风力发电系统中储能技术的应用研究

张庆伟

摘 要：风力发电储能技术主要是指将风力发电产生的电能储存起来，常用的储能设备包括电池及电容器等，以提高风力发电电能供应的稳定性，从而使得风力发电技术的应用更加广泛。随着风力资源应用水平的不断提升，储能技术的应用也得到了长足的发展。文章分析了风力发电储能技术的分类，并以某机组为例分析储能技术的具体应用。

关键词：风力 发电 储能技术

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

风力发电是大规模利用风力这种清洁能源的最有效的途径，其不仅可以改善能源结构，而且可以减少对环境的污染，因此在环境问题越来越突出的今天，风力发电技术也得到了迅猛发展，大规模、大容量的风电场在世界各地相继投产。对于风力发电系统而言，储能技术的重要作用主要体现在以下几个方面：首先，提高风力系统的稳定性，解决风力资源稳定性差的问题；其次，风力发电系统运行稳定，即可保证整个电网系统的稳定性，从而保证电量输出的稳定性，可提供大规模的能源支持。最后，储能技术还可以保证电力系统中存储足够的电量，以为人们提供持续的、稳定的电力支持。

1储能技术的分类

储能技术主要包括四大类，即电磁储能、物理储能、电化学储能及热储能，其中电磁储能包括超导储能、超级电容器储能；物理储能则包括抽水储能、压缩空气储能及飞轮储能；电化学储能包括氢储能、液流电池及电池。

1.1 电磁储能

超导储能技术主要是利用超导体制成的线圈储存电网供电励磁产生的磁场，并在适当的时机将储存的能量送回电网。超导储能技术可以具有储能密度高、长时间无损耗储能的特点，而且可以快速释放能量，可独立的在大范围内选取，使用寿命长，超导储能装置不受地点限制，维护简单、污染小。当然超导储技术的不足之处在于成本高。超级电容器储能技术是一种新兴的储能元件，其具有功率密度大、储能效果高、安装简易的特点，无需维护，可单独使用也可与其它储能装置联合应用。

1.2 物理储能

抽水蓄能主要是在电力负荷低谷期将水由下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能存储起来，在电网负荷高峰期再将能源释放出来，目前为止抽水蓄能技术的应用最为成熟，是风电场最佳的应用储能方案。压缩空气储能主要是利用电力系统负荷低谷时的剩余电力带动空气压缩机，将空气压入大容量的、密闭的地下洞穴，将压缩空气转换为气压势能存储于储气室。飞轮储能系统属于机械能方式，主要是“充电”时将电能转换为飞轮运动的动能并储存起来，需要用电时再将飞轮的动能转换为电能，该储能方法不太适用于风电场，但是其可以迅速抑制风力发电的快速波动，因此可以与其它储能系统联合应用。

1.3 电化学储能

电化学储能技术主要包括氢燃料电池、全钒液流电池、铅酸电池、锂离子电池及钠硫电池等。氢燃料电池主要是在风能无法被完全利用的时候，将这部分多余的电能转换为氢能加以储存，氢燃料电池就是将燃料的化学能直接转换为电能。全钒液流电池是液流电池的发展主流，该技术可以达到MW级的水平，因此主要应用于大规模的风电场。铅酸电池在储能方面的技术更加成熟，其历史也比较悠久，产品主要为密封型免维护型，储能容量可以达到20MW。与其它储能技术相比，铅酸电池的制造成本更低，具有较高的可靠性，且其能量密度适中，在电力系统中的应用最为广泛。锂离子电池的发展主流是磷酸亚铁锂电池，其造价较低，且对环境污染小，故在风电场中的应用具有广阔的前景。钠流电池是一种机关报兴的大容量电力储能电池，其发展前景十分广阔，目前已实现商业化运作。

