储能技术在风力发电系统中的应用综述

储能技术在风力发电系统中的应用综述

根据新能源振兴规划，预计到2020年我国风力装机容量将达到1.5亿kW，将超过电力总装机容量的10%。从电网运行的现实及大规模开发风电的长远利益考虑，提高风电场输出功率的可控性，是目前风力发电技术的重要发展方向。将储能技术引入风力发电系统能有效地抑制风电功率波动、平滑输出电压、提高电能质量，保证风力发电并网运行。

1、储能技术的分类

储能技术分为电磁储能、物理储能、电化学储能和热储能等4类，如图1所示。

超导储能

电磁储能

超级电容器储能

抽水储能

物理储能压缩空气储能

储能技术飞轮储能

氢储能

电化学储能液流电池铅酸电池

电池锂离子电池

热储能钠硫电池

图1. 储能技术的分类

1.1 超导储能技术

超导储能系统(SMES)利用超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网。

超导储能技术的优点是：○1、储能密度高约（108J/m3）且能长时间无损耗的储能，而蓄电池储能重复次数一般在千次以下；○2、能量的释放速度快，功率输送时无需能源形式的转换，响应速度快（ms 级），转换效率高（>96%），比容量（1~10kWh/kg）和比功率

（104~105kW/kg）大；○3、超导储能线圈的储能量与功率调节系统的容量，可独立的在大范围内选取。可调节电网电压、频率、有功和无功功率，实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿；○4、超导储能装置使用寿命长；○5、超导储能装置可不受地点限制，且维护简单、污染小。

与其他储能技术相比，超导储能仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持系统低温导致的维修频率提高以及产生的费用也相当可观。

1.2 超级电容器储能技术

超级电容器（Supercapacitor）是一种新兴的储能元件，功率密度大、储能效率高、安装简易，能够适应不同的环境而无需维护，可以单独储能，可以与其它储能装置混合储能。超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用源，以提高供电的稳定性和可靠性，实现电能的平衡、稳定控制口。

1.3 抽水蓄能

抽水蓄能装置（Pumped Hydro Storage）是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放的能源储存方式。抽水蓄能是现在最成熟的储能技术，全球共有300 个超大抽水储能系统，虽然地理条件限制，绝大多数风电场不具备建抽水蓄能电站的条件，但是抽水储能仍是应用风电场的最好方案。

1.4 压缩空气储能(CAES)

压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。

1.5 飞轮储能系统

飞轮储能单元是一种基于机电能量转换的储能装置，其基本工作原理是：飞轮储能(FESS)是一种机械储能方式，飞轮被放置在真空中，其基本原理是“充电”时将电能转换成飞轮运动的动能，并长期蓄存

起来，需要即“放电”时再将飞轮运动的动能转换成电能，供电力用户使用。飞轮并不很适合应用于风电场，但它却能够快速地抑制风力发电的快速波动，能量密度低，而且自放电率较高所以它们可以被看作是一个与风电场电池系统相结合的储能系统，而不是孤立的。1.6 氢燃料电池

当风电满发时，风能无法被完全利用，一个解决办法是将这部分多余的能量转换成氢能。氢燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。为了实现氢气作为能源载体的应用，必须解决氢的廉价制取、安全高效储运以及大规模应用这 3 个问题。氢燃料具有非常大的潜力，但距离大规模应用到风电场还有很长的路要走。

1.7 全钒液流电池

液流电池分多种体系，其中全钒电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）是技术发展主流。这种技术已经能做到MW 级，因此在大规模应用中起到非常重要的作用，液流电池比较适合风电场应用，已有风电场应用液流电池的实例了。

1.8 铅酸电池

铅酸电池应用在储能方面的历史较早，技术较为成熟，并逐渐以密封型免维护产品为主。目前储能容量已达20 MW。铅酸电池的能量密度适中，价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电力系统，且目前世界各国的风能及太阳能发电系统广泛使用的胶体密封铅酸电池。

1.9 锂离子电池

锂离子电池比能量、比功率高、自放电小、环境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素的影响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命仅是单体电池的几分之一，甚至十几分之一。磷酸亚铁锂电池是最有前途的锂电池，磷酸亚铁锂材料的单位价格不高，其成本在几种电池材料中是最低的，而且对环境无污染，适合风电场应用。

1.10 钠硫电池

钠硫和液流电池被视为新兴、高效、具广阔发展前景的大容量电力储能电池，2000 年钠硫电池已实现商业化运作。钠硫电池是各种先进二次电池中最成熟也是最具潜力的一种先进的储能电池，实现钠硫储能系统规模化，可以达到削峰，提高系统运行稳定性及提高电能

质量，其自身的长运行寿命、低维护成本及突出的超载脉冲功率输出特性，有着广泛的应用前景和经济效益，非常适合风电场储能。2、储能技术综合比较

储能技术的优缺点及其应用如表1所示。

储能技术

优点缺点应用方向超导储能大容量成本高系统稳定性、电能质量

超级电容器长寿命、高效率能量密度较低系统稳定性、电能质量

抽水蓄能大容量、低成本场地要求特殊、建设

周期长

能量管理、调频与备用

压缩空气蓄能大容量、低成本场地要求特殊调峰、系统备用

飞轮储能技术成熟能量密度较低频率控制、电能质量调节等

液流电池大容量、长寿命能量密度较低电能质量、可靠性、频率控制、削峰填谷、能量管理

铅酸电池大容量、高密度、

高效率

寿命低、有污染电能质量、频率控制、黑启动

锂电池大容量、高密度、

高效率

成本高平滑负荷、备用电源

钠硫电池大容量、高密度、

高效率

成本高、安全隐患平滑负荷、备用电源

表1储能技术综合比较

3、结语

电能存储是解决风电并网最有效的方式之一，储能形式的选择应该根据风电场的不同作用要求和储能系统为风电系统带来的利益确定。

a. 为增强风电并网后的系统稳定性, 应选择响应时间较快的超导储能、超级电容储能及飞轮储能等储能技术。

b. 为增强风电机组的LVRT功能, 应采用具备ms级响应能力的超导储能和超级电容储能等电磁储能技术。

c. 为提高风电穿透功率极限水平, 应根据限制穿透功率的主导因素来确定合适的储能系统。

d. 为提高系统供电电能质量, 应选用超导储能、超级电容储能和