引言根據(jù)新能源振興規(guī)劃，預計到 2020 年我國風力裝機容量將達到 1.5 億 kW，將超過電力總裝機容量的 10%。從電網(wǎng)運行的現(xiàn)實及大規(guī)模開發(fā)風電的長遠利益考慮，提高風電場輸出功率的可控性，是目前風力發(fā)電技 術(shù)的重要發(fā)展方向

引言

根據(jù)新能源振興規(guī)劃，預計到 2020 年我國風力裝機容量將達到 1.5 億 kW，將超過電力總裝機容量的 10%。

從電網(wǎng)運行的現(xiàn)實及大規(guī)模開發(fā)風電的長遠利益考慮，提高風電場輸出功率的可控性，是目前風力發(fā)電技 術(shù)的重要發(fā)展方向。把風力發(fā)電技術(shù)引入儲能系統(tǒng)，能有效地抑制風電功率波動，平滑輸出電壓，提高電能質(zhì)量，是保證風力發(fā)電并網(wǎng)運行、促進風能利用的關鍵技術(shù)和主流方式。

隨著電力電子學、材料學等學科的發(fā)展，高效率飛輪儲能、新型電池儲能、超導儲能和超級電容器儲能等中小規(guī)模儲能技術(shù)取得了長足的進步， 拓寬了儲能技術(shù)的應用領域， 特別是在風力發(fā)電中起到了重要作用。 儲能系統(tǒng)一般由兩大部分組成： 由儲能元件(部件)組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)。儲能裝置主要實現(xiàn)能量的儲存和釋放;PCS 主要實現(xiàn)充放電控制、功率調(diào)節(jié)和控制等功能。

1 儲能技術(shù)的分類和特性

儲能技術(shù)有物理儲能、電磁儲能、電化學儲能和相變儲能等 4 類。物理儲能主要有飛輪儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能方式; 電磁儲能主要有超導儲能方式;電化學儲能主要有蓄電池儲能、超級電容器儲能和燃 料電池儲能; 相變儲能主要有冰蓄冷儲能等[1]，[2]。

1.1 飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能(FESS)是一種機械儲能方式，其基本原理是將電能轉(zhuǎn)換成飛輪運動的動能， 并長期蓄存起來， 需要時再將飛輪運動的動能轉(zhuǎn)換成電能，供電力用戶使用。

高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術(shù)、電磁和超導磁懸浮軸承技術(shù)促進了儲能飛輪 的發(fā)展。飛輪儲能的功率密度大于 5 kW/kg， 能量密度超過 20 kWh/kg， 效率大于 90%，循環(huán)使用壽命長 達 20 a，工作溫區(qū)為-40~50 ℃，無噪聲，無污染，維護簡單，可連續(xù)工作。若通過積木式組合后，飛輪 儲能可以達到 MW 級，輸出持續(xù)時間為數(shù)分鐘乃至數(shù)小時。飛輪儲能主要用于不間斷電源(UPS)/應急電源 (EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制，國外不少科研機構(gòu)已將儲能飛輪引入風力發(fā)電系統(tǒng)[3]。

文獻[4]利用飛輪儲能電池取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機和蓄電池來充當孤島型風力發(fā)電系統(tǒng)中的電能調(diào)節(jié)器和儲存器， 建立了系統(tǒng)的電流前饋控制數(shù)學模型，實驗結(jié)果表明，這一方法能有效地改善電能質(zhì)量， 解決 風力發(fā)電機的輸出功率與負載吸收的功率相匹配的問題。

美國的 Vista 公司將飛輪引入到風力發(fā)電系統(tǒng)， 實現(xiàn)全程調(diào)峰， 飛輪機組的發(fā)電功率為 300kW，大容量 儲能飛輪的儲能為 277 kWh，風力發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出性能及經(jīng)濟性能良好。

