張慶偉

摘 要：風(fēng)力發(fā)電儲能技術(shù)主要是指將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能儲存起來，常用的儲能設(shè)備包括電池及電容器等，以提高風(fēng)力發(fā)電電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，從而使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。隨著風(fēng)力資源應(yīng)用水平的不斷提升，儲能技術(shù)的應(yīng)用也得到了長足的發(fā)展。文章分析了風(fēng)力發(fā)電儲能技術(shù)的分類，并以某機(jī)組為例分析儲能技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力 發(fā)電 儲能技術(shù)

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

風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)力這種清潔能源的最有效的途徑，其不僅可以改善能源結(jié)構(gòu)，而且可以減少對環(huán)境的污染，因此在環(huán)境問題越來越突出的今天，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展，大規(guī)模、大容量的風(fēng)電場在世界各地相繼投產(chǎn)。對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，儲能技術(shù)的重要作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，提高風(fēng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決風(fēng)力資源穩(wěn)定性差的問題；其次，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即可保證整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證電量輸出的穩(wěn)定性，可提供大規(guī)模的能源支持。最后，儲能技術(shù)還可以保證電力系統(tǒng)中存儲足夠的電量，以為人們提供持續(xù)的、穩(wěn)定的電力支持。

1儲能技術(shù)的分類

儲能技術(shù)主要包括四大類，即電磁儲能、物理儲能、電化學(xué)儲能及熱儲能，其中電磁儲能包括超導(dǎo)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(xué)儲能包括氫儲能、液流電池及電池。

1.1 電磁儲能

超導(dǎo)儲能技術(shù)主要是利用超導(dǎo)體制成的線圈儲存電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場，并在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)將儲存的能量送回電網(wǎng)。超導(dǎo)儲能技術(shù)可以具有儲能密度高、長時間無損耗儲能的特點(diǎn)，而且可以快速釋放能量，可獨(dú)立的在大范圍內(nèi)選取，使用壽命長，超導(dǎo)儲能裝置不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡單、污染小。當(dāng)然超導(dǎo)儲技術(shù)的不足之處在于成本高。超級電容器儲能技術(shù)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(diǎn)，無需維護(hù)，可單獨(dú)使用也可與其它儲能裝置聯(lián)合應(yīng)用。

1.2 物理儲能

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

1.3 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能技術(shù)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(fēng)能無法被完全利用的時候，將這部分多余的電能轉(zhuǎn)換為氫能加以儲存，氫燃料電池就是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。全釩液流電池是液流電池的發(fā)展主流，該技術(shù)可以達(dá)到MW級的水平，因此主要應(yīng)用于大規(guī)模的風(fēng)電場。鉛酸電池在儲能方面的技術(shù)更加成熟，其歷史也比較悠久，產(chǎn)品主要為密封型免維護(hù)型，儲能容量可以達(dá)到20MW。與其它儲能技術(shù)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(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。鋰離子電池的發(fā)展主流是磷酸亞鐵鋰電池，其造價較低，且對環(huán)境污染小，故在風(fēng)電場中的應(yīng)用具有廣闊的前景。鈉流電池是一種機(jī)關(guān)報興的大容量電力儲能電池，其發(fā)展前景十分廣闊，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。

2 100KW儲能系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

某儲能系統(tǒng)需求功率為100KW，放電時間要求2h以上，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、儲能電池系統(tǒng)、儲能管理系統(tǒng)及變電站系統(tǒng)：

2.1 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)的直流儲能電池通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)雙向的能量傳遞，由此可見，儲能電池主要通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相連接。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要連接電池組進(jìn)行放電，再連接電網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。對于一個規(guī)模較大的儲能電站而言，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最基本的要求就是實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的并網(wǎng)，但其實(shí)通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與電網(wǎng)的配合，還可以實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)級的高級應(yīng)用功能，包括削峰填谷、調(diào)頻調(diào)峰、動態(tài)無功支持、改善電能質(zhì)量等等。由此可見，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)際上是一個與電力系統(tǒng)頻繁互動的系統(tǒng)級設(shè)備。

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括三相并網(wǎng)變換器、交流側(cè)LCL濾波器、升降壓DC/DC變換器、直流側(cè)LC濾波器及儲能電池單元。其中三相并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)簡單，主要作用是恒定直流母線電壓、調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，并可向電網(wǎng)提供一定的無功補(bǔ)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(tài)性能。采用該濾波器后，網(wǎng)側(cè)電流中所含的紋波電流小于額定電流，可保證該儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的THD滿足電能質(zhì)量要求。DC/DC變換器與直流母線并聯(lián)，起到協(xié)調(diào)每組電池單元充放電的作用等。

2.2 儲能電池系統(tǒng)

儲能電池系統(tǒng)顧名思義其主要作用就是存儲能量，本系統(tǒng)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(zhì)與隔膜，其正極為多硫化鈉，負(fù)極為金屬鈉，主要依靠電子轉(zhuǎn)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(jīng)過熱反應(yīng)后鈉硫電池的理論能量密度在每786Wh/kg，其實(shí)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(tǒng)，其主要作用是對電池儲能過程中的各項參數(shù)進(jìn)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(tǒng)還會貫穿于儲能充發(fā)電過程中的控制，監(jiān)控儲能過程中的電池狀態(tài)，系統(tǒng)維護(hù)人員可根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)對電池的質(zhì)量進(jìn)行評估，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況。

2.3儲能管理系統(tǒng)

儲能管理系統(tǒng)的主要作用是對電池系統(tǒng)、并網(wǎng)運(yùn)行等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，儲能系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)包含在風(fēng)電場的主控系統(tǒng)及SCADA信息系統(tǒng)中。在儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)互動過程中，主要依靠能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與儲能管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制來完成，自動發(fā)電控制系統(tǒng)、自動電壓控制系統(tǒng)等均可以隨時向儲能系統(tǒng)發(fā)送指令，使其參與到系統(tǒng)調(diào)度中來。

2.4變電站系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)主要通過變電站系統(tǒng)接入電網(wǎng)，并網(wǎng)后，其還可以在線統(tǒng)計交流輸入、輸出及效率等情況。在本文所提出的系統(tǒng)中，如果電網(wǎng)無法接收風(fēng)機(jī)發(fā)出的所有電量，則能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會將多余的電量通過并網(wǎng)變換器、交流側(cè)LCL濾波器、DC/DC變換器及直流側(cè)LC濾波器轉(zhuǎn)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(wǎng)電量減少，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會將鈉硫電池組中的存儲的電流轉(zhuǎn)換為交流電輸送至電網(wǎng)中。本系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)升壓變交流690V低壓側(cè)接入，安裝功率100kW，通過一面電源開關(guān)柜與風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)母線連接，另一側(cè)與儲能PCS系統(tǒng)連接。

3 結(jié)語

總之，儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用儲能技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況對電力系統(tǒng)的運(yùn)動做出相應(yīng)調(diào)整，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與適應(yīng)性，促進(jìn)電力資源的優(yōu)化配置，降低了電力企業(yè)的投資成本及電能的應(yīng)用成本，不僅大大提高了電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，且其社會效益與十分顯著，由此可見，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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