風力發電系統中儲能技術的應用研究

張慶偉

摘 要：風力發電儲能技術主要是指將風力發電產生的電能儲存起來，常用的儲能設備包括電池及電容器等，以提高風力發電電能供應的穩定性，從而使得風力發電技術的應用更加廣泛。隨著風力資源應用水平的不斷提升，儲能技術的應用也得到了長足的發展。文章分析了風力發電儲能技術的分類，并以某機組為例分析儲能技術的具體應用。

關鍵詞：風力 發電 儲能技術

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

風力發電是大規模利用風力這種清潔能源的最有效的途徑，其不僅可以改善能源結構，而且可以減少對環境的污染，因此在環境問題越來越突出的今天，風力發電技術也得到了迅猛發展，大規模、大容量的風電場在世界各地相繼投產。對于風力發電系統而言，儲能技術的重要作用主要體現在以下幾個方面：首先，提高風力系統的穩定性，解決風力資源穩定性差的問題；其次，風力發電系統運行穩定，即可保證整個電網系統的穩定性，從而保證電量輸出的穩定性，可提供大規模的能源支持。最后，儲能技術還可以保證電力系統中存儲足夠的電量，以為人們提供持續的、穩定的電力支持。

1儲能技術的分類

儲能技術主要包括四大類，即電磁儲能、物理儲能、電化學儲能及熱儲能，其中電磁儲能包括超導儲能、超級電容器儲能；物理儲能則包括抽水儲能、壓縮空氣儲能及飛輪儲能；電化學儲能包括氫儲能、液流電池及電池。

1.1 電磁儲能

超導儲能技術主要是利用超導體制成的線圈儲存電網供電勵磁產生的磁場，并在適當的時機將儲存的能量送回電網。超導儲能技術可以具有儲能密度高、長時間無損耗儲能的特點，而且可以快速釋放能量，可獨立的在大范圍內選取，使用壽命長，超導儲能裝置不受地點限制，維護簡單、污染小。當然超導儲技術的不足之處在于成本高。超級電容器儲能技術是一種新興的儲能元件，其具有功率密度大、儲能效果高、安裝簡易的特點，無需維護，可單獨使用也可與其它儲能裝置聯合應用。

1.2 物理儲能

抽水蓄能主要是在電力負荷低谷期將水由下池水庫抽到上池水庫，將電能轉化成重力勢能存儲起來，在電網負荷高峰期再將能源釋放出來，目前為止抽水蓄能技術的應用最為成熟，是風電場最佳的應用儲能方案。壓縮空氣儲能主要是利用電力系統負荷低谷時的剩余電力帶動空氣壓縮機，將空氣壓入大容量的、密閉的地下洞穴，將壓縮空氣轉換為氣壓勢能存儲于儲氣室。飛輪儲能系統屬于機械能方式，主要是“充電”時將電能轉換為飛輪運動的動能并儲存起來，需要用電時再將飛輪的動能轉換為電能，該儲能方法不太適用于風電場，但是其可以迅速抑制風力發電的快速波動，因此可以與其它儲能系統聯合應用。

1.3 電化學儲能

電化學儲能技術主要包括氫燃料電池、全釩液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池及鈉硫電池等。氫燃料電池主要是在風能無法被完全利用的時候，將這部分多余的電能轉換為氫能加以儲存，氫燃料電池就是將燃料的化學能直接轉換為電能。全釩液流電池是液流電池的發展主流，該技術可以達到MW級的水平，因此主要應用于大規模的風電場。鉛酸電池在儲能方面的技術更加成熟，其歷史也比較悠久，產品主要為密封型免維護型，儲能容量可以達到20MW。與其它儲能技術相比，鉛酸電池的制造成本更低，具有較高的可靠性，且其能量密度適中，在電力系統中的應用最為廣泛。鋰離子電池的發展主流是磷酸亞鐵鋰電池，其造價較低，且對環境污染小，故在風電場中的應用具有廣闊的前景。鈉流電池是一種機關報興的大容量電力儲能電池，其發展前景十分廣闊，目前已實現商業化運作。

