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吕锡民:储能系统是风电成功之关键
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特别推荐:《工业锅炉》征订 2019/8/6 13:10:21
 
 

随着风能发展的快速增长和风电渗透水平的提升,风电固有的可变性和不确定性,使得风电场在高渗透率电力系统上的持续可靠运行成为一大挑战。凭借灵活的充电-放电特性,储能系统(Energy Storage System, ESS)被认为是一种有效的工具,不仅针对特定风电场,ESS还可以提高整个电网的灵活性和可控性。

根据国际能源署(IEA)评估,到2020年世界每年的风力发电量将达到1282 TWh,比2009年增加近371%。到2030年,这一数字将达到2182 TWh,几乎比2020年生产翻了一番。作为最受欢迎的再生能源,风能实现了快速发展与增长。

由于风力发电的间歇性,风电与电力系统的整合带来了固有的可变性和不确定性。风电一体化对系统稳定性和可靠性的影响取决于渗透水平。从可靠性的角度来看,在相对较低的渗透水平下,净负荷波动与现有的负荷波动相当,而传统发电机,如热力或水力发电机组,具有足够的负荷跟踪能力,无需额外的营运储备。然而,随着风力发电渗透水平的增加,与传统发电机的短暂响应时间的配合变得十分重要,另外,机械故障和阵风导致风力发电和负荷的突然和极大变化,从而需要更多的储能运营。从稳定性的角度来看,与同步发电机不同,风力发电机对频率稳定性的贡献很小,甚至没有贡献。由于电力过剩或不足,风力发电变化也会降低电网电压稳定性。此时,ESS具有灵活的充电和放电能力,配合电力电子技术的最新发展和进步,使得能量存储技术成为现代电力应用的可行解决方案,潜在应用主要包括以下几个面向。

首先,藉由时间的切换,ESS可以调节发电匹配负载。同时,ESS还可用于辅助功能、负载跟踪和负载均衡等,以平衡整个电网。另外,EES还可以满足日益增长的储量需求,以管理风力发电的不确定性,提高系统运行效率,增强功率吸收,节省燃料成本,以及减少二氧化碳排放。最后,ESS还是消除波动,提高电源连续性与电能品质的潜在解决方案。

对于特定的应用程序,ESS计划的第一项任务是规划。它通常包括类型选择和容量确定。有时,还需要考虑ESS选址。另外,技术特征、经济成本和当地风电特性等几个因素也会影响ESS的选择。一旦选择了特定的ESS类型,就需要通过平衡收益和成本来实现最佳容量大小。如果没有地理限制,ESS可以被优化安装,以实现最大效益,从而降低传输系统升级成本。

ESS的操作和控制策略是为不同的应用目的而设计的。最近的研究主要集中在风电场和现场ESS的协调控制上。ESS的短期(每日或每小时)调度方案与洗刷过滤器的波动平滑是两个具有吸引力的领域。研究人员还建议可将许多分散的ESS当作虚拟存储单元和控制集中组合。由于ESS是一种昂贵的解决方案,因此ESS无法为单一应用程序行为提供经济可行性。然而,EES有助于发电系统的范围控制,因为电能可以不同能量形式存储:机械、电化学、化学、电磁、热等。

抽水蓄能(PHS)是目前最大、最成熟的储能技术。它占全球安装电力存储容量的近99%,超过120 GW。传统的PHS由两个水库组成。处于较高海拔水库代表潜在或储存能量。在非尖峰时段,水从下部水库泵送到上部水库,被视为储能过程。在电网尖峰时段,PHS进行放能过程,上部储库中的水被释放,往下流过水力涡轮机,水力涡轮机连接到发电机,产生电能。

在所有储能系统中,PHS具有最大的功率和能量等级,寿命长,效率高,具有非常小的放电损耗。PHS于风力发电一体化中的主要应用是藉由时移、频率控制和非旋转备用电源等机制进行能量管理。由于响应缓慢,PHS不适合抑制风的波动。PHS的安装取决于地理条件,以及对自然环境所产生影响。因此,其应用的灵活性很低。

