风电场配置储能电池的技术经济性浅析.doc

风电场配置储能电池的技术经济性浅析常金旺国电科学技术研究院，江苏省 南京市 210031The Analysis of Economics for Wind Energy Storage Battery CHANG Jin-wangGuodian Science And Technclogy Research Institute, Nanjing 210031,Jiangsu Province,ChinaABSTRACT: Wind power is intermittent, volatile, non-adjustable and non-controllable. The contradiction between its performance and the needs of users result that wind power is difficult to become a major energy commercialization. In this paper, The necessity and feasibility of wind energy storage system is analyzed, and the account economic factors of wind energy storage battery is estimated.KEY WORD: Wind Power; Storage Battery; Economics摘要：风电的间歇性、不稳定性、不可调性和不可控性与用户连续不间断用电之间的矛盾，使这种能源形式很难以成为商业化的主体替代能源。本文就风电场配置储能系统的必要性、可行性进行了简要分析，对风电场配置储能电池经济性核算要素进行了分析并做了简要测算。关键词：风力发电；储能电池；经济性1 风电场配置储能系统的必要性由于风能发电受到气候和天气影响，风速的变化给风电机组的出力带来了很大影响，弱风和无风时段出力减小或停机，负荷低谷时段又有可能风速较大，发电功率难以保证平稳，造成频率和电压不稳。电力系统要求是供需一致，电能消耗和发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，重则引发停电事故。因此风电的并网问题面临诸多矛盾，成为风电规模开发的瓶颈。国家2005年颁发的可再生能源法虽然规定了电网和发电双方通过并网协议，全额收购可再生能源并网发电项目的上网电量，但近几年来，随着风电机组在电网中比例增加，电网对风电的全额收购变得困难、难以落实。目前有些区域电网对已经并网的风电场，采用后夜低谷时段停运一些风机来实现负荷调节。修改后的可再生能源法于2010年4月1日实施，与2005年版本相比，修改后的法律有两大亮点，一是明确国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度，二是国家财政设立可再生能源发展基金。但是实施细则还没有出台，面临的问题仍然存在。区域电网中风电装机容量在一定比例内，由并网的常规火电甚至水电机组承担了调峰任务，当电能质量满足用户需求（包括电网企业在网侧或需求侧通过配置储能系统等设备）的前提下，且风电未执行峰谷上网电价，风电场投资配置储能系统是没有必要的。当并网运行的风电机组装机容量比例逐步增加，承担调峰任务的常规电源点无法实现匹配调节时，风电的并网条件或运行条件必然提出均衡发电的要求。这种要求有可能以技术标准的形式提出。对新建的风电机组或已并网的风电机组也可能区别对待，但此时，即使没出台峰谷上网电价政策，风电场配置储能系统就变为必要条件。从技术层面来讲，储能系统的作用是削峰填谷，能达到平衡电力负荷、改善电能质量的目的。储能用在发电侧、输配电侧、用户侧都是可以的。储能技术已被视为电网运行过程中“采、发、输、配、用、储”六大环节中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平衡负荷，调整频率，补偿负荷波动，提高系统运行稳定性，更有效地利用电力设备。储能技术的应用是一种趋势。从可再生能源利用来说，有风而停机也是一种浪费。无论并网风电还是非并网风电，要达到保证系统安全稳定运行且最大化利用风能这个目标，运用储能装置是必然的选择。2 风电场配置储能系统的可行性电能储存的形式可分为四类：机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等) 、化学储能(如液流电池、钠硫电池、铅酸电池、镍镉电池等) 、电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器等)和相变储能(如冰蓄冷等)。储能也可按储能放电时间长短来划分。充放电速度快、反应灵敏的储能装置可用于调频、调相和调压，保证电能的质量，这主要应该由电网侧解决。如超导、超级电容、飞轮。容量密度大的储能装置适合用于风电场调峰。当某个时间段内风力资源丰富时，电网的电力需求却处于低谷时期，此时可以利用大容量的储能装置“削峰填谷”，将“过剩”的电能储存起来，在电网负荷高峰期将电能平稳的释放出来。如铅酸电池、液流电池、压缩空气等。 国内外大容量的储能装置的研发方兴未艾，储能技术在并网风电场中的应用已被广泛研究，相关学者正努力攻克大容量储能技术，并不断降低单位储能成本。已有众多研究结论分别阐述了不同储能系统的特点，如飞轮储能系统来实现风电机输出功率补偿，具有储能密度大、充放电速度快且无环境污染的优点；串并联型超级电容器储能系统对平滑风力发电系统输出功率的影响，具有高功率密度、高充放电速度、控制简单、转换效率高、无污染等特点；电池储能系统在改善并网风电场电能质量方面具有快速的功率吞吐率和灵活的四象限调节能力；超导储能系统具有良好的动态特性、四象限运行能力和无损储能等优势1。从多种储能技术的特点综合分析，风电场适合配置大容量、长时段、转换效率高的储能技术，应立足于储能释放周期在至少一个峰谷周期，或者说至少一天。