2 100KW儲能系統的應用實踐

某儲能系統需求功率為100KW，放電時間要求2h以上，其系統結構主要包括能量轉換系統、儲能電池系統、儲能管理系統及變電站系統：

2.1 能量轉換系統

儲能系統的直流儲能電池通過能量轉換系統與交流電網之間實現雙向的能量傳遞，由此可見，儲能電池主要通過能量轉換系統與電力系統相連接。能量轉換系統要連接電池組進行放電，再連接電網接口實現并網功能。對于一個規模較大的儲能電站而言，能量轉換系統最基本的要求就是實現儲能系統與電網的并網，但其實通過能量轉換系統與電網的配合，還可以實現多種系統級的高級應用功能，包括削峰填谷、調頻調峰、動態無功支持、改善電能質量等等。由此可見，能量轉換系統實際上是一個與電力系統頻繁互動的系統級設備。

能量轉換系統包括三相并網變換器、交流側LCL濾波器、升降壓DC/DC變換器、直流側LC濾波器及儲能電池單元。其中三相并網變換器結構簡單，主要作用是恒定直流母線電壓、調節網側功率因數，并可向電網提供一定的無功補償。LCL濾波器可利用較小的電感得到更好的衰減諧波效果，具有良好的動態性能。采用該濾波器后，網側電流中所含的紋波電流小于額定電流，可保證該儲能并網系統的THD滿足電能質量要求。DC/DC變換器與直流母線并聯，起到協調每組電池單元充放電的作用等。

2.2 儲能電池系統

儲能電池系統顧名思義其主要作用就是存儲能量，本系統中的儲能單元為鈉硫電池。鈉硫電池以Na-beta一氧化鋁為電解質與隔膜，其正極為多硫化鈉，負極為金屬鈉，主要依靠電子轉移而再生能力，因此可以在短時間充電的情況下維持較長的放電時間。經過熱反應后鈉硫電池的理論能量密度在每786Wh/kg，其實際能車密度為300Wh/kg。本方案例所用的鈉硫電池為650AH單體電池，5kW功率模塊。電池模塊配備有電池管理系統，其主要作用是對電池儲能過程中的各項參數進行管理，測量、記錄電池的電壓、電流、溫度及絕緣電阻等，電池管理系統還會貫穿于儲能充發電過程中的控制，監控儲能過程中的電池狀態，系統維護人員可根據電池管理系統提供的數據對電池的質量進行評估，及時發現異常狀況。

2.3儲能管理系統

儲能管理系統的主要作用是對電池系統、并網運行等進行實時監控，儲能系統的實時狀態包含在風電場的主控系統及SCADA信息系統中。在儲能系統與電網互動過程中，主要依靠能量轉換系統與儲能管理系統的協調控制來完成，自動發電控制系統、自動電壓控制系統等均可以隨時向儲能系統發送指令，使其參與到系統調度中來。

2.4變電站系統

儲能系統主要通過變電站系統接入電網，并網后，其還可以在線統計交流輸入、輸出及效率等情況。在本文所提出的系統中，如果電網無法接收風機發出的所有電量，則能量轉換系統會將多余的電量通過并網變換器、交流側LCL濾波器、DC/DC變換器及直流側LC濾波器轉換為直流電源，這些直流電源會被暫時存儲于鈉硫電池組中，如果電網電量減少，能量轉換系統會將鈉硫電池組中的存儲的電流轉換為交流電輸送至電網中。本系統由風機升壓變交流690V低壓側接入，安裝功率100kW，通過一面電源開關柜與風機箱變低壓側母線連接，另一側與儲能PCS系統連接。

3 結語

總之，儲能技術在風力發電系統中的應用大大提高了電力資源的利用率，最大程度上滿足人們對電力資源的需求；且應用儲能技術可以根據實際情況對電力系統的運動做出相應調整，提高了電力系統運行的穩定性與適應性，促進電力資源的優化配置，降低了電力企業的投資成本及電能的應用成本，不僅大大提高了電力企業的經濟效益，且其社會效益與十分顯著，由此可見，在風力發電系統中儲能技術的應用有著重要的現實意義。

參考文獻

[1]張博.風力發電系統中儲能技術的研究[J].科技資訊，2013（35）.

[2]李長武.儲能技術在風力發電系統中的應用[J].科技創新與應用，2012（09）.