1、風電場配置儲能電池的技術經濟性淺析常金旺國電科學技術研究院，江蘇省 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 contrad

2、iction 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.K

3、EY WORD: Wind Power; Storage Battery; Economics摘要：風電的間歇性、不穩定性、不可調性和不可控性與用戶連續不間斷用電之間的矛盾，使這種能源形式很難以成為商業化的主體替代能源。本文就風電場配置儲能系統的必要性、可行性進行了簡要分析，對風電場配置儲能電池經濟性核算要素進行了分析并做了簡要測算。關鍵詞：風力發電；儲能電池；經濟性1 風電場配置儲能系統的必要性由于風能發電受到氣候和天氣影響，風速的變化給風電機組的出力帶來了很大影響，弱風和無風時段出力減小或停機，負荷低谷時段又有可能風速較大，發電功率難以保證平穩，造成頻率和電壓不穩。電力系統要求是供需一致，

4、電能消耗和發電量相等，一旦這平衡遭到破壞，輕則電能質量惡化，重則引發停電事故。因此風電的并網問題面臨諸多矛盾，成為風電規模開發的瓶頸。國家2005年頒發的可再生能源法雖然規定了電網和發電雙方通過并網協議，全額收購可再生能源并網發電項目的上網電量，但近幾年來，隨著風電機組在電網中比例增加，電網對風電的全額收購變得困難、難以落實。目前有些區域電網對已經并網的風電場，采用后夜低谷時段停運一些風機來實現負荷調節。修改后的可再生能源法于2010年4月1日實施，與2005年版本相比，修改后的法律有兩大亮點，一是明確國家實行可再生能源發電全額保障性收購制度，二是國家財政設立可再生能源發展基金。但是實施細則還

5、沒有出臺，面臨的問題仍然存在。區域電網中風電裝機容量在一定比例內，由并網的常規火電甚至水電機組承擔了調峰任務，當電能質量滿足用戶需求（包括電網企業在網側或需求側通過配置儲能系統等設備）的前提下，且風電未執行峰谷上網電價，風電場投資配置儲能系統是沒有必要的。當并網運行的風電機組裝機容量比例逐步增加，承擔調峰任務的常規電源點無法實現匹配調節時，風電的并網條件或運行條件必然提出均衡發電的要求。這種要求有可能以技術標準的形式提出。對新建的風電機組或已并網的風電機組也可能區別對待，但此時，即使沒出臺峰谷上網電價政策，風電場配置儲能系統就變為必要條件。從技術層面來講，儲能系統的作用是削峰填谷，能達到平衡電

6、力負荷、改善電能質量的目的。儲能用在發電側、輸配電側、用戶側都是可以的。儲能技術已被視為電網運行過程中“采、發、輸、配、用、儲”六大環節中的重要組成部分。系統中引入儲能環節后，可以有效地實現需求側管理，消除晝夜間峰谷差，平衡負荷，調整頻率，補償負荷波動，提高系統運行穩定性，更有效地利用電力設備。儲能技術的應用是一種趨勢。從可再生能源利用來說，有風而停機也是一種浪費。無論并網風電還是非并網風電，要達到保證系統安全穩定運行且最大化利用風能這個目標，運用儲能裝置是必然的選擇。2 風電場配置儲能系統的可行性電能儲存的形式可分為四類：機械儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等) 、化學儲能(如液流電

7、池、鈉硫電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等) 、電磁儲能(如超導電磁儲能、超級電容器等)和相變儲能(如冰蓄冷等)。儲能也可按儲能放電時間長短來劃分。充放電速度快、反應靈敏的儲能裝置可用于調頻、調相和調壓，保證電能的質量，這主要應該由電網側解決。如超導、超級電容、飛輪。容量密度大的儲能裝置適合用于風電場調峰。當某個時間段內風力資源豐富時，電網的電力需求卻處于低谷時期，此時可以利用大容量的儲能裝置“削峰填谷”，將“過剩”的電能儲存起來，在電網負荷高峰期將電能平穩的釋放出來。如鉛酸電池、液流電池、壓縮空氣等。 國內外大容量的儲能裝置的研發方興未艾，儲能技術在并網風電場中的應用已被廣泛研究，相關學者正努力攻克

