发表时间：2020-08-12T09:43:27.070Z 来源：《电力设备》2020年第10期作者：杨达毅[导读] 摘要：分析了风力发电行业的发展趋势及其弃风现状以及目前电力系统中常用的几种调峰措施的特点与局限性；通过对电储能系统运行方式的介绍，阐述储能系统在风力发电行业中的系统调峰作用和发展前景。
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摘要：分析了风力发电行业的发展趋势及其弃风现状以及目前电力系统中常用的几种调峰措施的特点与局限性；通过对电储能系统运行方式的介绍，阐述储能系统在风力发电行业中的系统调峰作用和发展前景。
关键词：储能；风电；弃风；新能源；调峰；
1 风电行业弃风现状
新能源行业，尤其是风电和光伏产业，以其优越的环境适应性在现有能源行业中异军突起，其中不乏国家政策的倾斜与扶持。与光伏产业的离散化、家庭化不同，风电行业前期投入较高，风力发电机组的价格高昂，所以风力发电机组在我国目前的应用中还是以国有或企业拥有大型风电场形式居多，也有少数分散式或孤岛微电网存在。
在风力发电技术蓬勃发展了十余年后，国家开始逐步减少或取消财政补贴，“平价上网”成为必然趋势。截至2019年底，我国新能源发电累计装机容量达到4.15亿kW，同比增长16%，占全国总装机容量的21%；年新能源发电新增装机容量5 613万kW，占全国电源新增总装机容量的52%。其中，风电新增装机规模持续提升，截至2019年底，我国风电累计装机容量2.10亿kW，同比增长10.4%；年新增装机容量2 578万kW，同比增长21%，其中海上风电累计新增装机容量超过200万kW。
目前我国风电装机容量逐年递增的趋势非常显著，但是电力系统调峰问题却一直没有得到有效的解决。电力系统由负荷、电源、电网三部分构成，这三个部分需达到供需动态平衡特性，即电源发电、并网、负荷消耗需在同一时间顺序完成，这对于风电行业来说一直是一个不可规避的挑战。同时，这种特性也使得在风电行业内，电力消纳需要的是电力的瞬时平衡而不仅仅只是追求发电量。而在解决系统调峰问题的过程中，负荷、电网的容量无法按照发电量的增减进行改变，所以需要从电源，即发电侧进行考虑。
风能是最具活力的可再生能源之一，具有蕴藏量大、分布区域广、使用清洁等许多优点，同时又具有它的局限性，如能量密度低、稳定性较差、极热无风等，导致了风力发电具有波动性、间歇性、反调峰特性。通俗地说，在电网需要电力，即负荷高峰期，在我国气候条件下，一般为夏季，而夏季属于小风季节，可能不能满足电网需求；而在电网需要减小发电出力时，一般年内为冬春两季，可能机组处于最佳风速区间，可以达到80%甚至满发状态。这种现象在风力发电产业发展初期，规模较小，全
额收购是有保障的。而如今风电行业高速发展，大兆瓦级机组的应用和大规模风电场的建成并网，使得风力发电的电力系统调峰矛盾尖锐化，也就形成了风电行业中每个企业都十分关注的指标：弃风量。
2019年底，青海省完成了“多能源电力系统互补协调调度与控制”项目的中期评估，该项目的实施对促进新能源发电产业的可持续发展，保障国家能源安全方面具有重要意义。研发多能源电力系统互补协调调度与控制系统，利用风、光、水、气、火及储能等电源互补协调调度与控制，提升可再生能源发电量消纳能力5%以上，以减少“弃风弃光”。
2 电力系统中常用的调峰措施
依照我国电力系统要求，调峰设施应具备切入切出灵活、启动速度快的特点，其设置应满足负荷低时完成电网多余电量的消纳和高峰负荷时对电网电力的及时补充能力。目前常用的电力系统调峰电源有以下几种。
2.1 抽水蓄能
抽水蓄能电站是一种较新型的水电站，由具有一定高度差的上下两个水库构成，负荷低谷时抽水至上游水库完成储能过程，负荷高峰时由上游水库放水利用高低势能完成发电过程。这种水电站同时具有
储能和发电的作用，依靠水库地理环境，对环境影响较小，前期投资小，储能容量大，技术难度并不大，目前已经比较成熟，能量转化效率通常在75%左右。
然而因为抽水蓄能电站的地理局限性，选址难度比其他储能方式大。
2.2 发电机组