中國科學院電工研究所已經(jīng)研制出飛輪儲能用高速電機; 華北電力大學研制出儲能 2 MJ、最高發(fā)電功率 10 kW 的準磁懸浮飛輪儲能裝置。

飛輪儲能技術(shù)正在向大型機發(fā)展， 其難點主要集中在轉(zhuǎn)子強度設計、低功耗磁軸承、安全防護等方面。

1.2 超導儲能系統(tǒng)

超導儲能系統(tǒng)(SMES)利用由超導線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)。

超導儲能技術(shù)的優(yōu)點： ①可以長期無損耗儲存能量， 能量返回效率很高; ②能量的釋放速度快，功率輸 送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，響應速度快(ms 級)， 轉(zhuǎn)換效率高(>96%)， 比容量(1～10kWh/kg) 和比功率(104~105 kW/kg) 大; ③采用 SMES 可調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率，可實現(xiàn)與電力系統(tǒng) 的實時大容量能量交換和功率補償。 20 世紀 90 年代， 在 超導儲能技術(shù)已被應用于風力發(fā)電系統(tǒng)[5]， [6]， [7]。

中國科學院電工研究所已研制出 1 MJ/0.5MW 的高溫超導儲能裝置。清華大學、華中科技大學、華北電力 大學等都在開展超導儲能裝置的研究。

文獻[5]采用電壓偏差作為 SMES 有功控制信號，在改善風電場穩(wěn)定性方面具有優(yōu)良的性能。

SMES 的發(fā)展重點：基于高溫超導涂層導體，研發(fā)適于液氮溫區(qū)運行的 MJ 級系統(tǒng);解決高場磁體繞組力 學支撐問題;與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進一步降低投資和運行成本; 結(jié)合實際系統(tǒng)探討分布式 SMES 及其有效控制和保護策略。

1.3 蓄電池儲能技術(shù)

蓄電池儲能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System，BESS)主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電，一般由電池、直—交逆變器、控制裝置和輔助設備(安全、環(huán)境保護設備)等組成。目前， 蓄電池 儲能系統(tǒng)在小型分布式發(fā)電中應用最為廣泛。根據(jù)所使用化學物質(zhì)的不同，蓄電池可以分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫(NaS)電池、液流電池等[8]，[9]。

(1)鉛酸電池

鉛酸電池應用在儲能方面的歷史較早， 技術(shù)較為成熟，并逐漸以密封型免維護產(chǎn)品為主，目前儲能容量已達 20 MW。鉛酸電池的能量密度適中，價格便宜，構(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛應用于電力 系統(tǒng)?；诿芊忾y控型的鉛酸電池具有較高的運行可靠性，在環(huán)境影響上的劣勢已不甚明顯， 但運行數(shù) 年之后的報廢電池的無害化處理和不能深度放電的問題， 使其應用受到一定限制。

(2)鎳氫電池

與鉛酸電池相比， 作為堿性電池的鎳氫電池具有容量大、 結(jié)構(gòu)堅固、 充放循環(huán)次數(shù)多的特點， 但價格較高。 鎳氫電池是密封免維護電池， 不含鉛、鉻、汞等有毒物質(zhì)，正常使用過程中不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)。北京 2008 年奧運會使用的混合電動車大都采用鎳氫蓄電池作為電源。鎳氫電池的自放電速度明顯大于鎳鎘電 池， 需要定期對它進行全充電。須注意的是，鎳氫電池只有在小電流放電時才具有 80~90 kWh/kg 的高比 能量輸出，在大電流放電高功率輸出時， 其能量密度會降至 40kWh/kg 或更低。

(3)鋰離子電池

鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好， 但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)指 標往往達不到單體水平，使用壽命僅是單體電池的幾分之一，甚至十幾分之一。大容量集成的技術(shù)難度和生產(chǎn)維護成本使這種電池在短期內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)?；瘧?。

磷酸亞鐵鋰電池是最有前途的鋰電池。 磷酸亞鐵鋰材料的單位價格不高， 其成本在幾種電池材料中是最低的，而且對環(huán)境無污染。磷酸亞鐵鋰比其他材料的體積要大，成本低，適合大型儲能系統(tǒng)。