第一代飞轮储能(FES)运行始自20世纪70年代,原理为在机械轴承上使用大型钢制旋转体。在储能过程中,转子被加速到非常高的速度,其可以达到20,000 rpm或超过50,000 rpm。藉由将旋转体保持在恒定速度,能量存储在飞轮中。在放能过程中,飞轮释放能量并驱动机器作为发电机之用。飞轮的主要优点在于,出色的循环稳定性,提供完全充放电循环的长寿命,低维护成本,高功率密度和高效率。FES主要用作电能质量设备,以抑制快速风力波动,提供几秒钟的中断穿越或桥接两个能量之间的转换。此外,它的功能还包括阻尼增强。主要缺点为操作时间短、自放电损耗高。FES一般认为可与其他ESS结合使用,但不适合当作风力涡轮机的单一辅助动能机具。

二次电池整体而言具有非常快速的响应时间(<秒),能够跟踪负载变化,以提高系统稳定性。自放电损耗小,往返效率高。由于高功率和高能量密度,电池储能系统(BESS)可以较短前置时间、潜在便利装设及技术模组化来促成。然而,大多数电池含有金属及有毒物质,导致了处理上的生态问题。截至目前为止,已开发且商用的各类二次电池,包括铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍金属混合(NiMH)电池、锂离子(Li-ion)电池和钠硫( NaS)电池。

液流电池(flow battery)是另一种类型的电池,其中能量储存在一种或多种电活性物质中,这些物质溶解在液体电解质中。另外的电解质通常储存在外部,通常在罐中,藉由泵送通过反应器,从而具有电池功能。能量等级由电解质的量决定,而额定功率则取决于电池堆叠的有效面积。典型的液流电池种类包括钒氧化还原电池(VRB)、多硫化物溴化物(PSB)及溴化锌(ZnBr)。液流电池已经建成MW等级,可以在未来的大规模应用中发挥更关键作用。

由于替代电极间固体电介质的共同布置,电解质溶液置于超级电容器(SC)的两个实心导体之间,让电容器存储技术目前取得重大进展。与传统电容器相比,SC具有更大的电容和能量密度,从而实现紧凑的设计。SC具有几乎无限循环的稳定性以及极高的功率密度,并且由于极低的内阻而快速充电与放电。其他优点包括耐用性、高可靠性、无需维护、高寿命、宽广温度范围和不同环境操作性。SC环保且易于回收或中和,效率保持约在90%,并且放电时间在数秒至数小时的范围内。目前SC对风电一体化支持的研究主要集中在风电场的功率平衡,利用与电池的协调,以平滑快速波动。

其他ESS技术,包括燃料电池(FC)、金属空气(MA)电池、太阳能燃料(SF),低温储能(CES)、合成天然气(SNG)和热能储存(TES),它们仍在产品或技术开发阶段,仍未广泛使用。不同应用类别需要不同ESS技术特征。其中,能源和电力等级是两个主要因素。

ESS可用于特定风电场、电网运营商或消费者等所需的不同应用场合。针对发电端,ESS装设可改善风电场内风机间的差异性,以便完成最佳风能分配,使得它们可以像传统发电厂一样被控制。对于电网端角色,ESS可提供辅助型服务,减轻整体风电系统的可变性和不确定性。另外,针对需求端角色,汇总的电动车虚拟电厂(EVPP)可以满足车主和电网运营商的双向要求。

针对ESS营运计划,选择正确ESS类型并确定ESS大小及位置非常重要。ESS大小,包括功率和能量,可以透过几种方法予以确定,包括使用历史风力轮廓线,及以风力预测误差为基础的概率方法。容量设计问题可以优化不同成本函数问题来表述。没有地形限制的选址方式可让ESS安装在任何现场位置,从而实现高效可控性。研究显示关键传输线末端或中间的节点对拥塞管理有较大影响。

展望未来,ESS运行和控制的研究将主要集中在风电场和波动缓解的ESS日常调度方案上。考量风电预测误差、技术约束、市场规则和能源价格等不同因素,单一或多个ESS的最优运行策略可被使用。为实现平滑输出目的,风电高频分量被ESS滤去和补偿。控制演算中的时间常数特具平滑效果,ESS所需功率和容量等级之间取得平衡是为其中的关键因素。

(作者为工研院能环所前研究员)

 
 
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