(diǎn)。

一、風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀分析

風(fēng)電作為一種新能源，其工作方式是利用相關(guān)設(shè)備將風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為電能，而風(fēng)能是一種清潔的、可再生能源，近些年來在世界范圍內(nèi)受到各個(gè)國家的重視。截至2022年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過了900GW，而我國是全球最大的風(fēng)力發(fā)電市場，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約為350GW，占世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的38%。

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了巨大的突破，發(fā)電機(jī)組的效率不斷提高，發(fā)電成本也逐漸降低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尺寸也越來越大，單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量已經(jīng)超過了10MW。通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)維管理變得更加智能化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測故障并進(jìn)行維修，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和運(yùn)行效率。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電與其他可再生能源（如太陽能、水能等）的結(jié)合，形成了混合能源系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以更好地利用不同能源之間的互補(bǔ)性，提高能源利用效率，并且可以實(shí)現(xiàn)能源的穩(wěn)定供應(yīng)。此外，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還在不斷創(chuàng)新，如離岸風(fēng)電、垂直軸風(fēng)力發(fā)電等新技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)仍存在以下問題：

（1）不穩(wěn)定的發(fā)電能力：由于風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率會(huì)波動(dòng)。在風(fēng)速較低或過高的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力會(huì)受到限制，這種不穩(wěn)定性給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。

（2）地理局限性：風(fēng)力發(fā)電需要具備適宜的地理環(huán)境，如較高的風(fēng)速和廣闊的開闊地區(qū)。這限制了風(fēng)力發(fā)電的地理分布，使得一些地區(qū)無法充分利用風(fēng)能資源。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)也需要大量的土地空間，這在一些相對(duì)擁擠的地區(qū)可能會(huì)受到限制。

（3）儲(chǔ)能和輸電問題：風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性和地理局限性使得儲(chǔ)能和輸電成為一個(gè)挑戰(zhàn)。由于風(fēng)速的波動(dòng)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能可能會(huì)超過或不足以滿足電網(wǎng)的需求。因此，需要儲(chǔ)能技術(shù)來平衡供需，并將多余的電能儲(chǔ)存起來以備不時(shí)之需。此外，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分布通常較為分散，輸電線路的建設(shè)和維護(hù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

（4）成本問題：盡管風(fēng)力發(fā)電成本在過去幾十年中有所下降，但仍然相對(duì)較高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)和維護(hù)成本較高，需要很長時(shí)期才能收回投資。

總體來說，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域具有巨大的潛力，但仍然存在一些問題需要解決，儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定的現(xiàn)狀。

二、儲(chǔ)能技術(shù)的特性和分類

1.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后進(jìn)行儲(chǔ)存，在需要的時(shí)候再將動(dòng)能釋放轉(zhuǎn)化為電能的儲(chǔ)能方式。其基本工作原理是通過儲(chǔ)能方式把其中一部分電能先轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)飛輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中所需要的動(dòng)力，進(jìn)而將能量以動(dòng)能形式長期儲(chǔ)存，在需要釋放能量時(shí)，利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)把飛輪進(jìn)行低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中儲(chǔ)存著的這部分動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為電能，從而可以為用戶側(cè)的電力設(shè)備系統(tǒng)提供一種可靠且持續(xù)運(yùn)行的高效電力能源。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、效率高、壽命長、無污染和維修費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。

2.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)與上述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作原理上存在著差異性，其主要工作原理是由超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，在用戶側(cè)有使用需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的一種儲(chǔ)能方式。超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能技術(shù)與其他儲(chǔ)能方式相比具有一些技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：超導(dǎo)線圈進(jìn)行能量釋放時(shí)產(chǎn)生的電能傳送和反應(yīng)速度較快，在完全無功率損耗的能量傳輸狀態(tài)下，運(yùn)行該系統(tǒng)時(shí)基本不用另外再去進(jìn)行其他各種能量形式參數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能過程轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗小、容量大，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率明顯高于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將能量長時(shí)間儲(chǔ)存，并可以保證儲(chǔ)能過程中不會(huì)有任何能量損耗；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在建造時(shí)選址較為靈活，可忽略建設(shè)地點(diǎn)條件因素的限制，同時(shí)后期維護(hù)方便簡單，設(shè)施整體污染較小。