(4)鈉硫電池

鈉硫和液流電池被視為新興、高效、具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲能電池。目前鈉硫和液流電池均已實 現(xiàn)商業(yè)化運作，MW 級鈉硫和 100kW 級液流電池儲能系統(tǒng)己步入試驗示范階段[10]，[11]。

鈉硫儲能電池是在溫度 300 ℃左右充放電的高溫型儲能電池，負極活性物質(zhì)為金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫。

迄今為止， 只有日本京瓷公司成功開發(fā)出鈉硫儲能電池系統(tǒng)。鈉硫電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和負荷側(cè)成功應用 100 余套，總?cè)萘砍^ 100 MW，其中近 2/3 用于平滑負荷。

日本 NEDO 支持的八仗島風力發(fā)電機組采用鈉硫電池儲能來平滑和穩(wěn)定輸出功率。目前，鈉硫電池已被日 本列為政府資助的風力發(fā)電儲能電源，并有具體的推進計劃。

上海電力公司正進行不同容量等級(10~1 000 kW) 的鈉硫電池系統(tǒng)的研制， 用于 UPS/EPS，力圖掌握核 心部件制備技術(shù)，建立標準和規(guī)范，并實現(xiàn)模塊化、規(guī)?；a(chǎn)。

(5)全釩液流電池

液流電池分多種體系， 其中全釩電池是技術(shù)發(fā)展主流。全釩液流儲能電池(Vanadium RedoxFlow Battery， VRB)是將具有不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負極的活性物質(zhì)，分別儲存在各自的電解液儲罐中。 在對電池進行充、放電實驗時，電解液通過泵的作用，由外部貯液罐循環(huán)分別流經(jīng)電池的正極室和負極室， 并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應，實現(xiàn)對電池的充放電[12]，[13]。

液流電池的儲能容量取決于電解液容量和密度，配置上相當靈活，只需增大電解液容積和濃度即可增大儲能容量，并且可以進行深度充放電。

日本住友電氣、加拿大 VRB 等公司進行全釩液流電池儲能系統(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)。在日本共有 15 套全釩液流 儲能電池系統(tǒng)進行示范運行， 其中北海道的一套功率為 6 MW 的全釩液流儲能電池用于對 30 MW 風電場的 調(diào)頻和調(diào)峰。

“十五”期間，中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)出 10 kW 全釩液流儲能電池系統(tǒng)。2008 年， 中國電 力科學研究院研發(fā)用于風電場的 100kW 級儲能系統(tǒng)， 并考核其運行的可靠性和耐久性。

表 1 列出了幾種主要蓄電池的基本特性。

1.4 超級電容器儲能技術(shù)

超級電容器(Supercapacitor)是根據(jù)電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面， 電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子， 使其附于電極表面， 形成雙電荷層， 構(gòu)成雙電層電容。

超級電容器儲能系統(tǒng)(SCES) 歷經(jīng) 3 代及數(shù) 10 年的發(fā)展，已形成電容量 0.5~1 000 F、工作電壓 12~400 V、 最大放電電流 400~2 000 A 的系列產(chǎn)品，儲能系統(tǒng)的最大儲能量達到了 30 MJ。在電力系統(tǒng)中多用于短時間、 大功率的負載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合， 在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平[14]， [15]。

日本松下、EPCOS、NEC，美國 Maxwell、Powerstor、Evans，法國 SAFT，澳大利亞 Cap-xx 和韓國 NESS 等 公司的產(chǎn)品， 幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場。

2005 年，美國加利福尼亞州建造了 1 臺 450kW 的超級電容器儲能裝置，用以減輕 950 kW 風力發(fā)電機組 向電網(wǎng)輸送功率的波動。

2005 年， 由中國科學院電工所承擔的“863”項目， 完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的 300 Wh/1 kW 超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。

文獻[16]提出了一種將串、并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)應用于基于異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)的新思路，該儲能系統(tǒng)可同時雙向、 大范圍、 快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率， 很好地改善了風電的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.5 其它儲能形式

