全钒液流电池储能系统在风电领域的应用研究

全钒液流电池储能系统在风电领域的应用研究

刘淑静 孙佳 封光 高海峰 韩亚楠

河北建投新能源有限公司，河北 石家庄 050000

摘要：目前我国风电装机容量不断增加、规模不断扩大的现状下，在电源侧配置具有良好动态特性、较长寿命与安全稳定的储能装置能有效加强大电网有功调节能力，提高新能源发电并网效率，促进可再生能源集约化开发和利用。从安全性、环境友好性、容量可扩展性及寿命等角度考虑，全钒液流电池成为大规模储能的首选方案。

关键词：全钒液流电池；储能系统；风力发电

中图分类号：TM614 文献标识码：A

0 引言

“十三五”期间，国内风电新增装机将达1亿千瓦，年均新增规模达2000万千瓦。其中“三北”大风电基地 5年内新增装机6000万千瓦，中东部中低风速资源区新增3000万千瓦，海上风电新增 1000万千瓦。截止2014年底，全国累计并网的容量已经达到9637万千瓦，同比增长26%，占全国发电装机总量的容量的7.2%。我国并网型风力发电经过近20年的发展，经历了科研、示范和商业等三个阶段，目前已进入规模化开发建设时期。然而，随机、间歇和波动等特性造成了风电随机波动、难以预测的问题，风电出力很大程度上依赖于自然条件，风电系统出力变化规律与系统负荷变化规律的不一致，给大电网负荷调节增加了负担，给发电、运行和调度计划的制定带来诸多困难，再生能源发电系统的直接并网面临着困难与挑战。大容量储能技术的应用将有助于打破新能源发电接入和消纳的瓶颈问题，提高新能源发电并网效率。

1 全钒液流电池储能系统

全钒液流电池是通过钒离子的价态变化，实现化学能到电能的往复转换，从而实现电能存储与释放的一种储能技术。全钒氧化还原液流电池关键部件包括电解液，炭毡电极，离子交换膜，以及将各单电池分隔的双极板；另外，电池还包括循环泵，管路系统，电解液储罐等。全钒液流电池负极和正极分别用V3+/V2+和V5+/V4+作为荷电介质，正、负极钒电解液间用质子交换膜隔开， 以避免电池内部短路。正、负极电解液在充放电过程中分别流过正、负极电极表面发生电化学反应，可在5～60℃温度范围运行。电极通常使用石墨板并贴放碳毡，以增大电极反应面积。储能系统的组成通常包括储能单元、电池管理系统（BMS）、直流变换器 DC-DC、储能系统中的能量管理系统（EMS）和储能就地保护装置，

2.液流电池储能系统的容量配置分析

储能系统的风电并网系统结构如图1所示，包括大电网及其并网点，风力发电机组，并网隔离变压器，并网逆变器与储能系统。 为了平抑风电随机波动，减小其对大电网的不利影响，可以基于某种预设的控制目标对并网逆变器进行控制，利用储能系统快速吸收或者释放能量对风电输出功率进行削峰填谷， 实现平抑减小波动的目的，其中隔离变压器起着升压、隔直等作用。

图1储能系统的风电并网系统结构 图2 风功率预测误差分析

《风电场功率预测预报管理暂行办法》规定”所有并网运行的风电场应具备风电功率预测预报能力，并按要求开展风电功率预测预报。”《办法》规定风电场功率预测系统提供的日预测曲线最大，误差不超过25%；实时预测误差不超过15%；全天预测结果均方根误差小于20%。判断预测系统是否满足实际风电场运行预报要求。

以装机容量为100MW的风电场为例，输出功率采集时间间隔为1min,上报预测数据时间为15min,两个数据间的的曲线按线性插值考虑根据风功率预测误差分析，风电功率预测误差分析如图2所示，在理想范围内不需要平抑，当越过曲线a,-a，需要电池储能系统释放或吸收功率，并将预测误差抑制到允许范围内，从平抑性能和成本考虑，还要放弃出现概率小而且要求储能功率大的预测误差。区域a,b之间的距离即为储能系统的最大出力值（包括充电和放电），储能系统的额定功率为P_ess，它将在短时间内快速响应功率预测误差，补偿功率偏移。以100MW风场为例，以平抑风电功率预测误差至25MW以内为目标，确定较优的P_ess为20MW即风电装机容量的20%，优化的储能容量在100MWh左右，储能系统充电时间为4至5个小时。

3.液流电池储能系统应用研究

通过在风电场配置储能系统，与风电出力预测相结合，利用储能系统快速调节能力，及时有效地平滑和补偿风电出力波动。由于储能系统在响应速度、调节精度上要远远优于传统火电机组，因此储能系统可以有效保证风场出力的实时、精确调节。如果要满足同等容量的风电并网调频需求，需要配置的火电机组容量为风场额定容量的1.6-2倍，而对于配置了储能的系统需要的功率容量则仅为风场额定装机容量20%左右。

储能系统在风电并网调频的应用主要分布式配置在风电场源端，不需要大规模的电网扩容和跨区调度，降低了基础建设投入和电能传输损耗。储能系统与风电输出预测相结合，可以大幅度减小储能系统的配置容量，降低一次性投入。

4.结语

大规模风电接入电网后，通过液流电池储能电站能够有效弥补风电的不连续性和间歇性，增加系统接纳风电的容量，有效减少弃风电量损失，为大规模风电的可靠接入提供经济有效的解决途径，提高电网系统安全可靠性。

参考文献

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[2] 廖强强,陆宇东,王栋,等.发电侧备用电池储能系统的技术经济分析[J].电力建设.2014, 35(01): 118-121

[3] 杨霖霖,廖文俊,苏青,等. 全钒液流电池技术发展现状[J]. 储能科学与技术，2013，2(02) :140-145

作者简介

孙佳（1986 -），男，硕士研究生，主要从事新能源发电等方面研究工作。

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