風電消納能力分析范文

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摘要：

風電具有出力波動大的特點，而儲能技術是平抑風電出力波動的有效途徑。此外，儲能技術還對電能的聚集和調節發揮著重要作用，可以增強能源安全，降低能源行業所帶來的污染。文章對現有技術條件下的儲能設備的技術參數進行了收集與研究，并且從風電接入的效能、規模、方式等方面進行了對比與分析。

關鍵詞：

平抑；風電；出力波動；儲能技術；能源行業

風能屬于可再生能源，是符合經濟與技術可行性的新能源中應用規模最大的一種。為了降低化石能源用量，確保能源安全，提升環境質量，各國都在積極利用風能資源。另外，風力發電具有出力波動大的缺點，對風電出力波動進行平抑，進而將電網運行時的壓力降低，需要對大規模電能的存儲及釋放問題給予了解決和處理，因此儲能技術成為抑制風電出力波動的研究熱點。

1風力發電技術應用現狀

煤炭在我們國家屬于重要的基礎能源，在能源總消耗中，煤炭占據著80%左右的份額，但其導致的粉塵、硫化物、PM2.5排放等環境問題也日益嚴重。此外，煤炭屬于不可再生資源，它的快速消耗將導致能源的儲備大大降低，對可持續發展帶來巨大的威脅。因此推動可再生能源的大規模應用，是加快資源集約化利用、提高能源利用效率的關鍵所在。風力發電作為一種有著廣泛現實應用和廣闊發展前景的新能源技術，其本身受氣候條件影響較大，出力不均勻、隨機性大、不可控性、波動性大等是風電出力的主要特征，如不采取相關措施，電網的安全運行也將受到風電接入的嚴重影響。因此，歐洲等國家都對接入電網的風電出力和風電規模進行了嚴格的控制，進而導致了風電的收益與利用效率的大幅下降。我國風力資源十分豐富，按照我國風能資源的最新分析結論與普查結果得知，我國有著約為32億kW的風能資源總儲量、10億kW的經濟開發風能儲量、24億的kWh的年發電量。另外，在季風氣候的影響下，我國風能分布有著巨大的差異，風能資源儲備也具有與負荷中心不一致的特點，東北、河北北部、新疆等地占據了風能資源儲量的大部分份額，因此風電的大規模、長距離送出對電網的安全穩定運行提出了巨大挑戰。現代儲能技術的發展為風電的充分利用和電網穩定提供了解決方法，儲能裝置在風電出力較大時將高出預計的電能儲存起來，而在風力不足時向電網送電彌補出力的不足，從而有效防止了棄風，增加了風電利用小時數，并且可參與電網的調峰、調頻等工作，有利于提高電網效率和安全穩定性。

2儲能技術分類與相關原理

與風力發電配合的儲能裝置需要較大的容量和較好的經濟性，而這兩方面較有優勢的抽水蓄能技術因自然條件的限制一般無法與風電進行銜接，目前主要的儲能技術研究方向如下：

2.1壓縮空氣儲能

壓縮空氣存儲是一種基于燃氣輪機技術的新型儲能技術。在儲能的過程中，壓縮機利用電能壓縮空氣，并且在儲氣室內進行存儲。在釋放的過程中，高壓空氣從儲氣室釋放進入燃燒室，再通過燃料加熱增溫后，帶動透平發電。在一般的燃氣輪機發電系統中，有2/3的透平輸出功率要被燃氣輪機的壓氣機所消耗掉，因此透平的輸出功率要遠遠大于燃氣輪機的壓氣機功率。在壓縮空氣儲能裝置中，儲能與釋放不同時工作，在釋放能量時，透平輸出功并沒有被壓縮機所消耗掉。所以，在消耗等量燃料的條件下，壓縮空氣儲能系統發電量是燃氣輪機系統的2倍，從而降低了對化石能源的依賴。此外，壓縮空氣儲能系統具有成本低、應用壽命長、儲能周期不受限制、可以在大型系統中應用的優點，但其對化石燃料和大型儲氣室的依賴性較強。壓縮空氣儲能的基本工作原理：（1）在利用壓縮機將空氣壓縮到相應的高壓后，在儲氣室內進行存儲，其中絕熱壓縮過程即為理想狀態下空氣壓縮過程；（2）加熱過程。通過儲氣室釋放了高壓空氣后，與燃料加熱燃燒之后，空氣的壓力就會逐漸被升高，通常情況下，等壓吸熱過程即該過程；（3）膨脹過程。高壓高溫的空氣會逐漸膨脹起來，帶動透平發出電能，在正常的狀態下，絕熱膨脹過程即為空氣的膨脹過程；（4）冷卻過程。在膨脹了空氣之后，會向著大氣中排放，之后再進行壓縮的過程中，由大氣進行吸收，等壓冷卻過程就是這樣的工作原理。

