风力发电系统中储能技术的应用分析

风力发电系统中储能技术的应用分析

杨进雪

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三一新能源投资有限公司

摘要：现阶段，我国社会发展迅速，面临的资源紧缺问题日益突出，因此，我国许多地区在早期就已经开始探索新能源，并且效果良好。尤其随着国家“双碳”目标的出台，新能源的开发日益受到重视。但在风电领域，风能的随机性和不稳定性成为了风电开发的瓶颈。要解决风电系统的不稳定问题，就需要采用能量存储技术。

关键词：风力发电系统；储能技术；应用分析

引言

近年来，我国风电、光伏等新能源发电量占比逐渐提升，新能源发电的不确定性和用电需求的间断性决定了电力供需波动持续存在，需要持续关注维持电力供需平衡的难度。储能可平抑电力供需波动，应用范围涉及发、输、配、用等多个环节，具有环境适应性强、配置方式灵活、建设周期短等优势，储能行业发展需求强劲。

1储能行业发展历程

（1）2016年以前抽水储能占主导地位

当时，储能以抽水蓄能为主，技术路径单一，截至2016年末，全国抽水蓄能电站装机规模约为26.7GW，占国内储能装机规模的比重约为99%。但抽水蓄能受地理及自然条件的约束较强，灵活性较低，且建设周期较长，难以满足短期内快速增长的资源调节需求。

（2）2017年以来电化学储能技术稳步发展

以锂离子电池为主的电化学储能技术不断取得突破，电化学储能开始稳步发展。中国电力企业联合会发布的数据显示，2022年，全国新增投运电化学储能电站194座，总能量达到7.86GWh，同比增长175.8%。截至2022年末，国内电化学储能累计装机规模达11GW，占国内储能累计装机比重18.4%，较2016年提高17.4个百分点。

（3）近期多项新型储能技术突破式发展

2022年1月，国家发展改革委、国家能源局发布《“十四五”新型储能发展实施方案》。在政策引导下，液流电池、钠离子电池、重力储能等多项新型储能技术取得实质性突破，国内储能产业进入多元化发展阶段。2022年，我国新型储能新增装机规模突破6GW，同比增长188%；截至2022年末，我国新型储能累计装机规模达到13.1GW，同比增长128%。

2风光储系统结构及运行特性

风电和光伏发电过程中会产生一定的能量损耗。风电和光伏发电系统的功率输出曲线可以通过风电场和光伏电站的实际功率进行拟合，从而得到风电场和光伏电站的有功功率、无功功率及弃光电量等曲线。由于风电场和光伏电站具有周期性，在风力和光电不稳定的情况下，会出现弃风或弃光现象，对电力系统安全、稳定运行造成严重影响。因此，需要在电力系统中设置储能设备，以减少风电和光伏发电并网对电力系统稳定性的影响，提高电力系统稳定性。

储能设备是以蓄电池为主体，通过充放电控制策略及相应的控制算法，有效地将风光发电产生的能量进行存储。在实际应用中，由于风力和光伏发电在昼夜、季节、天气等因素影响下存在一定的波动性，因此需要设置储能装置对其进行充放电控制。当风电和光伏发电功率与负荷需求存在较大偏差时，储能装置对其进行充放电操作，以降低风电和光伏发电功率波动对电网运行带来的不利影响。储能装置除了可调节风电和光伏发电功率波动外，还可以调节负荷需求。当电网出现无风或无光时，需要减小负荷需求以减少弃光电量；当电网出现风或光电时，需要增加负荷需求以满足电力系统运行要求。

3主要储能技术现状

3.1氢储能

氢储能属于化学储能，与其他储能技术相比，具有能量密度高、运行维护成本低、能量自耗散率低、存储时间长、无污染等优点，涉及“制、储、运、用”四个环节，整体过程较为复杂，尤其适用于大规模长时储能。现阶段的主要问题包括，适应新能源波动性的质子交换膜（PEM）电解水制氢技术不够成熟，储运氢难度大，电–氢–电的转化效率较低，约40%，氢储能系统整体成本偏高。

