標簽：輸變電 電力系統(tǒng) 電池儲能技術 風電并網 智能電網

1.引言

電力系統(tǒng)是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，發(fā)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(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，任何微小擾動引起的動態(tài)不平衡功率都會導致機組間的振蕩，大容量儲能系統(tǒng)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(xiàn)任何情況下系統(tǒng)功率的完全平衡，這是一種主動致穩(wěn)電力系統(tǒng)的思想。由于這種與儲能技術相關的穩(wěn)定控制裝置不必和發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)共同作用，因此，可以方便地使用在系統(tǒng)中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時，由于這種穩(wěn)定控制裝置所產生的控制量可直接作用于導致系統(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)變化對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，對于系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的魯棒性也非常好。

2.電池儲能技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，日本、美國以及歐洲等發(fā)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(NGKINSULATORS)從阿聯(lián)酋阿布扎比水電局獲得300MWNAS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共同啟動旨在實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)。三洋電機也在其“加西綠色能源園”導入了1.5MW•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VRBPowerSystems公司在南非建造了250kW的全釩液流儲能電池示范系統(tǒng)，實現(xiàn)了全釩液流儲能電池的商業(yè)化運營。VRBPowerSystems公司為澳大利亞HydroTasmaniaonKingIsland公司建造的與風能發(fā)電配套的全釩液流儲能電池于2003年11月完成，該系統(tǒng)儲能容量為800kW•h，輸出功率為250kW。2004年2月，VRBPowerSystems公司又為castleValley，UtahPacificCorp公司建造了輸出功率250kW，儲能容量2MW•h的全釩液流儲能電池系統(tǒng)。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2MW(脈沖輸出功率3MW)，儲能容量12MW•h全釩液流儲能電池系統(tǒng)。美國利用日本住友電氣工業(yè)公司和VRBPowerSystems公司的技術，分別建立了2MW和6MW的全釩液流儲能電池示范運行系統(tǒng)。

英國的Innogy公司2000年8月開始建造第一座商業(yè)規(guī)模的發(fā)電儲能調峰演示電廠，它與一座680MW燃氣輪機發(fā)電場配套，該電能存儲系統(tǒng)儲能容量為120MW•h，可滿足10000戶家庭一整天的用電需求。

德國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)機構共同開發(fā)適用于風能和太陽能發(fā)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1MW的儲能裝置。在大規(guī)模電池儲能裝置技術方面，我國起步較晚，與國外發(fā)達國家還有較大差距，主要表現(xiàn)在：一是設備容量規(guī)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(shù)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(guī)模還很小，但隨著國家能源政策的調整和節(jié)能環(huán)保政策逐步落實，其應用規(guī)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(wèi)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(tǒng)對分布于各地的儲能站實施統(tǒng)一調度與遠程監(jiān)控。BYD在深圳龍崗建立了一座1MW(4MW•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(fā)建設全國第一個風光儲能綜合示范項目，該項目總規(guī)模為風電500MW，光電100MW，儲能70MW。張北風光儲項目是世界上規(guī)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(fā)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(fā)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1000萬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4450萬kW，風電建設的規(guī)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(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩(wěn)步提升。

在我國風電在建規(guī)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(fā)展。有數(shù)據(jù)顯示，我國風電裝機累計并網3107萬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(guī)模的并網接入對電力系統(tǒng)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(tǒng)規(guī)劃和穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn);

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(tǒng)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(guī)電源的調節(jié)和儲能系統(tǒng)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(fā)電的波動給電網帶來的各類影響是一種合適的技術選擇。通過儲能系統(tǒng)與風電系統(tǒng)的協(xié)調，不僅有效減小風電對系統(tǒng)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(tǒng)的備用容量，提高電力系統(tǒng)運行的經濟性，同時提高電力系統(tǒng)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?shù)仉娋W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(fā)嚴重事故。各國風電場并網技術規(guī)定都對風電場的有功功率變化提出了要求，如：

1)Eltra和EltraElkraft要求并網風電場lmin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(tǒng)保證在2s內降到額定功率的20%以下，EltraElkraf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15min功率變化與風電場的規(guī)模有關，小于100MW的風電場每分鐘功率變化小于5%，小于200MW的風電場每分鐘功率變化小于額定容量的4%，大于200MW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(guī)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(guī)定了風電場1min和10min的功率變化率，變化率與風電場的裝機容量有關，如小于30MW的風電場10min最大變化量為20MW，1min最大變化量為6MW;

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30min內分階段逐步退出。

5.大容量電池儲能技術對風電的平穩(wěn)作用

顯然實現(xiàn)有功功率最重要的調節(jié)手段是儲能，大功率、大容量的儲能系統(tǒng)能夠平抑風電的波動性和間歇性。儲能系統(tǒng)的容量達到一定規(guī)模時，將儲能系統(tǒng)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。大容量電池儲能技術在風電并網中能夠實現(xiàn)如下功能：

1)平滑機組輸出：將電池儲能系統(tǒng)與風力發(fā)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(jù)風電場預測的出力曲線優(yōu)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(tǒng)則可以控制風力發(fā)電輸出的有功功率和無功功率，用于電力調峰，使風力發(fā)電單元作為調度機組單元運行，而且具備向電力系統(tǒng)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(tǒng)可以將不穩(wěn)定的風能電力收集起來并在適當?shù)臅r候將其平穩(wěn)釋放，轉移峰值，降低對電網沖擊;

5)保證風力發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)可靠地供電：當環(huán)境因素或外部條件變化較快，風力發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定地輸出電能時，儲能系統(tǒng)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(xù)、穩(wěn)定地供電。

6)系統(tǒng)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(lián)群控運行，使得系統(tǒng)可以根據(jù)各種新能源發(fā)電的特點，啟動不同數(shù)量的并網逆變器進行控制，這樣就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)電效率最優(yōu)，進一步提高系統(tǒng)可靠性和冗余度也將大大提高。

7)使風力發(fā)電具有可調度性：單純的新能源發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境因素的影響較大，因此，無法制訂特定的發(fā)電規(guī)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(fā)電單元的發(fā)電功率，新能源發(fā)電系統(tǒng)可以與電網連接，實現(xiàn)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(fā)電規(guī)劃進行發(fā)電。儲能裝置的容量越大，系統(tǒng)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(fā)展現(xiàn)狀，分析了中國風電在快速發(fā)展下所面臨的問題，提出大容量電池儲能技術在風電系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)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(fā)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(tǒng)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(fā)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。