淺談儲能技術在風力發電系統中的應用

中國三峽新能源（集團）股份有限公司甘肅分公司 孫金合

1 引言

風力發電是通過自然界中的風能來推動風機槳片旋轉，風機槳片將動能用于驅動發電機運行來輸出電能。風能是自然界中存在的隨機性能源，風速的改變會導致風力發電系統輸出功率存在著一定程度的脈動，風電裝機容量大，且輸出功率產生的脈動會對電網正常運行帶來較大影響，我國對風電場10min和1min有功功率變化最大限值進行了明確的規定。因此，增加風力發電儲能裝置可以有效解決該問題，通過對負荷頻頻率進行控制，可作為風力發電系統的能量緩沖和后備，可以有效抑制風力發電引起的電壓波動和閃變[1]。

2 儲能技術的介紹

2.1 物理儲能技術

抽水儲能可通過在河流下游安裝水泵，將下游水吸取至上游水庫，需要發電站放水，為將富余電能轉變為水勢能，在需要供電時再將水勢能轉變為電能。抽水儲能技術在電能調度管理方面發揮著重要作用，對電能實現大容量存儲，儲能釋放后可滿足數10h以上的電能需求，在電網削峰填谷方面也起到較大作用，有利于保證電力系統供電穩定性，很多國家和區域都采用了該物理儲能技術。但抽水儲能對地理條件有著較高的要求，基礎設施建設成本高且需要耗費較長的建設周期[2]。

壓縮空氣進行儲能，將分布式電能轉變為可存儲的空氣勢能，需要電能供應時將壓縮空氣勢能轉變為電能，需要加工制造滿足壓縮空氣所需要的壓力容器，并安裝于地面以下空間，通過將壓縮空氣勢能轉變為推動汽輪機運轉的動能，可以有效降低對燃料的消耗，但要求壓縮空氣具有較高的功率，多應用于峰值調節和負荷平衡處理，該儲能技術也同樣對地理條件和環境條件有著較高的要求[3]。

飛輪儲能技術可將富余電能轉變為機械能，需要電能時通過釋放機械能來進行轉變，該儲能技術要求材料具有較高的性能，還需要與電力電子技術等進行結合，富余電能可以驅動飛輪進行高速旋轉，轉為飛輪動能，采用磁懸軸可以減小旋轉時產生的能量損耗，需要發電時可轉變為有功功率輸出，轉換效率可達到90%，有著較長的使用壽命，維護和保養也較為簡單，該儲能技術已經得到學術界的廣泛關注[4]。

2.2 電磁儲能技術

應用超導體材料制成感應線圈，可實現對磁場能量儲能與應用，釋放磁能即可轉變成滿足人們日常使用的電能，磁能與電能轉變時不會產生較大的能量損耗，能量利用率高，能量釋放速率較快，有著較大的功率密度。MW級超導儲能發電設備已經投入使用，可用于電網頻率調節和功率平衡等方面，但儲能裝置成本較高，隨著電磁儲能技術的不斷進步，儲能性能會進一步提升，成本也會相應減少。

2.3 電化學儲能技術

超級電容是一種功率密度高的電化學器件，可產生較大的脈沖功率，吸收電能時會在電極表面產生極化狀態，電荷可用來吸引電解質溶液中的異性離子，會在電極表面產生雙電荷層，這樣就可以建立起雙電層電容。電極間存在的微小層間距，可以讓電極表面變大，有著較大的電容量。超級電容具有較高的能量密度，使用壽命也較長，電能轉化時的損失較小，可靠性較高。超級電容技術已經取得長足的發展，多應用于電動汽車儲能和再生制動儲能等領域，電力行業也對超級電容應用于可再生能源供電進行研究[5]。

鈉硫電池、釩液流電池是近年來研發的新型電池，具有較大的能量密度、功率密度，還具有較高的轉換效率。鉛酸電池技術成熟可靠，但不具備較長的使用壽命，同時電池在生產加工和報廢處理過程中易對生態環境產生污染。

鎳鎘電池具有較長的使用期限和較高的效率，但電池容量會跟著使用頻次的增加而降低，還伴隨著重金屬污染問題。鎳氫電池循環使用壽命長，可以達到較高的電池容量，應用前景廣闊，但由于該類電池生產成本高，還會在大功率輸出時存在能量快速下降問題，制約著該類電池的產業化應用。