3.蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

(1)鉛酸蓄電池

由于國內(nèi)外對(duì)鉛酸蓄電池產(chǎn)品在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能方面的應(yīng)用已經(jīng)有了較為系統(tǒng)和深入的研究，因此蓄電池儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)應(yīng)用具有較其他儲(chǔ)能方式更高的成熟度，并且應(yīng)用范圍也最為廣泛。鉛酸蓄電池能提供的最大能量密度相對(duì)較低，價(jià)格方面一般不會(huì)過于昂貴，建成后的使用維護(hù)成本相對(duì)較低，技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)十分地接近于成熟，因此有著大量的商業(yè)成功案例。隨著我國的鉛酸蓄電池行業(yè)市場規(guī)模的不斷壯大與發(fā)展，其產(chǎn)品也是逐漸地創(chuàng)新演變?yōu)橹饕捎靡悦芊庑筒牧辖Y(jié)構(gòu)為主的形式，是一種免維護(hù)的儲(chǔ)能新型技術(shù)產(chǎn)品，目前最大儲(chǔ)能產(chǎn)品容量可達(dá)約40MW。在密封形式和閥控型等設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，為鉛酸電池回收系統(tǒng)設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。但是鉛酸儲(chǔ)電池應(yīng)對(duì)極端外部環(huán)境條件或其他某些影響因素的問題上存在著一定的不足，這也導(dǎo)致了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍會(huì)受到一定程度的制約。

(2)鈉硫電池

鈉硫電池有著能量密度高、功率高等特點(diǎn)，但同時(shí)存在安全性及生產(chǎn)成本較高的問題。隨著對(duì)鈉硫電池研究的進(jìn)一步開展，目前，其在削峰填谷、可再生能源并網(wǎng)、輸配電領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。鈉硫電池安全性較差，因其原材料易燃，在使用過程中應(yīng)特別考慮安全性。

(3)鋰聚合物電池

鋰聚合物電池是一種結(jié)構(gòu)類型最為特殊的新型聚合物電池，具有能量高、小型化、輕量化的特點(diǎn)，容量比同樣大小的傳統(tǒng)鋰離子電池高出一倍，同時(shí)不容易形成自放電現(xiàn)象。但是因?yàn)榇嬖趯?duì)環(huán)境溫度因素影響較為敏感以及對(duì)技術(shù)工藝要求過高等原因，同時(shí)電池產(chǎn)品的平均理論使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)電池產(chǎn)品，大容量蓄電池和電池集成裝置供電線路的研發(fā)制造生產(chǎn)技術(shù)難度較大，生產(chǎn)安裝與檢修維護(hù)的成本費(fèi)用較高，這些都使這種大容量新型儲(chǔ)能電池裝置在我國短期內(nèi)可能很難在電力系統(tǒng)裝備中形成大規(guī)模應(yīng)用。

三、儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及前景

我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量也日趨增大，隨之而來的對(duì)并網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響也日漸嚴(yán)重。目前，我國建成的1000萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地中，大部分處于電網(wǎng)末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱，風(fēng)力發(fā)電的輸出功率的不確定性限制了風(fēng)電的發(fā)展[1]。現(xiàn)階段，應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)主要有：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能。以上儲(chǔ)能技術(shù)在對(duì)應(yīng)用場所要求、能量密度、安全性、制造成本等方面存在一定問題。因此，研究新型儲(chǔ)能技術(shù)已成為主要解決方案。

風(fēng)電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點(diǎn)，風(fēng)能的不確定性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場出力隨機(jī)發(fā)生變化，因此大規(guī)模的風(fēng)電場接入系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致一系列安全隱患的出現(xiàn)[2]。大規(guī)模的風(fēng)電加大了電網(wǎng)調(diào)度難度，在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，同時(shí)可以進(jìn)一步提高資源可循環(huán)高效再利用，避免或減少資源損失浪費(fèi)等情況的出現(xiàn)。風(fēng)電儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行可有效增加風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益，但應(yīng)注重做好儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用在風(fēng)力發(fā)電場的系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)相關(guān)成本的綜合控制，逐步做到降低儲(chǔ)能結(jié)合風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開發(fā)和使用企業(yè)的研發(fā)運(yùn)營成本。多數(shù)風(fēng)力發(fā)電廠采用單一儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)踐中可能出現(xiàn)使用壽命短、儲(chǔ)能效率低等問題，應(yīng)盡量提升系統(tǒng)能量的有效轉(zhuǎn)換率，同時(shí)開展多種儲(chǔ)能形式混合運(yùn)用的試驗(yàn)研究，結(jié)合各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)計(jì)方案，可以有效提高能源利用率，降低維護(hù)成本。

結(jié)語

儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、可靠性起到非常重要的作用，以風(fēng)電、太陽能為主的新能源裝機(jī)規(guī)模增長迅速，并占據(jù)著越來越大的比重，但是因其出力隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，使得這些新能源的利用受到了制約，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)既能有效促進(jìn)風(fēng)電、光電消納，又可實(shí)現(xiàn)削峰填谷和減輕電網(wǎng)波動(dòng)，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性以及安全穩(wěn)定性。配置儲(chǔ)能項(xiàng)目還可以將冗余電能存儲(chǔ)起來，增加經(jīng)濟(jì)效益。因此積極研究風(fēng)電、太陽能等可再生能源與儲(chǔ)能相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)，研制開發(fā)新型儲(chǔ)能設(shè)備是儲(chǔ)能利用技術(shù)今后是否能夠真正應(yīng)用于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的前提條件。