满足这样这个基本需求的、能够大容量储能的方案，目前铅酸蓄电池、液流电池是最有可能实现的。铅酸蓄电池的优点是：成熟、廉价、安全，有一万安时以上的大型产品；缺点：比能量低，深放电时循环寿命较短 ，铅在冶炼时有污染。但也有运行案例，比如，美国加州有40MWh的铅酸蓄电池蓄能电站在运行。但循环寿命短依然是储能应用的软肋。新型的钒液流电池技术正在兴起。对钒液流电池的研究报道近几年来不断见诸媒体。中国科学院大连化学物理研究所2008年11月，研制出10kW电池模块，集成出100kW级的全钒液流储能电池系统。2009年3月，承德市某企业集团500兆瓦全钒液流储能电池项目开工。2009年北京金能燃料电池有限公司在钒电池的核心材料全氟离子膜、电极、电解液以及电池堆结构等方面拥有着多项专利技术。2009年7月，国家电网所属的新源控股有限公司在河北省张北县计划开发规模为50万千瓦风电、10万千瓦太阳能光伏发电、7.5万千瓦化学储能的风光储能综合示范项目。可见钒液流电池的工业化应用已经有一定基础条件。钒液流电池的优点(1)大规模蓄电，选址不受地域限制；(2)安全，可深度放电；(3)有很大的充放电速率； (4)长寿命，高可靠性； (5)无排放，噪音小； 6)启动快，充、放电切换快；7)价廉，1-2年可建成；(8)运行和维持费低。缺点是(1)正极、负极电解液交叉污染；(2)要用价贵的离子交换膜； (3)两份溶液，体积大，平均之后比能量低。3 风电场配置储能电池的经济性压缩空气储能需要配备燃气轮机，铅酸蓄电池的寿命短目前没有很好解决，此处不作分析，本节仅对钒液流电池储能系统进行经济性分析。对于配置储能系统而改善电能质量带来的间接经济效益不做分析,仅分析风电场峰谷电价差带来的直接经济收益。计算储能装置投资收益的的边界条件有以下几个：1、储能系统的初投资(元/KW)，2、储能系统运行维修费用3、储能系统利用率，4、峰谷电价差额。储能系统的初投资应包括：场地与厂房、电能储存与转换设备、充放电监视控制设备三大部分。储能设备的配置宜在风场升压站附近集中布置，通过变压器、整流逆变设备和母线连接，厂房占地面积由储能容量和工艺设备确定。对液流电池来说，厂房内要摆放电池模块、电池液体罐、整流逆变设备和控制机柜，估算值约100m3/MW 。电池储存与转换设备。这是决定初投资的因素。储能功率和容量的选择是一个关键问题。第一种方法设定风力发电机始终以最大功率点跟踪(MPPT)方式运行，当负荷较轻(如夜间)时，部分电能被储存，当负荷重且遇到弱风时，储能设备中的能量被转换成电能进行补偿。选取储能容量大小时，要根据电负荷低谷时段需要储存的电能做基数，立足于让储能装置每日充放电充分，确定储能电池的转换功率（kW）和容量（kWh）。例如，100MW的风电场，有风期每日夜间有7小时低谷，低谷期间平均输出60MW有功，则还有约40MWx7h=280MWh的电能可以储存，在高峰时段内，以不大于40MW的功率，间歇或波动性地将储能装置中的280MWh的电能送到电网侧。第二种思路是降额发电，即在正常情况下，风电场不按照最大功率点跟踪的方式运行，而是按最大功率的一定百分比发电，当风力下降或上升时，相应地提升或降低发电能力，以减缓发电量的随机波动。第二种方法直接影响了风能利用的效率，大大降低了运营利润，且调节能力有限。文献1以实际风电场风速概率密度曲线为基础，研究了大型风电场要达到长期有功功率稳定输出所需储能能量的计算方法，初步结论为风电场视作59%的装机功率才能实现风电场长时间稳定输出，这表明1个100 MW风电场经计算后得出的期望值为59 MW，调度中心可将此风电场看成是一个装机容量为59 MW 的发电厂。需要说明的是，依靠储能系统实现有功功率的恒定输出对电网来说也不是理想工况。因此建议采用第一种方法选择储能容量。采用进口杜邦离子膜的全钒液流电池成本约在8840-17680元/ kW（文献2,并按美元汇率6.8折算）。如果用国产的离子膜，全钒液流电池成本基本在6000-8000元/ kW。其中钒电池液制配费用，按13万元/吨推算约800-1200元/ kWh。电池直流与交流转换环节基本属于常规整流逆变设备，但是谐波对电池的影响、充放电速率的控制，都应结合电池特性作相应的改进。系统监控设备也一样。钒液流电池的运行维护成本一般在204-428元/kW.a2。钒液流电池目前的效率约在75%-80%。目前，风电上网电价执行的是国家发展改革委关于完善风力发电上网电价政策的通知（发改价格20091906号）规定，2009年8月1日之前核准的风电项目，上网电价仍按原有规定执行，自2009年8月1日起，风电价格执行四个区域电价，没有峰谷价格差。按照上述基本数据可以进行投资估算，假设峰谷电价差为0.4元/kWh,利用小时按2000小时/年，静态投资回收年限估算值如下表。改变不同的边界条件，可以进行不同的测算。估算时还进行了以下几项假设：电池厂房造价包括电化学车间应满足的安全技术条件投资；年利用小时折算到满风出力天数，每天按7小时低谷期间全容量用来充电（对于已选定的储能电池来说属于全充，而不是风电场装机容量全用于充电，即储能电池有效容量按选定充电功率乘以7小时，实际选定电池容量按效率75%折算，是储能电池有效容量1.33倍）。静态投资单位成本作为估算值来设定。投资收益=谷电峰用电量峰谷电价差（利用小时/全年小时数）。表1 静态投资回收年限估算值静态投资单位成本(元/kW)运营成本(元/kW.天)谷电峰用电量(kWh/天)峰谷电价差(元/kWh)回收年限(年)18000170.47715000170.46410000170.4438000170.4344 结束语 国家可再生能源法规定的全额保障性收购风电电量如果能够落实，风电场没必要配置储能系统。当上网电价采用峰谷电价时，投资收益主要由峰谷电价差额度、储能电池系统造价、储能电池寿命决定，目前处于工业试验阶段，从经济性看不具备应用条件。随着高性能低成本专用离子交换膜、高稳定性高活性专用电极材料及电极制备等关键技术方面