南方电网公司 许一泽

随着“双碳”战略的持续推进，风力发电产业获得长效发展，但风能具有不稳定特征，导致风力发电系统无法实现长期稳定供电，继而引发了电网频率波动、电网调峰困难等现象，极大地限制了风力发电产业的发展。面对上述情况，应积极引入先进储能技术，结合风电场实际情况搭建风力发电储能系统，用于降低风力发电不稳定性。

1 风力发电系统中常用的储能技术

2020年，我国风力发电量实现了15%的增长，已达4665亿kWh，且在“双碳”战略环境下，风电并网装机容量不断提升[1]。为进一步发挥出风力发电的优势，应重视风力发电系统储能技术的发展。

1.1 蓄电池储能技术

该技术属于传统技术手段，且在长期发展中，现已出现多样化类型。一是铅酸蓄电池。该蓄电池具有成本低、稳定可靠的优势，现已在风力发电系统中得到广泛应用，但铅酸蓄电池环保性能不佳，且无法实现资源回收利用，因此该类蓄电池的使用量逐渐下降。二是镍氢电池。镍氢电池多源于电动车产业，并未被应用到风力发电系统中，故不作赘述。三是铿离子电池。铿离子电池现逐步应用到新能源汽车产业中，但该蓄电池工艺复杂，且易受环境影响，在风电场中无法表现出优异效果。四是全钒液流电池。钒可在电池电解液条件下发生氧化还原反应，同时借助外界泵形成机械动力，使电解液可进入电池堆内，以此形成循环闭合回路，在此基础上设置质子交换膜，用于隔绝电池组，而电解质溶液可进一步进行电化学反应，继而实现电流收集存储[2]。该蓄电池储能技术具有成本低、效率高的优势，故已得到业界关注。

1.2 超级电容器储能技术

该储能技术的理论基础为电化学双电层理论，运行期间可形成较大的脉冲功率，继而确保电力表面能够保持优异状态。处于充电状态下时，受到电荷驱动效果，电池内电解质异性离子将会逐渐在电极表面集中吸附，继而出现双电荷层结构。超级电容器储能技术在应用期间不会有毒性物质形成，符合新时代可持续发展战略，且装置结构简洁，并可在运行过程中形成大电流，可在一定程度上缩短充电时间，使该储能技术能够高效完成充放电循环。该储能技术虽优势显著，但同样具有一定缺陷，即该储能技术的电压运行要求较高，故单个电容器难以表现出良好的充电效果。从风力发电系统应用角度来看，该储能技术在调节风力发电系统大功率平滑现象方面呈现出优异效果。

1.3 飞轮储能技术

该储能技术是在电能驱动下的促进圆盘旋转，在圆盘旋转期间电能逐渐转化为动能，而此时获得的动则存储于装置加速质量块内，若产生发电需求，飞轮则会在自身动能作用下提供能源，使发电机稳定发电。该储能技术属于传统技术，在储能运行期间可造成极大耗损，在飞轮储能技术改进优化过程中，逐渐在飞轮储能装置基础上融入了现代化超导磁悬浮技术，并依托于新型复合材料缩减装置体积，并借助材料优势对储能密度进行强化。结合该储能技术实际应用情况来看，其能量转化率仍可进一步提升，现已达到90%，但该储能技术具有无限次充放电、无污染等优势，凭借其现有优势，其仍可在风力发电系统内表现出优异的应用效果。

飞轮储能技术作为风力发电系统广泛应用的储能技术之一，其现已得到优化升级，在风力发电系统内，该储能技术可对短期功率波动现象进行补偿，以此大幅提升风力发电系统供电稳定性，除此之外，现阶段还提出了积木式组合飞轮结构，实现了充放电效率的增加。风能与太阳能属于现阶段主要应用的清洁能源，但两者均具有波动性特征，不利于发电系统稳定供电，因此随着电力产业的发展，现已进入大规模并网阶段，在此形势下，飞轮储能技术发展方向发生改变，加大了并网型飞轮储能技术的研究力度，同时引入新型轴承及材料，两者具备微损耗、高强度特征，极大地改进了飞轮储能技术应用效果，驱动着飞轮储能技术朝向大容量、高转速发展。为进一步提高飞轮储能技术与风力发电之间的适配度，现阶段不断研究转子结构与储能密度之间的关系，旨在通过优化转子结构而升级储能总量，继而确保该储能技术可更好地服务于风力发电系统。