除了上述的幾種儲能方式外, 在電力系統(tǒng)中還應用較多的儲能方式，有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和氫燃料 電池儲能等。

抽水蓄能裝置(Pumped Hydro Storage)在現(xiàn)代電網(wǎng)中大多用來調(diào)峰， 在集中式發(fā)電中應用較多。受地理 條件限制，絕大多數(shù)風電場不具備建抽水蓄能電站的條件。

壓縮空氣儲能(CAES)是一種調(diào)峰用燃氣輪機，對于同樣的電力輸出，它所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機 少 40%。100 MW 級燃氣輪機技術(shù)成熟， 利用渠式超導熱管技術(shù)可使系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達到 90%。大容量 和復合化發(fā)電將進一步降低成本。 隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減小儲氣庫容積和提高儲氣壓力至 10~14 MPa 的需要，8~12 MW 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)(micro-CAES)已成為研究熱點[17]。

美國愛荷華州的 CAES 蓄能項目采用風能和低谷電組合來驅(qū)動壓縮機組， 將空氣壓縮至地下含水層，發(fā)電 裝機容量為 200 MW，風能發(fā)電裝機容量為 100 MW。

氫燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。為了實現(xiàn)氫氣作為能源載體的應用，必須解決氫的廉價制取、安全高效儲運以及大規(guī)模應用這 3 個問題。未來氫能的廣泛應用很可能改變風電場的職能， 風 電場可能成為大型的氫制造廠，為氫燃料電池電站及氫燃料電池汽車提供氫。目前，燃料電池價格還很昂貴，距離大規(guī)模應用還有很長的路要走。

2 各種儲能技術(shù)在風力發(fā)電中的應用前景分析

在各種儲能技術(shù)中， 抽水蓄能和壓縮空氣儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)峰;電池儲能和相變儲能比較適用于中 小規(guī)模儲能和用戶需求側(cè)管理; 超導電磁儲能和飛輪儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障; 超級電 容器儲能比較適用于電動汽車儲能和混合儲能。圖 1、圖 2 是根據(jù)美國電力儲能協(xié)會提供的資料給出的各 種儲能技術(shù)的功率、能量和成本比較。

成本過高是限制儲能技術(shù)在風力發(fā)電中大量推廣應用的共同問題，提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本是今后儲 能技術(shù)研究的重要方向。隨著風力發(fā)電的不斷發(fā)展和普及， 各種儲能技術(shù)的發(fā)展進步， 儲能技術(shù)將在風 力發(fā)電系統(tǒng)中得到更加廣泛的應用。

在風力發(fā)電中， 儲能方式的選擇需考慮額定功率、橋接時間、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成本、環(huán)境條件等多種因 素。風電場的儲能首先要實現(xiàn)電能質(zhì)量管理功能，超級電容器、高速飛輪、超導、鈉硫和液流電池儲能系統(tǒng)能使風電場的輸出功率平滑，在外部電網(wǎng)故障時能夠提供電壓支撐， 維護電網(wǎng)穩(wěn)定;其次，鉛酸電池、 新型鈉硫和液流電池儲能系統(tǒng)具有調(diào)峰功能，比較適合風電的大規(guī)模儲存。

采用超級電容器和蓄電池、超導和蓄電池、超級電容器和飛輪組合等混合式儲能系統(tǒng)， 能夠兼顧電能質(zhì)量 管理和能量管理， 提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性，是比較可行的儲能方案。國內(nèi)外已經(jīng)開始這方面的研究[18]， [19]。

3 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)，是實現(xiàn)儲能單元與負載之間的雙向能量傳遞， 將儲能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)的重要設 備。根據(jù)儲能裝置所處位置的不同，PCS 主要有以下的結(jié)構(gòu)形式和拓撲結(jié)構(gòu)(圖 3)[20]。

