風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用研究

張慶偉

摘 要：風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)主要是指將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，常用的儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。文章分析了風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)的分類，并以某機(jī)組為例分析儲(chǔ)能技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力 發(fā)電 儲(chǔ)能技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)環(huán)境的污染，因此在環(huán)境問(wèn)題越來(lái)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(chǎng)在世界各地相繼投產(chǎn)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能技術(shù)的重要作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(wèn)題；其次，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即可保證整個(gè)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(chǔ)能技術(shù)還可以保證電力系統(tǒng)中存儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的分類

儲(chǔ)能技術(shù)主要包括四大類，即電磁儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能及熱儲(chǔ)能，其中電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能；物理儲(chǔ)能則包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能及飛輪儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括氫儲(chǔ)能、液流電池及電池。

1.1 電磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)主要是利用超導(dǎo)體制成的線圈儲(chǔ)存電網(wǎng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)可以具有儲(chǔ)能密度高、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損耗儲(chǔ)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(zhǎng)，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡(jiǎn)單、污染小。當(dāng)然超導(dǎo)儲(chǔ)技術(shù)的不足之處在于成本高。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興的儲(chǔ)能元件，其具有功率密度大、儲(chǔ)能效果高、安裝簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，無(wú)需維護(hù)，可單獨(dú)使用也可與其它儲(chǔ)能裝置聯(lián)合應(yīng)用。

1.2 物理儲(chǔ)能

抽水蓄能主要是在電力負(fù)荷低谷期將水由下池水庫(kù)抽到上池水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期再將能源釋放出來(lái)，目前為止抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用最為成熟，是風(fēng)電場(chǎng)最佳的應(yīng)用儲(chǔ)能方案。壓縮空氣儲(chǔ)能主要是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力帶動(dòng)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(shì)能存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)屬于機(jī)械能方式，主要是“充電”時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為飛輪運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能并儲(chǔ)存起來(lái)，需要用電時(shí)再將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，該儲(chǔ)能方法不太適用于風(fēng)電場(chǎng)，但是其可以迅速抑制風(fēng)力發(fā)電的快速波動(dòng)，因此可以與其它儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用。

1.3 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)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(wú)法被完全利用的時(shí)候，將這部分多余的電能轉(zhuǎn)換為氫能加以儲(chǔ)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(jí)的水平，因此主要應(yīng)用于大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)。鉛酸電池在儲(chǔ)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(chǔ)能容量可以達(dá)到20MW。與其它儲(chǔ)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(jià)較低，且對(duì)環(huán)境污染小，故在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景。鈉流電池是一種機(jī)關(guān)報(bào)興的大容量電力儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

某儲(chǔ)能系統(tǒng)需求功率為100KW，放電時(shí)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(chǔ)能電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能管理系統(tǒng)及變電站系統(tǒng)：

2.1 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流儲(chǔ)能電池通過(guò)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(jiàn)，儲(chǔ)能電池主要通過(guò)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(duì)于一個(gè)規(guī)模較大的儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的并網(wǎng)，但其實(shí)通過(guò)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(jí)的高級(jí)應(yīng)用功能，包括削峰填谷、調(diào)頻調(diào)峰、動(dòng)態(tài)無(wú)功支持、改善電能質(zhì)量等等。由此可見(jiàn)，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)與電力系統(tǒng)頻繁互動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)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(chǔ)能電池單元。其中三相并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)能電池系統(tǒng)

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)顧名思義其主要作用就是存儲(chǔ)能量，本系統(tǒng)中的儲(chǔ)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(shí)間充電的情況下維持較長(zhǎng)的放電時(shí)間。經(jīng)過(guò)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(duì)電池儲(chǔ)能過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行管理，測(cè)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(huì)貫穿于儲(chǔ)能充發(fā)電過(guò)程中的控制，監(jiān)控儲(chǔ)能過(guò)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(duì)電池的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況。

2.3儲(chǔ)能管理系統(tǒng)

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

2.4變電站系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要通過(guò)變電站系統(tǒng)接入電網(wǎng)，并網(wǎng)后，其還可以在線統(tǒng)計(jì)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(wú)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(huì)將多余的電量通過(guò)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(huì)被暫時(shí)存儲(chǔ)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(huì)將鈉硫電池組中的存儲(chǔ)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(guò)一面電源開(kāi)關(guān)柜與風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)母線連接，另一側(cè)與儲(chǔ)能PCS系統(tǒng)連接。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，儲(chǔ)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(duì)電力資源的需求；且應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(huì)效益與十分顯著，由此可見(jiàn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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