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大容量電池儲能技術在風電中的應用
大容量電池儲能技術在風電中的應用
1 引言
電力系統是一個動態平衡系統，發輸變電與配用電必須時刻保持平衡。而風能是一種間歇性能源，且風速預測存在一定的誤差，因此風電場不能提供持續穩定的功率，發電穩定性和連續性較差。在傳統的電力系統中，任何微小擾動引起的動態不平衡功率都會導致機組間的振蕩，大容量儲能系統與風電機組結合，可以有效抑制或緩解風電的波動性，減小風電對電網的影響。而只要儲能裝置容量足夠大而且響應速度足夠快，就可以實現任何情況下系統功率的完全平衡，這是一種主動致穩電力系統的思想[1]。由于這種與儲能技術相關的穩定控制裝置不必和發電機的勵磁系統共同作用，因此，可以方便地使用在系統中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時，由于這種穩定控制裝置所產生的控制量可直接作用于導致系統振蕩的源頭，對不平衡功率進行精確的補償，可以較少甚至不考慮系統運行狀態變化對控制裝置控制效果的影響，因此裝置的參數整定非常容易，對于系統運行狀態變化的魯棒性也非常好。 2 電池儲能技術國內外發展現狀
近年來，日本、美國以及歐洲等發達國家對電池儲能技術投入較大，技術領先。日本在鈉硫電池的研究與應用方面走在世界前列，日本礙子(NGK INSULATORS)從阿聯酋阿布扎比水電局獲得300 MW NAS電池系統和中央監控系統的訂單。2009 年松下和松下電工與丹麥電力公司SEAS-NVE 共同啟動旨在實現智能電網的實證實驗。東芝于2010 年宣布接到沖繩電力2010 年秋季將在宮古島開始的“離島微型電網系統實證試驗”相關設備的訂單，將構建以蓄電池平衡功率變動劇烈的可再生能源負荷的新一代電力系統。三洋電機也在其“加西綠色能源園”導入了1.5 MW·；h 的鋰離子電池，其他廠商也在積極參與電池儲能項目。歐美方面，2001 年，加拿大VRB Power Systems 公司在南非建造了250 kW 的全釩液流儲能電池示范系統，實現了全釩液流儲能電池的商業化運營。VRB Power Systems 公司為澳大利亞Hydro Tasmania on KingIsland 公司建造的與風能發電配套的全釩液流儲能電池于2003 年11 月完成，該系統儲能容量為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，儲能容量2 MW·；h 的全釩液流儲能電池系統。2006 年底該公司開始為愛爾蘭建設迄今為止國際上最大的額定輸出功率2 MW(脈沖輸出功率3 MW)，儲能容量12 MW·；h 全釩液流儲能電池系統。美國利用日本住友電氣工業公司和VRB Power Systems 公司的技術，分別建立了2 MW 和6 MW的全釩液流儲能電池示范運行系統。
英國的Innogy 公司2000 年8 月開始建造第一座商業規模的發電儲能調峰演示電廠，它與一座680 MW燃氣輪機發電場配套，該電能存儲系統儲能容量為120 MW·；h，可滿足10 000 戶家庭一整天的用電需求。
德國EVONIK 工業股份公司宣布將聯合戴姆勒汽車公司等研發機構共同開發適用于風能和太陽能發電的大容量、低成本儲存的鋰離子電池電站，先期計劃在德國西部的薩爾州建造一個功率為1 MW 的儲能裝置。在大規模電池儲能裝置技術方面，我國起步較晚，與國外發達國家還有較大差距，主要表現在：一是設備容量規模還較小；二是設備的壽命短、利用效率低；三是設備的智能化水平薄弱。在儲能應用方面我國距國外先進水平差距也很大，國外已經有數十套儲能電站投入運行，國內還沒有大容量電池儲能裝置的示范工程投入運行。
目前，我國電池儲能的應用規模還很小，但隨著國家能源政策的調整和節能環保政策逐步落實，其應用規模預計也將逐步擴大。上海市電力公司已經建設包括漕溪站、前衛站、白銀站三個儲能示范電站，電力調度中心可以直接通過電網儲能管理系統對分布于各地的儲能站實施統一調度與遠程監控。BYD 在深圳龍崗建立了一座1 MW(4 MW·；h)儲能電站。 國家電網所屬的新源控股有限公司與張家口市張北縣開發建設全國第一個風光儲能綜合示范
項目，該項目總規模為風電500 MW，光電100 MW，儲能70 MW。張北風光儲項目是世界上規模最大的風光儲三位一體示范工程，但是還沒有進入投運，目前已經完成了一期工程方案設計，正在進行一期建設工作。
3 快速發展的風電對儲能技術的要求
風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53 億kW。近幾年來，中國的并網風電迅速發展。截至2007 年底全國累計裝機約600 萬kW。2008 年12 月，中國風電裝機總量已經超過1 000 萬kW，位居世界第五，截至2011 年3月中旬，我國風電累計裝機容量達4 450 萬kW，風電建設的規模居全球之首。這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。
在我國風電在建規模高居世界第一的同時，風電并網問題卻始終制約著我國風電的健康發展。有數據顯示，我國風電裝機累計并網3 107 萬kW，但仍然有近三成風電沒有并網這是由于風能隨機性和間歇性的特點，造成風電機組的出力頻繁波動，從而風電場的出力可靠性也差，風電比重過大，會使電網的調頻、調峰壓力加大，以及電網長距離送電的技術要求和運行成本急劇增大。因此，風電場大規模的并網接入對電力系統的運行也帶來一些新問題：
