储能技术在风力发电系统中的应用研究

中广核新能源安徽分公司 赵海亮

现阶段，通过绿色可再生能源的开发以及利用，对化石能源进行替代，降低二氧化碳排放量，保护地球环境已成为大势所趋。20世纪七十年代，国外就风能发电开始加强研究，如美国、德国、丹麦等国家一些研究机构和高校，都积极参与了风能开发研究，并对风力发电进行了大规模的投资。我国风电事业发展从20世纪八十年代起步，尽管起步比较晚，但是发展速度较快，已经成为国家战略性新兴产业重要部分。国家能源局公开数据显示，2020年我国风力发电并网装机容量达到7×107kW，新增风电装机量连续多年排名全球首位；
2021年我国风力发电量达到5×108kWh以上，成为全世界主要的风电市场之一。从风力发电占全国总发电量的比重来看，目前风力发电总量仍处于一个较低的水平，风电开发的提升空间较大。相关研究表明，我国可利用的风能资源储量在109kW以上，除了陆地风力发电开发，海上风力发电开发利用也越来越受到重视，并逐渐成为风力发电未来开发的重点领域[1]。

当前，我国各个行业已经被不同的科学技术覆盖，发展日新月异，供电稳定是社会持续稳定发展的重要保障。基于此，风力发电企业对储能技术展开全方位研究，已经在世界范围内获得了优异成绩，同时将储能技术成果应用于我国各地的风力企业，逐渐成为风力发电建设中的常规化配置。将储能技术与风力发电系统结合能够提升发电稳定性，解决部分地区无法获得长久稳定的风力资源的问题，保证这些地区在少风季节依旧可以满足基本要求的发电量。从长远角度分析，储能技术推动风力发电平稳发展，让电力系统可以持续供应电量，缓解现阶段工业发展能源短缺的问题，为未来探索新能源建设争取宝贵时间。

3.1 飞轮储能技术

飞轮储能是一种新型的机械能储能方式，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，但由于其存在能量密度不高、能量会自行耗尽的不足，一些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，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关键部件构成[2]。

3.2 超导储能技术

超导储能是一种电磁储能方式，其概念于20世纪七十年代首次提出，其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（1～10Wh/kg）、比功率高（104～105kW/kg）；
超导电流密度高，决定了其响应速度极快（毫秒级）。早期超导储能装置性能优越但是造价昂贵，随着20世纪八十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。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。

3.3 蓄电池储能技术

蓄电池储能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，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。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。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。

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，以此让蓄电池极板部分或者全部具有超级电容器的特性，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。正极一般作为“锂源”，而负极需容纳大量的锂离子。锂离子电池比能量高、循环性好，并且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[3]。

全钒液流电池阴阳两极可由金属、石墨或复合材料制成。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。此外其寿命长、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（40Wh/kg）、占地面积大、工作温度范围要求高（5～45℃）等缺点。

3.4 超级电容器储能

超级电容器储能主要将电化学双电层理论作为基础，在运行过程中会产生较大的脉冲功率，使得电力表面处于最佳状态，在充电过程中，在电荷吸引力驱动下对于电解质异性离子吸附在电极表面，这样就会产生双电荷层。超级电容器储能技术装置结构很简单，并且不会有毒性物质出现，有良好的环保性。除此之外，超级电容器储能产生的电流非常大，并且充电时间很短，在充放电循环当中可较好地保持该优势，但是超级电容器也有相应的劣质，其对于充电期间电压要求很高，并且单一的电容器电压很难对于高效充电需求进行满足，因此在风电发电中，超级电容器储能通常主要应用在调节短时大功率平滑情况下。

3.5 抽水蓄能

抽水蓄能电站最初的思想是通过储蓄丰水季节多余的水量满足枯水期的发电需求。而现今除了依然保留这种功能外，更多的目的是用来解决电网电能峰谷期的供需矛盾。即利用电力系统用电低谷负荷时的剩余电力，将位于低处的水通过抽水机抽到高处蓄存起来，然后在用电高峰负荷期放出位于高处的水，通过水轮机使发电机发电，为电网补充更多的额外电力来平衡紧张的供需矛盾。这里抽水蓄能电站既扮演了耗电用户的角色，也扮演了发电站供电的角色。在电网负荷处于低谷时，抽水蓄能电站的抽水机是耗电大户，要尽可能消耗过剩的电能。而在电网负荷处于高峰时段，抽水蓄能电站又成了发电站，要尽可能发出更多电能补充电网的供电缺口。在这个身份转换过程中，抽水蓄能电站起到了对电网的稳定和平衡作用，可承担电网的调峰、调频、事故备用及黑启动等功能，提高了电网的供电质量和经济效益，使电网更加安全、经济、稳定地运行。