鋰離子電池有著較高的能量密度、功率密度，不會對生存環境產生污染，多應用于為電子設備提供電能，但大規模集成存在著較大的難度。

鈉硫電池能量密度和系統轉換率均較高，有著較長的使用壽命，多應用于電力能量管理和調度，但該電池技術只有少數公司掌握。

釩液流電池極化反應小，使用壽命長，配置較為靈活，可應用于發電站調峰和功率平衡。

3 風電場中儲能技術的應用

3.1 儲能裝置接入方式

為緩解和抑制分布式發電帶來的功率脈動，解決輸出功率受風能影響而帶來的波動，可能通過安裝儲能裝置來實現。如果自然界風能突然增大，可把富余風能轉變為其他能量進行儲存，在風力減小時把儲存的能量釋放出來，用于滿足負載功率需要，可以使風力發電系統以恒定功率輸出。接入方式根據拓撲結構的不同，可劃分為集中式、分式布。集中接入方式是將風力發電場與電網接口部位安裝儲能裝置，而分布接入方式是將每臺風力發電機部位安裝儲能裝置。

集中儲能可結合發電場內每個風機出力狀況來發出或吸收功率，可以更好地滿足供電網對有功功率的需要，可以減少儲能裝置數量，配置難度小，有利于對風電場的調度控制，但隨著變流和儲能裝置容量的變大，實施的難度也在增大。分布式接入方式，由于每臺風力發電機組均需要安裝儲能裝置，每個儲能裝置的容量都不大，可對單臺風力發電機組進行功率平衡，確?？梢詫崿F平滑曲線下的有功功率輸出，要結合風能情況來合理安裝足夠數量的電力儲能裝置，但受到該儲能裝置安裝較為復雜，不同儲能裝置間的接入方式也會對功率抑制方面受到不同的影響。

超級電容儲能技術可以釋放出較大的功率密度，釩液流電池儲能技術可以具備很好的能量密度，而分布式發電接入方式不會對儲能容量有著更高的要求，但是采用集中式接入方式卻要求儲能供電裝置有著更高的容量，釩液流電池也會受到使用規模的影響，單位功率使用成本會相應的降低，因此在分布式接入方式情況下，可采用超級電容進行儲能，集中式可采用更高能量密度的釩液流電池進行能量存儲。

3.2 分布式儲能方式

雙饋風力發電和直驅風力發電會在兩側變流器間設置有直流母線通道，可將超級電容儲能裝置與直流母線端連接，自然界風能流動速度降低至風電機組輸出功率不能滿足供電需求時，儲能供電裝置會通過直流側釋放電能，再流經并網變流裝置轉換成交流提供給電網電能，這樣就可以達到恒功率輸出的要求，確保電網輸入功率的平滑穩定。如果風速較大，風力發電機吸收的功率超過電網供需要求，可將多余電能通過直流側輸出給超級電容儲能裝置，可以將多余的風能轉化為電能存儲起來，在保證恒功率輸出的同時，還可以更好地節約能源，這就是儲能裝置與直流側進行并聯的基本原理，下文將對雙饋風力和直驅風力發電中的應用進行分析與論述。

3.2.1 雙饋風力發電

超級電容儲能裝置與雙饋風力發電機中，變流器間的直流母線進行連接，為確保電能可以在儲能裝置與直流側間的雙向流動，還需要設置有雙向直流變換器。當前，雙向直流變換器具有多種類型的拓撲結構，可劃分為隔離型、非隔離型，非隔離型拓撲結構不需要應用太多數量的元器件，通過簡易的控制結構即可實現變換作用，多應用于超級電容儲能領域。

以Buck/boost雙向直流變換器作為升壓和降壓反并聯，在boost模式下，g1、g2開關為相反狀態，g1發揮著二極管的作用。具體拓撲結構見圖1所示。g2開關為導通狀態時，電源E會流向電感L使其充電，i0=0，電容Cdc會給電阻R提供電能，U0電勢會變??；如果g2關斷，則i0=i1，電感L會向電容Cdc進行充電，U0電壓會變大。如果為buck工作模式，電路中g2相當于二極管，如果g1導通，則i0=i1，電感L為反向充電狀態；如果g1為關斷，則二極管D為續流，i0=0。

