风电储能技术

董宜煊，闫 健

（北京信息科技大学科技处，北京100192）

风能是一种绿色环保的清洁资源，其储量丰富，不会枯竭，可永续利用。风能可以在减少环境污染、满足人们基本需求的同时，产生了巨大的经济效益。20世纪70年代以来，风能的开发利用受到世界多个国家的高度重视。近年来，随着能源和环境压力的不断增大，风力发电技术得到迅猛发展，产业规模逐年提高[1]。

由于风能具有随机性和不确定性，使得风力发电与常规的火力发电和水力发电完全不同，风能发出的电力不连续、不稳定，瞬时随机波动很大，因此，为确保风电持续稳定的供电，引入储能装置能有效应对风电的短时波动性。储能装置具有启动和停机控制灵活、响应速度快速的特点，在风电系统中添加储能装置，可将具有不稳定性的电力能源收集起来，再适时平稳释放，减少弃风，有效解决了制约风能发电的瓶颈，这对于增强风力发电系统稳定性，降低企业经济成本，确保电力系统发电与用电始终保持一种动态平衡至关重要，同时储能技术也可满足风电大规模集中化电力系统的需求，展现出非常好的发展前景。

本文主要介绍适用于风电储能技术中应用较为广泛的抽水储能、飞轮储能、超导储能和蓄电池储能这4种储能方式[2]。

1 风电储能方式

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是物理储能方式的一种。它储能能量较大，通常由2个蓄水库（上池和下池）、水电厂和引水系统组成。在用电高峰或系统需要时，抽水蓄能可利用上下池水位差，将水位势能转化成动能推动水轮机旋转，进而带动发电机发电；而在用电低谷时，将下池的水再抽到上池储存起来，将电能再次转换为水的势能，存蓄在上池中，待系统需要时放水发电，虽然这种储能方式在传输的过程中能量会有所损耗，但这种储能方式能有效解决电网高峰和低谷之间的能量供需矛盾。目前，世界上的抽水蓄能储能电站总装机容量为9 000万kW，约占全球发电装机量的3%，是世界上应用最普遍的一种间接储能方式，其优点是调节响应速度快、安全经济可靠，但系统建设往往规模宏大，建设资本投入较高，地理位置要求也较高[3]，且存在对生态系统破坏的风险[4]。抽水蓄能的工作原理如图1所示。

图1 抽水蓄能的工作原理图

1.2 飞轮储能（FESS）

飞轮储能（Flywheel Energy Storage System，FESS）是一种新型的机械能储能方式，它突破了化学电池的局限，其原理是能量输入到电力系统设备中，利用电动机带动飞轮旋转，将电能转化成动能并储存在高速旋转的飞轮中，需要时再将高速运转的飞轮动能转化成电能，输送给电力用户使用。这种储能方式可以实现电能和动能之间的自由转换，但由于它存在能量密度不高、能量会自行耗尽的不足，很多企业通过增加飞轮的转动惯量和转速、改进材料构成等途径来提高飞轮存储能量的密度，使之能够充分发挥其适应性强、循环寿命长、无污染等优势[5]，在电网调频和电能质量保障方面得到更为广泛的应用。同时，大功率电力电子变流技术、高强度碳素纤维和玻璃纤维材料的出现、高温超导技术和磁悬浮轴承技术[6]都促进了飞轮储能技术的快速发展。典型的飞轮储能系统一般由电力电子输入设备、真空室、飞轮、电机、轴承、电能转换系统、电力电子输出设备和检测设备等[7]关键部件构成。飞轮储能技术原理如图2所示。

图2 飞轮储能技术原理图

1.3 超导储能（SMES）

超导储能（Super conduct i ng Magnet i c Energy Storage，SMES）是一种电磁储能方式，其概念于20世纪70年代首次提出，它是通过超导体制成的线圈将电能转换成电磁能储存在超导体中，并在需要时直接释放出来。超导储能能源释放时无需能量形式的转换，这使得其可以无限循环；超导储能的核心部件是超导线圈，其电阻为零，决定了其转换效率高（≥96%）、比容量大（1～1 0 Wh/k g）、比功率高（1 0 4～105 kW/kg）[8]；超导电流密度高，决定了其响应速度极快（毫秒级）[9]。早期超导储能装置性能优越但是造价昂贵，随着20世纪80年代高温超导材料的使用，超导储能装置的可靠性和经济性也逐步提高[10]。充分利用SMES的这些优点，可以有效解决风力发电的波动性问题，进一步提高电网暂态稳定性。超导储能系统结构如图3所示。