2 100KW储能系统的应用实践

某储能系统需求功率为100KW，放电时间要求2h以上，其系统结构主要包括能量转换系统、储能电池系统、储能管理系统及变电站系统：

2.1 能量转换系统

储能系统的直流储能电池通过能量转换系统与交流电网之间实现双向的能量传递，由此可见，储能电池主要通过能量转换系统与电力系统相连接。能量转换系统要连接电池组进行放电，再连接电网接口实现并网功能。对于一个规模较大的储能电站而言，能量转换系统最基本的要求就是实现储能系统与电网的并网，但其实通过能量转换系统与电网的配合，还可以实现多种系统级的高级应用功能，包括削峰填谷、调频调峰、动态无功支持、改善电能质量等等。由此可见，能量转换系统实际上是一个与电力系统频繁互动的系统级设备。

能量转换系统包括三相并网变换器、交流侧LCL滤波器、升降压DC/DC变换器、直流侧LC滤波器及储能电池单元。其中三相并网变换器结构简单，主要作用是恒定直流母线电压、调节网侧功率因数，并可向电网提供一定的无功补偿。LCL滤波器可利用较小的电感得到更好的衰减谐波效果，具有良好的动态性能。采用该滤波器后，网侧电流中所含的纹波电流小于额定电流，可保证该储能并网系统的THD满足电能质量要求。DC/DC变换器与直流母线并联，起到协调每组电池单元充放电的作用等。

2.2 储能电池系统

储能电池系统顾名思义其主要作用就是存储能量，本系统中的储能单元为钠硫电池。钠硫电池以Na-beta一氧化铝为电解质与隔膜，其正极为多硫化钠，负极为金属钠，主要依靠电子转移而再生能力，因此可以在短时间充电的情况下维持较长的放电时间。经过热反应后钠硫电池的理论能量密度在每786Wh/kg，其实际能车密度为300Wh/kg。本方案例所用的钠硫电池为650AH单体电池，5kW功率模块。电池模块配备有电池管理系统，其主要作用是对电池储能过程中的各项参数进行管理，测量、记录电池的电压、电流、温度及绝缘电阻等，电池管理系统还会贯穿于储能充发电过程中的控制，监控储能过程中的电池状态，系统维护人员可根据电池管理系统提供的数据对电池的质量进行评估，及时发现异常状况。

2.3储能管理系统

储能管理系统的主要作用是对电池系统、并网运行等进行实时监控，储能系统的实时状态包含在风电场的主控系统及SCADA信息系统中。在储能系统与电网互动过程中，主要依靠能量转换系统与储能管理系统的协调控制来完成，自动发电控制系统、自动电压控制系统等均可以随时向储能系统发送指令，使其参与到系统调度中来。

2.4变电站系统

储能系统主要通过变电站系统接入电网，并网后，其还可以在线统计交流输入、输出及效率等情况。在本文所提出的系统中，如果电网无法接收风机发出的所有电量，则能量转换系统会将多余的电量通过并网变换器、交流侧LCL滤波器、DC/DC变换器及直流侧LC滤波器转换为直流电源，这些直流电源会被暂时存储于钠硫电池组中，如果电网电量减少，能量转换系统会将钠硫电池组中的存储的电流转换为交流电输送至电网中。本系统由风机升压变交流690V低压侧接入，安装功率100kW，通过一面电源开关柜与风机箱变低压侧母线连接，另一侧与储能PCS系统连接。

3 结语

总之，储能技术在风力发电系统中的应用大大提高了电力资源的利用率，最大程度上满足人们对电力资源的需求；且应用储能技术可以根据实际情况对电力系统的运动做出相应调整，提高了电力系统运行的稳定性与适应性，促进电力资源的优化配置，降低了电力企业的投资成本及电能的应用成本，不仅大大提高了电力企业的经济效益，且其社会效益与十分显著，由此可见，在风力发电系统中储能技术的应用有着重要的现实意义。

参考文献

[1]张博.风力发电系统中储能技术的研究[J].科技资讯，2013（35）.

[2]李长武.储能技术在风力发电系统中的应用[J].科技创新与应用，2012（09）.