圖1 電路拓撲圖

雙向變換器位于buck或boost兩種工作模式下，可以實現能量的雙向流動，通過對風電機組輸出功率設置值和實際測量值進行比較，進行做差后輸出給比例微分調節器來確定出設定電流值，再通過與三角波進行對比后可以獲取到開關脈沖信號，然后去觸發g1、g2，這樣就可以進行雙向變流器的功率控制。

單臺風力發電儲能裝置的規模，可以采取分鐘級功率平滑控制策略。超級電容器組額定電壓為1kV、功率為500kW，輸出時間為600s，可以容納0.083mWh電能。初始電壓為800V，電容荷電為64%。雙向變流采用1kHz三角波頻率，電感參數保證電流為連續運行狀態，按照兩種不同的工作狀態來對電感值進行計算，電感值取L=0.15mH。風速以10m/s開始不斷波動上升，在1.4s左右達到最大值后快速下降，在2.5s時達到最小值，在降低到9.5m/s后又緩慢上升。不采用儲能裝置時風力發電最大功率與風速波動相符，將儲能裝置安裝于風力發電直流側以后，設定輸出功率為0.81MW，輸出功率可以很好地跟蹤給定值，不會產生較大的波動，可以達到恒功率輸出的要求。風速上升且發電功率超過設定值要求，儲能裝置會吸收多余的電能，如果風速下降不能滿足輸出功率則要求釋放電能，可以達到恒功率輸出的控制要求，儲能裝置有充放電時并不會對電網系統帶來影響，直流電壓存在著較小的波動。

3.2.2 直驅風力發電儲能裝置

兩側變流器間以直流母線進行電氣連接，超級電容器組安裝于直流母線可用于電能存儲，并接方式與雙饋風力發電相差不大。對儲能裝置的功率平滑性進行驗證，風力發電機組額定功率為2MW，直流側電壓值為1.1kV，直流側電容值為9mF。儲能裝置額定電壓0.9kV，初始值為750V，荷電狀態59%，額定功率為600kW，放電時間為600s。在不安裝儲能裝置時，風力發電機組輸出功率會跟著風速改變而波動，風機系統存在著較大的慣性，輸出功率與風速變化間存在著一定的滯后，風速下降導致輸出功率變小，峰谷差值約為0.25MW。安裝儲能裝置可將輸出功率穩定于1MW左右，可更好地跟蹤設定輸出功率，儲能在風能富余時吸收電能，風能減小釋放電能，可以進行削峰平谷，母線電壓穩定在1.1kV左右，超級電容儲能裝置的存在避免出現較大的電壓波動，不會對電力系統產生太大的影響。

3.3 集中式儲能方式

風電場出口母線部位安裝儲能供電裝置，功率變換模塊由雙向變換器、濾波器和整流器等構成，儲能單位為電池組。自然界風能變少時，風電機組輸出有功會降低，儲能供電裝置釋放出存儲的電能，功率變換器轉變為boost狀態，變流器工作于逆變模式，供電網絡可接受交流電能；風能增大則需要將變流器工作于整流模式，變換器為buck狀態，儲能供電裝置會將富余風能存儲到電池內。LCL濾波變換器為了簡化計算，直流側等效負載，交流輸入側與電壓源連接，LCL濾波器在某些頻率諧振，會對儲能系統穩定性帶來一定程度的影響，可通過在電容支路中設置電阻增加阻尼，這樣就會對諧振產生抑制。

綜上所述，風力發電系統中的風速波動和隨機性會對輸出功率產生一定的影響，儲能技術與風力發電技術進行結合，可以解決風速波動導致的功率輸出波動問題。采用超級電容應用于分布式儲能、釩液流電池應用于集中式儲能，可以實現不同儲能技術與風力發電類型的最合理匹配。從功率平滑處理效果來看，集中式儲能更適合應用于風力發電系統，還需要采用合適的風力發電場并網要求儲能容量，可以確保具有較高的操作性和實用性。