图3 超导储能系统结构图

1.4 蓄电池储能（BESS）

蓄电池储能（Battery Energy Storage System，FESS）是实现电能与电池化学能之间转换的传统化学储能方式，具有能量存储、输出和交换的功能。其转换系统由蓄电池储能系统与电力电子器件构成，如图4所示，该系统实现了蓄电池储能与风电交流电网之间交直流形式转换与能量的双向传递。

图4 蓄电池储能系统

蓄电池储能种类较多，铅酸蓄电池、碳铅超级电池、锂离子电池、全钒液流电池等蓄电池目前被较为广泛地应用在风电储能系统中，其中，铅酸蓄电池性价比最高，技术发展最为成熟，在储能系统中仍占主导应用地位。铅酸电池的电解液是稀硫酸，铅和铅的氧化物作为电极。化学储能方式性能比较如表1所示。由表1可知，铅酸蓄电池存在的缺点有比能量及比功率较低，寿命较短。此外，铅酸电池对温度依赖较大，其最佳工作温度范围较窄，为20～30℃。在工作温度低于此范围时，电池化学反应减速，不足以达到额定容量。工作温度过高时，化学反应过于剧烈，电解液温度升高，容易导致电池损坏。

表1 化学储能方式性能比较

为了改良铅酸电池的性能，由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSRⅠO）发明的碳铅超电池应运而生。其采用碳材料部分或全部取代铅负极[11]，以此让蓄电池极板部分或者全部具有超级电容器的特性[12]，有效提高电池的储能效率、比能量、比功率和循环寿命。

锂离子电池在1992年由日本索尼公司率先市场化。其正极材料一般采用层状结构材料LiMO2、锰酸锂材料（LiMn2O4）或具有橄榄石结构的LiMPO4等[12]。正极一般作为“锂源”，而负极需容纳大量的锂离子。由表1可知，锂离子电池比能量高、循环性好，并且它相对其他化学电池而言绿色环保，种种优点使其越来越受到人们的重视与欢迎，近年来，锂离子电池在各储能系统中发挥越来越重要的作用。

全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）于1974年由美国科学家THALLERL H提出。它的阴阳两极可由金属、石墨或复合材料制成[13]。金属材料的两极一般采用铅、金、氧化铱等材料，石墨材料两极一般采用石墨、炭黑、石墨烯等材料，复合材料两极可为高分子复合材料、导电聚合物等。VRB电解液是四种钒离子溶液。VRB设计灵活，在输出功率一定的情况下，只需提高电解质浓度或者增大电解液储存罐的容积即可增加储能容量。此外它寿命长、充放电可逆性高、自放电低、安全性高、可深度放电、环境友好，在风电、电网调峰、太阳能发电、军用蓄电等较多领域有着广泛应用。辽宁电网首座风电场电池储能示范项目就采用的全钒液流电池储能。但是全钒液流电池存在能量密度低（40 Wh/kg）、占地面积大、工作温度范围要求高（5～45℃）等缺点。

2 储能方式关键技术性能比较分析

在风电研究中，要确定选用哪种储能方式时，除了考虑风电的应用场景外，还需要考虑多种因素，其中主要包括体积容量密度、功率密度、充放电效率、寿命、经济成本和安全环境方面等，只有将多方面的因素考虑进去，才能结合实际场景选择最合适的一种风电储能方式。表2列出了本文提出的几种储能方式的关键技术性能参数和优缺点。

表2 储能技术关键技术性能参数及优缺点比较

表2（续）

通过以上几种储能方式的优缺点可以看出，技术成熟度和性能优越性最高的是抽水蓄能，它容量大、放电时间长、安全经济可靠等特点使其在发电侧占据显著优势，但是它对地形要求高，厂址选择限制要求比较明显，并存在破坏生态环境风险。飞轮储能环境友好、寿命长，但是容量小，并且只能采用磁悬浮轴承、密闭真空空间等高成本技术才能提高充放电效率。化学电池储能历史悠久，技术成熟，并且有快速动态响应、结构模块化等优点，且能实现有功无功双向调节控制。但是部分化学储能方式污染环境、能量密度低，对工作温度范围要求高。超导储能转换效率高、比容量大、比功率高、响应速度快，但是能量密度低，仅适合短时间反复充放电。

3 总结

风电大规模集中化发展，给其储能技术也提出了更高的要求，其应用前景也更加可观，目前在研究电网调峰中，多采用化学蓄电池储能技术、抽水储能技术，在研究电能质量保护时，多采用飞轮储能技术、超导储能技术，但考虑成本理论和实用场景时，很多储能技术还不能得到很好的应用，能量转换效率还有待进一步提升。随着系统可靠性、材料结构等技术的发展，新一代高能量密度、高功率密度、长寿命的储能技术将取代传统储能技术，将成为广泛应用在风电的新型储能技术。