8、大容量儲能技術，并不斷降低單位儲能成本。已有眾多研究結論分別闡述了不同儲能系統的特點，如飛輪儲能系統來實現風電機輸出功率補償，具有儲能密度大、充放電速度快且無環境污染的優點；串并聯型超級電容器儲能系統對平滑風力發電系統輸出功率的影響，具有高功率密度、高充放電速度、控制簡單、轉換效率高、無污染等特點；電池儲能系統在改善并網風電場電能質量方面具有快速的功率吞吐率和靈活的四象限調節能力；超導儲能系統具有良好的動態特性、四象限運行能力和無損儲能等優勢1。從多種儲能技術的特點綜合分析，風電場適合配置大容量、長時段、轉換效率高的儲能技術，應立足于儲能釋放周期在至少一個峰谷周期，或者說至少一天。滿足這樣這個

9、基本需求的、能夠大容量儲能的方案，目前鉛酸蓄電池、液流電池是最有可能實現的。鉛酸蓄電池的優點是：成熟、廉價、安全，有一萬安時以上的大型產品；缺點：比能量低，深放電時循環壽命較短 ，鉛在冶煉時有污染。但也有運行案例，比如，美國加州有40MWh的鉛酸蓄電池蓄能電站在運行。但循環壽命短依然是儲能應用的軟肋。新型的釩液流電池技術正在興起。對釩液流電池的研究報道近幾年來不斷見諸媒體。中國科學院大連化學物理研究所2008年11月，研制出10kW電池模塊，集成出100kW級的全釩液流儲能電池系統。2009年3月，承德市某企業集團500兆瓦全釩液流儲能電池項目開工。2009年北京金能燃料電池有限公司在釩電池的

10、核心材料全氟離子膜、電極、電解液以及電池堆結構等方面擁有著多項專利技術。2009年7月，國家電網所屬的新源控股有限公司在河北省張北縣計劃開發規模為50萬千瓦風電、10萬千瓦太陽能光伏發電、7.5萬千瓦化學儲能的風光儲能綜合示范項目。可見釩液流電池的工業化應用已經有一定基礎條件。釩液流電池的優點(1)大規模蓄電，選址不受地域限制；(2)安全，可深度放電；(3)有很大的充放電速率； (4)長壽命，高可靠性； (5)無排放，噪音小； 6)啟動快，充、放電切換快；7)價廉，1-2年可建成；(8)運行和維持費低。缺點是(1)正極、負極電解液交叉污染；(2)要用價貴的離子交換膜； (3)兩份溶液，體積大，

11、平均之后比能量低。3 風電場配置儲能電池的經濟性壓縮空氣儲能需要配備燃氣輪機，鉛酸蓄電池的壽命短目前沒有很好解決，此處不作分析，本節僅對釩液流電池儲能系統進行經濟性分析。對于配置儲能系統而改善電能質量帶來的間接經濟效益不做分析,僅分析風電場峰谷電價差帶來的直接經濟收益。計算儲能裝置投資收益的的邊界條件有以下幾個：1、儲能系統的初投資(元/KW)，2、儲能系統運行維修費用3、儲能系統利用率，4、峰谷電價差額。儲能系統的初投資應包括：場地與廠房、電能儲存與轉換設備、充放電監視控制設備三大部分。儲能設備的配置宜在風場升壓站附近集中布置，通過變壓器、整流逆變設備和母線連接，廠房占地面積由儲能容量和工藝