3.1 單臺風機直流側(cè)并聯(lián) PCS

單臺風機直流側(cè)并聯(lián) PCS 的優(yōu)點是可以利用風電機組現(xiàn)有的功率單元(圖 3a)。

對于直驅(qū)型的永磁同步發(fā)電機， 交流電通過全功率變流后接入電網(wǎng)， 儲能單元通過 PCS 并聯(lián)于直流母線側(cè)， 可以與發(fā)電機共用 DC/AC 逆變單元， 實現(xiàn)與電網(wǎng)的聯(lián)接。對于雙饋風力發(fā)電機，PCS 也可以并聯(lián)在轉(zhuǎn)子 直流母線側(cè)， 這時需要加大網(wǎng)側(cè)變流器(DC/AC)的功率，以便于儲能單元的功率回饋到電網(wǎng)。

3.2 風電場交流側(cè)并聯(lián) PCS

PCS 的安裝位置一般在風電場出口處的低壓側(cè)(圖 3b)。

每臺風機所處位置的風速不同，而風電場自身具有一定的功率平滑功能， 采用風電場交流側(cè)并聯(lián) PCS 結(jié) 構(gòu)，PCS 的總功率有所降低， 需要雙向 AC/DC 變流器;儲能單元集中放置，便于維護和擴容。

3.3 風電場 HVDC 輸電直流側(cè)并聯(lián) PCS

風電場通過電壓源高壓直流(VSC-HVDC)輸電并網(wǎng)。由于 VSC-HVDC 系統(tǒng)具有立即導通和立即關斷的控制閥， 通過對控制閥的開和關，實現(xiàn)對交流側(cè)電壓幅值和相角的控制， 從而達到獨立控制有功功率和無功功率的目的， 且換流站不需要無功補償、不存在換相失敗等問題。這些特點使得 VSC-HVDC 技術(shù)在連接風電場并 網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)越性，特別適用于需要長距離傳輸?shù)暮Ｉ巷L電場的并網(wǎng)[21]。 PCS 并聯(lián)在 VSC-HVDC 系 統(tǒng)的直流母線上(圖 3c)，通過控制儲能單元的充放電功率，使其補償風能的波動，從而使風電通過直流輸電注入到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定。

3.4 混合儲能系統(tǒng) PCS 拓撲結(jié)構(gòu)

采用超級電容器和蓄電池混合儲能系統(tǒng)的 PCS 主要有 2 種結(jié)構(gòu)：一種是兩者都通過 DC/DC 并聯(lián)于直流母 線側(cè); 另一種是通過蓄電池單元的適當串并聯(lián)，蓄電池直接并聯(lián)在直流母線上，節(jié)省了一組 DC/DC 變流 器(圖 4)。

文獻[19]把超級電容器和全釩液流電池用于 PMSG 直流側(cè)儲能， 超級電容器用來處理瞬時大功率問題， 從 而降低全釩液流電池容量 55%， 減少全釩液流電池深度放電次數(shù) 8%， 延長了電池壽命，減低電池損耗 15%， 提高了系統(tǒng)效率。在超級電容和蓄電池的容量匹配和控制策略上， 還需要進一步的研究。

4 結(jié)束語

研發(fā)高效儲能裝置及其配套設備， 使之與風電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充

放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，已成為可再生能源充分利用的關鍵。隨著風力發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各種儲能 技術(shù)的發(fā)展進步，第二代高溫超導儲能、高速飛輪儲能、全釩液流和鈉硫儲能、超級電容儲能等技術(shù)將得到更加廣泛的應用。

目前， 電力儲能系統(tǒng)推廣應用的最大障礙在于國外少數(shù)企業(yè)的技術(shù)壟斷，由此造成其價格高企。要推動 電力儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧茫豢空莆兆灾髦R產(chǎn)權(quán)，使其價格大幅下降;二靠政府的政策鼓勵 和資金推動。如果能實現(xiàn)電力儲能系統(tǒng)國產(chǎn)化，使其成本達到或接近應用水平，那么風電場對電力儲能系統(tǒng)的需求將迅速加大。 混合式儲能技術(shù)將在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應用，同時，先進的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)也將得到發(fā)展 與應用。

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