4.1 氢燃料储能

燃料电池储能发挥作用的方式是阴阳极在电解质中发挥电力资源存储效果，且不同的储能方式采用相同的工作原理。质子交换膜已经变成风力发电常用储能设备，作业流程可以归纳为：一是将氧气与气态燃料充分混合；
二是通过双极板提供通道，将混合气体到达储能设备的阴阳两极，并从膜电极以扩散的方式步入催化层；
三是氢气在膜阳极催化剂的影响下物理分解为细小物质电子与质子，发生反应生成水，而电子由外电路出发，经过负载到达阴极位置，质子和水分子通过交换膜抵达阴极位置；
四是氧分子位于阴极提供的催化剂表面，和已经进入阴极的3类物质进一步反应产生大量水分子，从而完成长期储能的需求（如图1所示）。

图1 氢燃料储能基本流程

氢气储能常见金属化与压缩化，当前氢储能设备主要由通过燃料完成储能工作的专业设备、用于电解水分子的电解槽，为系统提供稳定氢气的氢储罐构成。在系统接收过多风能时，电解槽会通过电解水生成大量氢气，将其存储于氢储罐中；
在储罐达到存储极限后，无法继续存储的电力将会转移至外部负载，避免能源浪费[4]。而风力发电无法供应电力需求，燃料储能存储氢气和氧气将会产生剧烈反应，产生电能可以让系统负载获得稳定电能供应。

4.2 超级电容器

超级电容器由电流采集系统、电解质、隔离物和两侧极板构成，其中电流采集系统的作用是收集当前系统的发电情况；
电解质用于离子和质子运动；
隔离物是为了避免物质相互混合。将电解质做极化处理，就能让风能得到优化储存。超级电容器在原理上与蓄电池相似。当超级电容器处于充电阶段时，通过离子状态高效储存流入系统中的电荷使它们相互反应，为复杂体提供正常电力。

大多数超级电容器使用金属氧化物或者新型纳米管当成电极材料，作为我国独立研发并得到大规模应用的碳纳米管，超级电容器具有较强的化学稳定性、良好的导电性和稳定的机械强度，在长径方面的优势也高于金属氧化物。超级电容器可以实现大于100000次充电、放电模拟测试，使用寿命较长，还可以在设备应用时稳定提供电力资源，提升电力储存的可靠性。

4.3 混合储能

当前，风力发电系统储能装置主要是蓄电池，但是蓄电池寿命比较短，功率密度很低，难度维护很高，对环境造成的污染较大，为了能够处理该问题，对蓄电池装置和超级容器进行结合，从而形成混合储能技术。超级电容器装置寿命较长，功率密度和功率效率很高，不需要维护，和蓄电池储能结合起来，通过无源式结构、有源式结构进行互补式并联，从而构建混合储能装置。该装置对两种储能方式优势进行了集合，可以对储能装置使用寿命提升，有着良好的技术性以及经济性，可以保证能量转化效果良好，基于此在风力发电系统中，混合储能装置有着很好的应用意义。

4.4 碳纳米管超级电容器

超级电容器装置的构成单元主要有电解质、极板、隔离物、电流采集装置，可以采用电解质极化实现储能。超级电容器和蓄电池储能方式比较相似，在充电过程中通过离子对电荷进行存储，实现储能效果良好。传统超级电容器基本上主要应用金属氧化物以及活性炭纤维等材质当做电极材料，随着目前超级电容器的不断发展，由此碳纳米管自身的导电性以及化学稳定性、机械强度良好，因此在当前风力发电系统中，基本上主要采用碳纳米管超级电容器当做储能方式[5]。在风电系统中，碳纳米管超级电容器能够实现十万余次深度充放电循环，电能储能效果良好，并且使用寿命非常长，所以，在风电系统中碳纳米管超级电容器有着良好的应用。

在当前的储能技术当中，技术成熟以及应用时间比较长的就是抽水蓄能技术，抽水蓄能成本较低，通常地容地貌建设水利工程。近些年，随着技术的发展，和抽水蓄能相比较，电化学储能有了非常大的发展，在这当中比较显著的就是锂电池为例，锂电池容量相比与2015年提高了整整一倍以上，锂电池制造的成本也降低了50%左右，使用寿命也比原来有了大幅提升，在政策的加持下储能相关的企业得到了政府的补贴，依照近年来的趋势，电化学储能的成本还将持续下降60%以上，在电化学储能上，锂电池的竞争力最强，适用范围最广，能效最好，成本也较低。

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。