储能技术及其在风电场中的应用现状研究

中图分类号：TM614 文献标识码：A

引言

大力发展以风力发电为代表的可再生新能源是实现我国“碳达峰、碳中和”战略布局的重要技术路径，所以近几年我国光伏发电和风力发电得到了快速发展，连续 3 年光伏和风力发电新增装机容量突破 1 亿千瓦。截至 2023 年 6 月，我国光伏发电累计装机容量约 4.7 亿千瓦，风电累计装机容量约 3.9 亿千瓦，占全国总发电装机容量的比例达到了 30% 以上。但风电具有不稳定的缺点，随着其在电力系统占比越来越高，通过火电已经很难满足电网的调控要求，这给电力实时供需平衡带来了很大挑战，风电如想继续大力发展，必须寻找其他技术手段来解决电力供需失衡的问题，储能是目前补偿该偏差的最有效的技术手段。

1 风力发电的特点与不稳定性问题

风力发电的输出功率与风速密切相关，且风速与风力的关系呈立方比例，风速的微小变化可能导致风电机组输出功率的显著波动。因此，风力发电具有明显的不稳定性特征，在风速较低或较高时，发电机组的输出功率可能接近零或者可能因过载而停运。

风力发电的不稳定性主要表现在风速的波动性、突发性变化和设备运行的限制。风速的快速变化可能导致风电输出的剧烈波动，进而对电网的稳定性构成威胁。风速突增或骤减时，风电机组的输出功率可能会出现大幅波动，这给电网的频率调节和负荷管理带来挑战。由于风电机组设备的技术限制，当风速过低或过高时，机组无法正常发电，或者自动停机进行保护，从而造成电力输出的不确定性。此外，风电场的设备故障率相对较高，维修周期长，也可能导致短期内风电输出的中断。因此，如何解决风电的波动性和不稳定性问题，保障其在电力系统中的稳定性，成为推动风力发电广泛应用的关键技术难题。

2 储能技术及其在风电场中的应用要点

2.1 机械储能

机械储能就是将电能转化为动能或势能进行存储，其形式主要包括抽水蓄能、重力储能、压缩空气储能和飞轮储能等几种。抽水蓄能有一个建在高处的上水库 ( 上池 ) 和一个建在电站下游的下水库（下池）。抽水蓄能电站的机组能起到作为一般水轮机的发电的作用和作为水泵将下池的水抽到上池的作用。在电力系统的低谷负荷时，抽水蓄能电站的机组作为水泵运行，在上池蓄水；在高峰负荷时，作为发电机组运行，利用上池的蓄水发电，送到电网。抽水蓄能是目前最可靠和经济的储能技术，一直以来，占据着储能装机容量 2/3 以上的份额。但抽水蓄能也存在投资大、建设周期长等缺点，部分区域受地形及水源影响而无法开发。重力储能、压缩空气储能和飞轮储能都是新型储能，这些技术还处于探索阶段，没有大规模应用。

2.2 化学储能

化学储能是通过化学反应将电能转化为化学物质进行存储，其形式主要包括电解水储氢、电转气和铝储能等。氢是重要的二次能源，与电不同的是，氢可以储存。氢的用途广泛，既可以作为工业原料，替代目前的各类工业生产用氢，也可以作为终端能源使用，替代化石能源消费，更是燃料电池的燃料，是交通能源低碳转型的支撑技术。因此，储氢是化学储能里研究较多的储能技术。储氢技术的关键不只是如何生产氢，氢的运输和使用都需要专门技术，成本相对较高，这是制约储氢技术大规模应用的最大障碍。电转气和铝储能是新型储能技术，这些技术还在探索阶段，距离规模化应用还有较长的路要走。

2.3 电化学储能

电化学储能是将电能储存在各种化学电池内的储能技术，其形式主要包括锂离子电池、铅酸电池、纳离子电池和液流电池等。锂离子电池相比铅酸电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，相比钠离子电池和液流电池技术更成熟。纳离子电池性能优于锂电池，综合成本更低，且纳资源丰富，是很有前途的电化学储能方式。液流电池是正负极电解液分开，各自循环的一种高性能电池，它具有容量高、使用领域广、循环使用寿命长的特点，目前，有铁铬和全钒两大商用方向。电化学储能的特点是选址灵活，能够快速布置，作为新能源发电的组成部分，与电站配合补偿运行，提高新能源发电的调节能力，是新能源配建储能的首选。近年来，锂离子电池占据了新型储能市场 90% 以上的份额。

2.4 电磁储能

电磁储能主要包括超级电容器储能和超导磁储能两种形式。超级电容器也叫双电层电容器，是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能装置。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长使用寿命等特性于一身，同时具有工作温度范围大、可靠性高、可快速循环充放电和大电流充放电等特点，特别适合地铁列车、电梯等大功率负载启动时的供电。但其成本较高，不适合作为大容量电能的存储方案。超导磁储能是一种利用超导材料零电阻，可以无能耗持续存储电磁能的储能技术，它具有能量密度高、响应快速、效率高、使用寿命长和绿色环保等优点，但超导材料成本高、需要在低温下才能实现超导性能，还无法实现商业化运营。

2.5 冷热储能

冷热储能技术是一种将热能和冷能以各种方式储存在储能系统中，以实现能源的高效利用的技术。其主要原理是通过循环流体在储能系统内部的热传递和冷传递，分别将热能和冷能储存在系统中，以便在未来使用。热能储存技术包括热储存罐、光伏储热罐等。而冷能储存技术则包括液氮储能技术、液氧储能技术等。冷热储能技术广泛应用于循环空调、工业制冷、食品加工、医疗设备以及新能源发电等领域，具有高效、经济和环保的特点。冷热储能技术具有广泛的应用前景，将会在能源领域中扮演更重要的角色，但该项技术并不十分成熟，还在不断发展和完善中。

2.6 储能系统的运行机制与调度策略

储能系统的运行机制与调度策略是确保风电与储能系统高效协同、稳定运行的关键。在项目中，储能系统通过实时监测风电场的发电数据和电网负荷情况，动态调整充放电状态。当风电输出超过电网需求时，储能系统会将多余电能储存起来；而在风电输出不足时，储能系统则释放储存的电能以平衡电网负荷。此外，储能系统还能够响应电网频率波动，通过调节充放电功率来维持电网的频率稳定。当电网频率下降时，储能系统会加快放电以支持电网；而当电网频率升高时，系统则减缓放电或进行充电，从而防止电网过载。通过这种灵活的调度策略，储能系统能够有效应对风电波动，保障电网的稳定运行，并提高风电的整体利用率。

结束语

综上所述，储能系统的自动化控制不仅有效提升了风电场的能量利用率，还显著提升了电网的安全性和可靠性。研究结果表明，合理设计的储能控制策略在优化风电场运行效率、平衡功率波动，以及实现绿色能源稳定并网方面具有重要意义。未来，随着储能技术和控制算法的进一步发展，其在风电领域的应用前景将更加广阔。

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