1.4 超导储能技术

该储能技术以磁场为能量基础，以超导体线圈介质引导电流流动，进一步形成磁场，此时则基于该磁场储存电能，当产生电能需求后，则可将该磁场内的电能释放，可用于弥补风力发电系统不稳定的情况。该储能技术不会产生较高能量损耗，能够实现95%的能量利用率，且其具有动态性优势，当风力发电系统给出指令后，超导储能装置可迅速响应，因此该储能技术现已在风力发电系统中表现出优异效果，可补偿功率并调节频率，效果显著。

1.5 其他储能技术

上述4种储能技术较为常见，但现阶段还存在其他储能手段，如抽水储能、压缩空气储能、氢燃料储能等方式。其中，抽水储能技术需以依靠抽水蓄能电站而实现储能，限制较大；压缩空气储能在风力发电系统中主要起到调峰效果，且该技术还具备低能量损耗的优势；氢燃料储能效果优异，且绿色环保，但成本较高，故多用于航天航空领域，但在新时代环境下，该储能技术日渐完善，现已在风电场内表现出优异效果，发展前景良好。

2 风力发电系统中储能技术的应用情况

2.1 应用结构

储能技术在风力发电系统中的应用主要为解决发电供电波动随机的问题，借助储能技术实现互补，以此优化风电场运行环境。风力发电系统由塔架、风力发电机、负载装置、电能储存装置、充电控制器构成，以总线连接方式为依据，可将风力发电系统划分为交流、直流两种结构，其中直流总线型发电结构最为常用，风力发电系统中，电能储存装置安装于直流总线结构上，当该发电系统有交流电输出后，受到AC/DC逆变器影响，交流电转为直流电，通过控制器后供电给直流负载。在此过程中，储能技术主要用于存储控制器直流负载，并将其传输至AC/DC逆变器，此时直流负载将会成为AC负载，且额外电能则会在电能储存装置内进行存储，防止了电能浪费现象。风力发电系统应用储能技术时，应综合考量风况与功率间的关联，确保储能技术能够切实发挥出自身“削峰填谷”效果。

2.2 应用效果

对储能技术在风力发电系统中的应用效果进行总结，具体如下。

2.2.1 调节并跟踪负荷

当风能较弱，风力发电系统位于负荷低谷状态时，可依托于储能技术补充电能，待电力系统达到负荷高峰阶段时，可将储能装置中的电能主动放出，以此起到调节风力发电系统负荷的效果。除此之外，风力发电系统还可基于储能技术对电力负荷进行跟踪，将储能装置接入电力电子接口位置，电力负荷变化情况均可被储能装置跟踪，且一旦风力发电系统出现负荷变化现象，储能系统可及时响应，使储能技术切实发挥出其原有作用。

2.2.2 提升系统稳定性

风力发电系统功率变化较快，且所造成的现象较为明显，而储能技术在风力发电系统功率振荡环境下能够呈现出阻尼效果，以此提升风力发电系统稳定性。此外，在实际运行期间，储能技术还可对系统功率因数起到控制效果，继而校正系统功率，以此可进一步提升风力发电系统稳定性。

3 新型风力发电系统储能技术分析

为增强本次技术研究实效，选取某风电场为实例展开分析，结合该风力发电系统实际情况，选择适宜的储能技术，用于“削峰填谷”，使风力发电系统稳定运行。

3.1 基本概况

以某风电场发电为例，其由33台风电机（1500kW）构成，受到朝向、位置等因素影响，各风电机所表现出发电量参数存在一定差异，当风力强势时，易出现电能过剩现象，且电能较难存储，此时需将部分风电机停运。结合损失发电量参数来看，其与发电量参数基本持平，在一定程度上影响了风力发电系统运行效率。针对这一现象，该风电场逐步推进储能系统建设工作，从维修维护、投资成本、污染排放等方面综合考量现阶段常用的储能方式，最终选择采用电热蒸汽蓄热器作为储能设备，以此保障发电供电稳定性。