2.2電池儲能技術

電池儲能技術的應用已經十分廣泛，除傳統的鉛酸蓄電池以外，液流電池逐漸發展成為一種新型高效大規模電化學儲能技術。液流電池通過流動的電解液代替固體或氣體電極，促成化學能與電能之間的互相轉換并存儲能量。液流電池的電解液中存儲有活性物質，其流動性較強，能夠實現存儲活性物質和電化學反應場所在空間上的隔離，電磁容量和功率比較獨立，能夠滿足對大規模蓄電池儲能要求。因此在智能電網建設與可再生能源發電技術的帶動下，液流電池儲能技術逐漸開始了大規模的應用。本文以雙沉積型單液流電池儲能技術為例進行論述。在該電池中，在充放電時，正負兩個氧化還原點對在電極上均有固相產物沉積，所以可以對相同的電解液進行應用。正負極活性物質不需要利用離子傳導膜等昂貴設備進行分離。通過電池的電極反應得知，在充放電時，電池在固相與液相互相轉變的情況下會產生活性物質，可以說它有著比較復雜的電極反應過程。在電池過充時，正負極之間的間隙可能會被固相沉積物所填滿，導致短路問題出現，進而影響電池的使用壽命。并且H+濃度與液流電池的Pb沒有太多的聯系，在充電或者放電的時候，可以確保維持在穩定的狀態下，而且Pb有著較快的溶解沉積反應速度，反應過電勢不需要太大。

2.3超導儲能技術

該技術主要是通過超導線圈直接存儲電磁能，輸出能量時向電網中返回存儲的電磁能。超導儲能設備通常由測控系統、變流設備、超導線圈、低溫容器和制冷設備等裝置構成。其中超導儲能裝置的核心部件是超導線圈，它可以是環形線圈，也可以是螺旋線圈，只要將線圈溫度控制在其材料的臨界的度以下，線圈的導體電阻就會約等于0，從而避免電流的降低。實驗證明超導線圈的電流衰減時間在10萬年以上。當電網的運行負荷在低谷階段或風電出力較大時，超導儲能裝置能夠儲備起多余的電能，電網在高峰階段運行或風電出力較低時，儲能裝置向電網中送出存儲的電能。超導儲能裝置不但可以應用對電力系統的峰谷，借助其較快的反應速度，可以在消除或者降低電網中低頻振蕩中發揮一定的作用，從而改善電網的頻率特性與電壓穩定性。此外，超導儲能裝置還能夠調節功率因數，進而提升電力系統的穩定性。超導儲能裝置有著損耗小、反應快、體積小、重量輕的優點，并且可以在較大的功率下運行，但其需要通過電力電子裝置向電網中接入。此外，建設與應用超導儲能裝置的費用較高，現有材料的臨界溫度都較低，需要專門的冷卻裝置，因此超導儲能技術還需要進一步研究才可向商品化的方向發展。

2.4飛輪儲能技術

該技術指的是通過電動機將一個具有相應轉動慣量的飛輪帶動起來，然后急速旋轉，用機械儲能取代電能進行存儲的儲能方式。當需要輸出能量時，則用飛輪帶動發電機發電。飛輪在旋轉的過程中都以機械方式運動，可以用下式來計算飛輪轉動時的動能：1/2Jw2＝E式中：飛輪的轉動慣量用J表示；飛輪旋轉角速度用w表示。飛輪的動能與飛輪的轉動慣量及角速度的平方成正比，而轉動慣量又與飛輪的質量及直徑成正比。飛輪如果太沉重或者太龐大，或旋轉速度太快時，會出現較大的離心力。若離心力超出飛輪材料的極限強度，則會給其運行的安全性帶來很大的影響，因此飛輪動能的提升受到材料技術的制約。現階段，飛輪在電機中的轉速會達到15轉/s，相信隨著技術的不斷更新，其轉速也會逐漸提高。目前，飛輪儲能的研究也開始向著高功率、新材料的高速電機方向發展。

3結語

在目前世界能源利用向著清潔、綠色、可再生方向發展的形勢下，風電大規模開發利用必將占據能源版圖越來越重要的位置，但受風力發電出力的波動性影響，風電的集中并網、大規模跨區域的傳輸仍受到相當的限制。在當前的技術條件下，儲能技術是平抑風電出力波動的有效途徑。此外，儲能技術還能夠參與電網的峰谷差調節、頻率控制、電壓調節等環節，從而提高電網效率及安全穩定性。本文對目前研究發展中的幾種主流儲能技術進行了分析論述，闡明了其技術特點，并對其應用方向進行了討論，其中壓縮空氣儲能和液流電池儲能在風電并網中的應用前景較為廣闊。

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作者:趙一男 劉志雄 李海濱 單位:國網冀北電力有限公司經濟技術研究院