1)風電的隨機性及不可控性給電力系統規劃和穩定運行帶來新的挑戰；
2)風電功率的波動特性與電網負荷的波動特性難以一致，使電網的調峰問題更加突出，對調峰容量和響應速度都提出了更高的要求；
3)由于風速變化，風電機組容易引起電網電壓和功率波動問題，以及由其帶來的無功電壓控制和電能質量問題。
風電具有間歇性和波動性與電力系統需要實時平衡之間矛盾，使得并網風電的波動需要通過常規電源的調節和儲能系統來平衡，成為長期困擾風電并網的主要難題。而蓄水儲能電站由于地理上的局限，不具有普遍的可獲得性，因此，引入可普遍應用的大容量電池儲能裝置與風電場結合彌補風力發電的波動給電網帶來的各類影響是一種合適的技術選擇[8]。通過儲能系統與風電系統的協調，不僅有效減小風電對系統的沖擊和影響，提高風電出力與預測的一致性，保障電源電力供應的可信度，還降低電力系統的備用容量，提高電力系統運行的經濟性，同時提高電力系統接納風電的能力。
4 國內外對風電并網的要求
越來越多的大中型風電場相繼建成并投入運行，當風電所占比例逐漸增大后而風電場的功率波動會影響當地電網的電能質量，產生電壓波動與閃變。對局部電網將產生明顯沖擊，嚴重時會引發嚴重事故[9，10]。各國風電場并網技術規定都對風電場的有功功率變化提出了要求，如：
1)Eltra 和Eltra&Elkraft 要求并網風電場l min 的輸出功率變化小于等于風電場最大功率的5%。風電場能夠通過控制系統保證在2 s 內降到額定功率的20%以下，Eltra&Elkraf 要求風電場每分鐘的功率變化率在10%～100%內可調；
2)而E.ON 和ESBNG 要求風電場輸出功率在任何時間內都小于它的注冊容量。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 功率變化與風電場的規模有關，小于100 MW 的風電場每分鐘功率變化小于5%，小于200 MW 的風電場每分鐘功率變化小于額定容量的4%，大于200 MW的風電場每分鐘功率變化小于額定容量的2%；
3)蘇格蘭并網技術規定要求風電場輸出功率在合理的時間內可以超出額定功率；
4)中國國家電網公司規定了風電場1 min 和10 min 的功率變化率，變化率與風電場的裝機容量有關，如小于30 MW 的風電場10 min 最大變化量為20 MW，1 min 最大變化量為6 MW；
5)Scottish 要求風電場起停要滿足電壓質量的要求，Scottish 還要求風電場起停滿足最大
功率變化的要求，而且不多于25%的額定容量可以跳開，并在30 min 內分階段逐步退出。 5 大容量電池儲能技術對風電的平穩作用
顯然實現有功功率最重要的調節手段是儲能，大功率、大容量的儲能系統能夠平抑風電的波動性和間歇性。儲能系統的容量達到一定規模時，將儲能系統與風電機組結合，可以有效抑制或緩解風電的波動性，減小風電對電網的影響[11，12]。大容量電池儲能技術在風電并網中能夠實現如下功能：
1)平滑機組輸出：將電池儲能系統與風力發電機組相結合，在快速風速擾動下平滑風電場輸出，減少風電場輸出波動對電網的影響，降低風電波動對電網的沖擊。
2)提高風電輸出與預測的一致性：以儲能作為配合來調整輸出，根據風電場預測的出力曲線優化出力，提高風電輸出可信度。
3)提高調度能力：采用儲能系統則可以控制風力發電輸出的有功功率和無功功率，用于電力調峰，使風力發電單元作為調度機組單元運行，而且具備向電力系統提供頻率控制、快速功率響應等輔助服務的能力。
4)峰值轉移：利用大功率大容量儲能系統可以將不穩定的風能電力收集起來并在適當的時候將其平穩釋放，轉移峰值，降低對電網沖擊；
5)保證風力發電系統持續可靠地供電：當環境因素或外部條件變化較快，風力發電系統不能穩定地輸出電能時，儲能系統中存儲的能量可以產生一定的能量和功率支撐作用，保證對負載持續、穩定地供電。
6)系統運行可靠性及冗余度大大提高：多臺容量較小的并網逆變器的并聯群控運行，使得系統可以根據各種新能源發電的特點，啟動不同數量的并網逆變器進行控制，這樣就可以實現系統的發電效率最優，進一步提高系統可靠性和冗余度也將大大提高。
7)使風力發電具有可調度性：單純的新能源發電系統受環境因素的影響較大，因此，無法制訂特定的發電規劃。如果配置能量儲存裝置，就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此時發電單元的發電功率，新能源發
大容量電池儲能技術在風電中的應用 電系統可以與電網連接，實現向電網的饋電，并可以提供削峰、緊急功率支持等服務。只需按照預先制定的發電規劃進行發電。儲能裝置的容量越大，系統的調度就更加自由，就可以獲取更多的經濟利益，但需要的投資也就越大，關鍵在于找到最佳經濟平衡點。6 結論
本文綜述了國內外儲能技術的發展現狀，分析了中國風電在快速發展下所面臨的問題，提出大容量電池儲能技術在風電系統中的應用前景。國內外的研究結果表明，大容量電池儲能技術提供了具有很寬時間范圍的儲能功能，這些對解決風電并網，改善電力系統的穩定性，提高供電質量提供了新的思路和有效的技術支持。因此，世界各國，特別是發達的國家，都在積極開展這方面的研究。我們應該充分利用我國豐厚的風力資源和電力體制改革的良好機遇.積極開展這一領域的研究，為我國電力系統安全高效運行提供新的技術支持。大容量電池儲能技術在清潔能源發電中起到越來越重要的作用。市場潛力巨大、具有越來越重要的經濟價值和社會價值。
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