3.2 技术原理

电热蒸汽储能器能够在水载热体作用下对蒸汽压力进行存储，可在风力发电系统中用于调节负荷波动，当该电热蒸汽储能器运行时，运用该装置存储水，若遭遇用电低谷但风力强势情况，则可将过剩电能用于电热管供能，对电热蒸汽储能器内所存储的水进行加热，此时装置内水温与水压将会逐渐提升，继而成为承压饱和水，将风力发电系统内所产生的过剩电能存储为热能。当面临用电高峰但风力较弱的情况，此时电热蒸汽储能器内部压力逐渐下降，致使饱和水不再饱和而成为过热水，并进入沸腾而状态并蒸发，继而形成蒸汽，该蒸汽可对汽轮机形成驱动效果，实现发电，以此完成了热能到电能的转变，在电热蒸汽储能器作用下实现“削峰填谷”。

3.3 参数设计

立足于某风电场风力发电系统实际情况，对电热蒸汽储能器装置参数精心设置，并在装置参数基础上，计算汽轮机功率。

3.3.1 储能装置储水量

某风电场由33台风电机（1500kW）构成，将风速条件设定为10.8m/s，依据额定功率计算风力发电系统发电总量及损失发电量，得出结果分别为226783kWh、217571kWh，电热蓄热系统工作压力呈一定范围，将工作压力最大值、最小值设定为充热压力、放热压力。将风电场电热蒸汽蓄热器加热压力（P1）、放热压力（P2）分别设计为4.0MPa、0.2MPa，蓄热器加热前，其注水压力属于放热压力，此时的损失发电量数值是217571kWh，该数值代表蓄热器从储水到加热压力所形成的加热蓄热量，此时通过查验水蒸汽表可知，若加热压力为4.0MPa，此时饱和水比焓与密度分别为1087.49kJ/kg、798.36kg/m3，当放热压力为0.2MPa时，此时的饱和水比焓参数为504.704kJ/kg。依托于上述参数计算蓄热器蓄热量，公式如下：

储水量计算公式如下：

按照上述公式计算可得，蓄热器蓄热量与储水量分别约为134400kg、1683m3。

3.3.2 储能装置容积

蓄热器内应具备充足的蒸汽空间，要求电热管加热期间始终浸没在水内，此时将最高水位容积占据总容积的百分比定为充水系数，该系数与蒸汽空间、蒸发率成反比，按照技术要求，需将充水系数控制在75%至95%范围内，而案例风力发电系统将该参数定为80%，此时可计算蓄热器容积，公式如下：

3.3.3 水容积与产气量

依据质量守恒定律可计算得出放热时的水容积，公式如下：

公式（4）中，go为单位蓄热量，单位为kg/m3；V1为储水量，单位为m3；为放热压力状态的饱和水密度，单位为kg/m3。在水容积基础上，可进一步计算得出产气量，按照每日10h运行进行计算，可得结果约为348t。

3.3.4 汽轮发电机功率

结合上述储能技术原理来看，在热能转化为电能过程中，需借助热能驱动汽轮发电机，以此进行发电，因此汽轮发电机功率可在一定程度上影响储能技术的“削峰填谷”效果。按照25%的发电效率及每日运行10h的标准进行计算，该储能技术为实现良好负荷调节效果，需将汽轮发电机功率精控制在6000kW左右。

3.4 效益分析

某风力发电系统应用电热蒸汽储能器后，极大改善风力发电系统运行体系，提高了风能利用率，大幅降低损失发电量，按照每日发电10h、全年300日运行、0.61元/kWh电价的标准进行计算，汽轮发电机可创造1098万元的年发电效益，该效益同样为电热蒸汽储能器装置的运行效果，按照3500万元的总投资成本进行估算，约4年即可回收投资成本，效益显著。

综上所述，将储能技术应用到风力发电系统中具有优异的“削峰填谷”效果，且可提升清洁能源利用率，有助于提升风力发电系统经济效益。在风力发电系统建设期间，应结合风电场实际情况合理选择储能技术，并致力于新型储能技术的研究，使风力发电系统能够在储能技术的支持下而实现稳定发展。