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(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(chǎn)生的脈動會對電網(wǎng)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(guī)定。因此，增加風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)的能量緩沖和后備，可以有效抑制風力發(fā)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(fā)電站放水，為將富余電能轉變?yōu)樗畡菽?，在需要供電時再將水勢能轉變?yōu)殡娔堋３樗畠δ芗夹g在電能調(diào)度管理方面發(fā)揮著重要作用，對電能實現(xiàn)大容量存儲，儲能釋放后可滿足數(shù)10h以上的電能需求，在電網(wǎng)削峰填谷方面也起到較大作用，有利于保證電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，很多國家和區(qū)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?yōu)榭纱鎯Φ目諝鈩菽?，需要電能供應時將壓縮空氣勢能轉變?yōu)殡娔?，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?yōu)橥苿悠啓C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(diào)節(jié)和負荷平衡處理，該儲能技術也同樣對地理條件和環(huán)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?yōu)闄C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(chǎn)生的能量損耗，需要發(fā)電時可轉變?yōu)橛泄β瘦敵?，轉換效率可達到90%，有著較長的使用壽命，維護和保養(yǎng)也較為簡單，該儲能技術已經(jīng)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(xiàn)對磁場能量儲能與應用，釋放磁能即可轉變成滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔?，磁能與電能轉變時不會產(chǎn)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(fā)電設備已經(jīng)投入使用，可用于電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)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(chǎn)生較大的脈沖功率，吸收電能時會在電極表面產(chǎn)生極化狀態(tài)，電荷可用來吸引電解質(zhì)溶液中的異性離子，會在電極表面產(chǎn)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(jīng)取得長足的發(fā)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(yè)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(fā)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(chǎn)加工和報廢處理過程中易對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)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(huán)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(huán)境產(chǎn)生污染，多應用于為電子設備提供電能，但大規(guī)模集成存在著較大的難度。

鈉硫電池能量密度和系統(tǒng)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(diào)度，但該電池技術只有少數(shù)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(fā)電站調(diào)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(fā)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(xiàn)。如果自然界風能突然增大，可把富余風能轉變?yōu)槠渌芰窟M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(fā)電系統(tǒng)以恒定功率輸出。接入方式根據(jù)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(fā)電場與電網(wǎng)接口部位安裝儲能裝置，而分布接入方式是將每臺風力發(fā)電機部位安裝儲能裝置。

集中儲能可結合發(fā)電場內(nèi)每個風機出力狀況來發(fā)出或吸收功率，可以更好地滿足供電網(wǎng)對有功功率的需要，可以減少儲能裝置數(shù)量，配置難度小，有利于對風電場的調(diào)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(fā)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(fā)電機組進行功率平衡，確?？梢詫崿F(xiàn)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(shù)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(fā)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(guī)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(fā)電和直驅風力發(fā)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(jīng)并網(wǎng)變流裝置轉換成交流提供給電網(wǎng)電能，這樣就可以達到恒功率輸出的要求，確保電網(wǎng)輸入功率的平滑穩(wěn)定。如果風速較大，風力發(fā)電機吸收的功率超過電網(wǎng)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(jié)約能源，這就是儲能裝置與直流側進行并聯(lián)的基本原理，下文將對雙饋風力和直驅風力發(fā)電中的應用進行分析與論述。

3.2.1 雙饋風力發(fā)電

超級電容儲能裝置與雙饋風力發(fā)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(shù)量的元器件，通過簡易的控制結構即可實現(xiàn)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(lián)，在boost模式下，g1、g2開關為相反狀態(tài)，g1發(fā)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(tài)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電勢會變小；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(tài)；如果g1為關斷，則二極管D為續(xù)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(xiàn)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(diào)節(jié)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(fā)g1、g2，這樣就可以進行雙向變流器的功率控制。

單臺風力發(fā)電儲能裝置的規(guī)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(shù)保證電流為連續(xù)運行狀態(tài)，按照兩種不同的工作狀態(tài)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(fā)電最大功率與風速波動相符，將儲能裝置安裝于風力發(fā)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(chǎn)生較大的波動，可以達到恒功率輸出的要求。風速上升且發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)帶來影響，直流電壓存在著較小的波動。

3.2.2 直驅風力發(fā)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(fā)電相差不大。對儲能裝置的功率平滑性進行驗證，風力發(fā)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(tài)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(fā)電機組輸出功率會跟著風速改變而波動，風機系統(tǒng)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(wěn)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(wěn)定在1.1kV左右，超級電容儲能裝置的存在避免出現(xiàn)較大的電壓波動，不會對電力系統(tǒng)產(chǎn)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?yōu)閎oost狀態(tài)，變流器工作于逆變模式，供電網(wǎng)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(tài)，儲能供電裝置會將富余風能存儲到電池內(nèi)。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(tǒng)穩(wěn)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(chǎn)生抑制。

綜上所述，風力發(fā)電系統(tǒng)中的風速波動和隨機性會對輸出功率產(chǎn)生一定的影響，儲能技術與風力發(fā)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(xiàn)不同儲能技術與風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)，還需要采用合適的風力發(fā)電場并網(wǎng)要求儲能容量，可以確保具有較高的操作性和實用性。