电力系统中，为了保持系统调峰能力，有些发电机组是为此需要而专门设置的。由于我国电力目前仍以火电为主，调峰机组中也有很多为燃煤火电机组和燃气轮机组，这两种发电机组负荷特性可调，在负荷高峰时可提高输出功率，低谷时降功率运行。这种设置的优势在于利用电力系统本身的发电机组，不需要额外设置储能设施进行调峰，初期投资少，并且发电机组效率高。但是劣势在于火电的响应较慢，从锅炉启动到燃气轮机组完成发电并网的时间较长，不能及时响应“削峰填谷”。
2.3 混合储能电站系统
混合储能电站是指两种或几种的储能设施组合形成的单一储能系统。融合不同储能技术可以提高整个储能系统的性能，更加灵活地满足客户和市场的个性化需求，同时为降低成本提供新的途径。在混合储能电站系统中，各种储能设施共享大部分的电网连接硬件设备，从而降低维护成本和前期资金投入。
混合储能电站可以在发电侧由发电企业、电储能企业投资建设；也可以作为独立主体由电力用户、售电企业投资建设并参与辅助服务市场的电力交易；或在用户侧建设分布式电储能设施，向就近电力用户出售。混合储能电站以其调峰效果明显、响应时间快等特点成为目前整个电力系统，尤其是新能源发电行业当前的研究趋势。目前市场上有过应用的混合储能电站以多种电化学储能方式的组合（如：铅酸电池与锂电池组合、液流电池与锂电池组合）以及电化学储能与电磁储能的组合（如：电池与超级电容器组合）为主。 大型风力发电机组3 电储能系统的运行方式和调峰作用
目前应用的电储能系统主要包括铅酸电池、液流电池、锂离子电池等各种电化学储能设施，以及超级电容、超导电磁储能等电磁储能设施。
一个完整的电池储能系统包括：铅酸电池组、电池管理系统、双向储能变流器。电池管理系统作为这个系统的核心控制单元采集电池信息并计算电池SOC（State of Charge），即荷电状态，用以反映电池的剩余容量。电池管理系统在估算电池SOC后，根据采集信息和电池组总电流，通过控制策略，实现报警和保护功能；双向储能变流器由DC/AC双向变流器和控制单元构成，控制单元通过交换机获取上一环节采集的电池组状态信息，同时接收监控调度保护信息，实现储能系统安全稳定运行。
电池以其技术成熟、能量密度大的特点成为储能系统首选的同时，又受到其功率密度低、循环寿命受
限、动态响应慢等特征的局限，于是超级电容在这种情况下走入公众视线。超级电容的特点与电池基本相反，储能虽然受限，但是功率密度大、响应速度快、循环寿命长，能够在短时间内提供或吸收较大功率。所以，将超级电容与电池融合为同一系统，二者各取所长，就成为了一种新型但可尝试的途径。
将超级电容与电池同时作为混合储能系统，在电力系统发生运行状态的变化，需要储能系统投入运行时，超级电容发挥响应速度快的优势最先启动，通过快速的充放电并迅速并网补充负荷高峰期的电网电力缺口；在超级电容储能持续工作下，电池逐渐达到动作条件，也同时承担“削峰”作用，并在较长时间里进行充放电控制，平衡系统，保证供电可靠性。在这种混合储能的应用中，通过超级电容的最优先级响应，可提高储能系统的动态响应特性，并减少电池充放电次数，延长电池寿命。
4 储能系统应用前景
目前很多风电企业已在着手进行储能型风机或是风电场储能设备的研究，有些企业已经制作出样机，或在分布式小型风电场尝试接入储能系统作为研究方向。储能系统接入风力发电机组或风电场的前景远不止于“削峰填谷”一种作用，但其在技术上存在优势的同时，其经济效益上也存在未知性，如前期的投入成本与后期所节约的“弃风量”等能否达到“收支平衡”，或者能否使风电场运营者、所有者在目前平价上网的大趋势下盈利尚无法定论。另外，储能电池在寿命终期的回收与处理问题也迟迟没有得到解决。
储能系统在风电领域的应用趋势目前在行业内还是颇受关注的，近年风电、光伏对储能设施的招标逐渐缓慢增多，这表现了行业对储能设施的尝试正在不断加深，但对其真正能够创造的效益，包括调峰收益、全年收益及投资回收期等，还需要更长时间的观察与探讨。
参考文献：
[1] 能见Eknower.2021年后海上风电中央财政补贴将全部取消[DB/OL].北极星储能网.
[2] 李琼慧.2019-2020新能源消纳形势分析[DB/OL].北极星储能网.
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