12、設備確定。對液流電池來說，廠房內要擺放電池模塊、電池液體罐、整流逆變設備和控制機柜，估算值約100m3/MW 。電池儲存與轉換設備。這是決定初投資的因素。儲能功率和容量的選擇是一個關鍵問題。第一種方法設定風力發電機始終以最大功率點跟蹤(MPPT)方式運行，當負荷較輕(如夜間)時，部分電能被儲存，當負荷重且遇到弱風時，儲能設備中的能量被轉換成電能進行補償。選取儲能容量大小時，要根據電負荷低谷時段需要儲存的電能做基數，立足于讓儲能裝置每日充放電充分，確定儲能電池的轉換功率（kW）和容量（kWh）。例如，100MW的風電場，有風期每日夜間有7小時低谷，低谷期間平均輸出60MW有功，則還有約40MWx

13、7h=280MWh的電能可以儲存，在高峰時段內，以不大于40MW的功率，間歇或波動性地將儲能裝置中的280MWh的電能送到電網側。第二種思路是降額發電，即在正常情況下，風電場不按照最大功率點跟蹤的方式運行，而是按最大功率的一定百分比發電，當風力下降或上升時，相應地提升或降低發電能力，以減緩發電量的隨機波動。第二種方法直接影響了風能利用的效率，大大降低了運營利潤，且調節能力有限。文獻1以實際風電場風速概率密度曲線為基礎，研究了大型風電場要達到長期有功功率穩定輸出所需儲能能量的計算方法，初步結論為風電場視作59%的裝機功率才能實現風電場長時間穩定輸出，這表明1個100 MW風電場經計算后得出的期望

14、值為59 MW，調度中心可將此風電場看成是一個裝機容量為59 MW 的發電廠。需要說明的是，依靠儲能系統實現有功功率的恒定輸出對電網來說也不是理想工況。因此建議采用第一種方法選擇儲能容量。采用進口杜邦離子膜的全釩液流電池成本約在8840-17680元/ kW（文獻2,并按美元匯率6.8折算）。如果用國產的離子膜，全釩液流電池成本基本在6000-8000元/ kW。其中釩電池液制配費用，按13萬元/噸推算約800-1200元/ kWh。電池直流與交流轉換環節基本屬于常規整流逆變設備，但是諧波對電池的影響、充放電速率的控制，都應結合電池特性作相應的改進。系統監控設備也一樣。釩液流電池的運行維護成本

15、一般在204-428元/kW.a2。釩液流電池目前的效率約在75%-80%。目前，風電上網電價執行的是國家發展改革委關于完善風力發電上網電價政策的通知（發改價格20091906號）規定，2009年8月1日之前核準的風電項目，上網電價仍按原有規定執行，自2009年8月1日起，風電價格執行四個區域電價，沒有峰谷價格差。按照上述基本數據可以進行投資估算，假設峰谷電價差為0.4元/kWh,利用小時按2000小時/年，靜態投資回收年限估算值如下表。改變不同的邊界條件，可以進行不同的測算。估算時還進行了以下幾項假設：電池廠房造價包括電化學車間應滿足的安全技術條件投資；年利用小時折算到滿風出力天數，每天按7

16、小時低谷期間全容量用來充電（對于已選定的儲能電池來說屬于全充，而不是風電場裝機容量全用于充電，即儲能電池有效容量按選定充電功率乘以7小時，實際選定電池容量按效率75%折算，是儲能電池有效容量1.33倍）。靜態投資單位成本作為估算值來設定。投資收益=谷電峰用電量×峰谷電價差×（利用小時/全年小時數）。表1 靜態投資回收年限估算值靜態投資單位成本(元/kW)運營成本(元/kW.天)谷電峰用電量(kWh/天)峰谷電價差(元/kWh)回收年限(年)18000170.47715000170.46410000170.4438000170.4344 結束語 國家可再生能源法規定的全額保障性收購風電電量如果能夠落實，風電場沒必要配置儲能系統。當上網電價采用峰谷電價時，投資收益主要由峰谷電價差額度、儲能電池系統造價、儲能電池壽命決定，目前處于工業試驗階段，從經濟性看不具備應用條件。隨著高性能低成本專用離子交換膜、高穩定性高活性專用電極材料及電極制備等關鍵技術方面