从市场化进程看，中国氢储能产业整体处于以小型示范项目为主的发展初期。根据不完全统计，截至2023年3月，在建和示范运行的氢储能设施共12座，电解槽总装机量超过460MW；已投入其中运行的电解槽装机量不足2MW，其余均处于规划或建设阶段。目前在运规模最大的项目是2022年7月在安徽六安投运的国内首座兆瓦级氢能综合利用示范站，该项目由1MWPEM电解水制氢装置、1MW燃料电池发电装置、200kg储氢装置组成，项目实际投资6091万元。规划项目中规模最大的是张家口氢储能发电项目，项目总规模200MW/800MW·h，其中一期建设规模100MW/400MW·h，预计于2023年投入运行。

3.2抽水蓄能

抽水蓄能是在电能过剩时把水从下水库泵送至地势较高的上水库，将能量以水的重力势能形式储存起来。在用电高峰时间，再利用水的势能推动水轮发电转化为电能，是目前储能规模最大、技术最成熟、经济最优的储能技术。根据国家能源局发布的《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035年）》，未来我国抽水蓄能产业规模将大幅提升，到2030年投产总规模达120GW左右。抽水蓄能电站的发展主要存在三方面局限。一是选址困难，需要合适的地理条件来建造水库和水坝；二是建设周期长，从勘查、施工到运行需要10～15年时间；三是初期投资巨大，吉瓦级的抽水蓄能电站初期投资在30～40亿元。

3.3电化学储能

电化学储能技术利用电能和化学能之间的转换实现电能的存储和输出，具有快速响应和双向调节的技术特点，环境适应性强、小型分散配置且建设周期短的优点，可在电力系统电源侧、电网侧、用户侧承担不同的角色。电化学储能技术路线多样，且发展阶段各有不同，主要选择锂离子电池、钠离子电池、全钒液流电池和锌溴液流电池4种已经进入商业化或示范阶段的种类进行分析。锂离子电池储能在技术特性方面优势突出，而钒电池、钠电池等有望成为储能行业大发展赛道上的新星。

4风力发电系统中储能技术的具体应用

4.1氢燃料储能技术

储氢装置是一种电化学装置，将燃料和氧化剂的化学能持续转化为电能。燃料电池储存装置的容量没有上限，根据电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和碱性燃料电池。燃料储存装置分为电解质、阴极和阳极，它们的工作原理相同。目前，风能系统中最常用的燃料储存单元是固态储存单元和质子交换膜燃料储存单元。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）能量储存系统的工作原理：首先，通过双极板的气体通道，将氢和燃料气体引入到燃料储存设备的两极，再由膜电极的位置扩散到催化层中；其次，膜阳极催化剂表面的氢气分解为电子、质子和水，电子以电荷方式通过外电路到达阴极，并通过质子交换膜的磺酸基到达阴极，在阴极催化剂的表面，氧分子与进入阴极的三种物质发生反应。氢燃料储存技术可以实现长时间的储存，金属化、液化和压缩是目前最常见的氢储存技术，可利用燃料储存装置、电解槽和氢储箱三大模块组成氢储存装置，并将其用于风电系统。

4.2混合储能技术

目前国内风力发电系统大多采用蓄电池作为能量存储设备，但其能量密度较小、寿命较短、维修工作量大且环境污染严重，需加大回收力度。超级电容储能装置具有免维护、耐用、能量密度高且效率高的特点，分为主动和被动两种。混合储能装置是通过平行连接一个电池储能装置和一个超级电容器储能装置组合使用而产生的，使用这两种并联方式优化电池的充电和放电过程，延长电池的使用寿命，提高其技术和经济性能，提高电池的转换效率。

结语

在风力发电系统中，能量存储技术是一种非常关键的技术，它能够保证电网的稳定运行，提高电网整体的运行质量。必须加大对风电中储能技术的研究力度，因地制宜，合理地选择适合的储能技术，以便更好地推动其在风电领域的应用。

参考文献

[1]任锐焕．智能配电网中分布式储能布局优化配置研究[J]．电气应用，2021，40(4)：31-35．

[2]李宇昕，金钧．基于超级电容储能技术的CRH380BG动车组自力行走技术研究[J]．电气应用，2022，41(5)：67-72．