淺談儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

中國(guó)三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司甘肅分公司 孫金合

1 引言

風(fēng)力發(fā)電是通過(guò)自然界中的風(fēng)能來(lái)推動(dòng)風(fēng)機(jī)槳片旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)槳片將動(dòng)能用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行來(lái)輸出電能。風(fēng)能是自然界中存在的隨機(jī)性能源，風(fēng)速的改變會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率存在著一定程度的脈動(dòng)，風(fēng)電裝機(jī)容量大，且輸出功率產(chǎn)生的脈動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行帶來(lái)較大影響，我國(guó)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)10min和1min有功功率變化最大限值進(jìn)行了明確的規(guī)定。因此，增加風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能裝置可以有效解決該問(wèn)題，通過(guò)對(duì)負(fù)荷頻頻率進(jìn)行控制，可作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量緩沖和后備，可以有效抑制風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變[1]。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的介紹

2.1 物理儲(chǔ)能技術(shù)

抽水儲(chǔ)能可通過(guò)在河流下游安裝水泵，將下游水吸取至上游水庫(kù)，需要發(fā)電站放水，為將富余電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡?shì)能，在需要供電時(shí)再將水勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。抽水?chǔ)能技術(shù)在電能調(diào)度管理方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)電能實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，儲(chǔ)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(guó)家和區(qū)域都采用了該物理儲(chǔ)能技術(shù)。但抽水儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件有著較高的要求，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高且需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的建設(shè)周期[2]。

壓縮空氣進(jìn)行儲(chǔ)能，將分布式電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱鎯?chǔ)的空氣勢(shì)能，需要電能供應(yīng)時(shí)將壓縮空氣勢(shì)能轉(zhuǎn)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(guò)將壓縮空氣勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)能，可以有效降低對(duì)燃料的消耗，但要求壓縮空氣具有較高的功率，多應(yīng)用于峰值調(diào)節(jié)和負(fù)荷平衡處理，該儲(chǔ)能技術(shù)也同樣對(duì)地理?xiàng)l件和環(huán)境條件有著較高的要求[3]。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可將富余電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，需要電能時(shí)通過(guò)釋放機(jī)械能來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，該儲(chǔ)能技術(shù)要求材料具有較高的性能，還需要與電力電子技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合，富余電能可以驅(qū)動(dòng)飛輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為飛輪動(dòng)能，采用磁懸軸可以減小旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，需要發(fā)電時(shí)可轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄β瘦敵?，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%，有著較長(zhǎng)的使用壽命，維護(hù)和保養(yǎng)也較為簡(jiǎn)單，該儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[4]。

2.2 電磁儲(chǔ)能技術(shù)

應(yīng)用超導(dǎo)體材料制成感應(yīng)線圈，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)能與應(yīng)用，釋放磁能即可轉(zhuǎn)變成滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔?，磁能與電能轉(zhuǎn)變時(shí)不會(huì)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(jí)超導(dǎo)儲(chǔ)能發(fā)電設(shè)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(chǔ)能裝置成本較高，隨著電磁儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，儲(chǔ)能性能會(huì)進(jìn)一步提升，成本也會(huì)相應(yīng)減少。

2.3 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

超級(jí)電容是一種功率密度高的電化學(xué)器件，可產(chǎn)生較大的脈沖功率，吸收電能時(shí)會(huì)在電極表面產(chǎn)生極化狀態(tài)，電荷可用來(lái)吸引電解質(zhì)溶液中的異性離子，會(huì)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(jí)電容具有較高的能量密度，使用壽命也較長(zhǎng)，電能轉(zhuǎn)化時(shí)的損失較小，可靠性較高。超級(jí)電容技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，多應(yīng)用于電動(dòng)汽車儲(chǔ)能和再生制動(dòng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，電力行業(yè)也對(duì)超級(jí)電容應(yīng)用于可再生能源供電進(jìn)行研究[5]。

鈉硫電池、釩液流電池是近年來(lái)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(zhuǎn)換效率。鉛酸電池技術(shù)成熟可靠，但不具備較長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)電池在生產(chǎn)加工和報(bào)廢處理過(guò)程中易對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染。

鎳鎘電池具有較長(zhǎng)的使用期限和較高的效率，但電池容量會(huì)跟著使用頻次的增加而降低，還伴隨著重金屬污染問(wèn)題。鎳氫電池循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到較高的電池容量，應(yīng)用前景廣闊，但由于該類電池生產(chǎn)成本高，還會(huì)在大功率輸出時(shí)存在能量快速下降問(wèn)題，制約著該類電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

鋰離子電池有著較高的能量密度、功率密度，不會(huì)對(duì)生存環(huán)境產(chǎn)生污染，多應(yīng)用于為電子設(shè)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(zhuǎn)換率均較高，有著較長(zhǎng)的使用壽命，多應(yīng)用于電力能量管理和調(diào)度，但該電池技術(shù)只有少數(shù)公司掌握。

釩液流電池極化反應(yīng)小，使用壽命長(zhǎng)，配置較為靈活，可應(yīng)用于發(fā)電站調(diào)峰和功率平衡。

3 風(fēng)電場(chǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 儲(chǔ)能裝置接入方式

為緩解和抑制分布式發(fā)電帶來(lái)的功率脈動(dòng)，解決輸出功率受風(fēng)能影響而帶來(lái)的波動(dòng)，可能通過(guò)安裝儲(chǔ)能裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果自然界風(fēng)能突然增大，可把富余風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰窟M(jìn)行儲(chǔ)存，在風(fēng)力減小時(shí)把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，用于滿足負(fù)載功率需要，可以使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以恒定功率輸出。接入方式根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可劃分為集中式、分式布。集中接入方式是將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)與電網(wǎng)接口部位安裝儲(chǔ)能裝置，而分布接入方式是將每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)部位安裝儲(chǔ)能裝置。

集中儲(chǔ)能可結(jié)合發(fā)電場(chǎng)內(nèi)每個(gè)風(fēng)機(jī)出力狀況來(lái)發(fā)出或吸收功率，可以更好地滿足供電網(wǎng)對(duì)有功功率的需要，可以減少儲(chǔ)能裝置數(shù)量，配置難度小，有利于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度控制，但隨著變流和儲(chǔ)能裝置容量的變大，實(shí)施的難度也在增大。分布式接入方式，由于每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均需要安裝儲(chǔ)能裝置，每個(gè)儲(chǔ)能裝置的容量都不大，可對(duì)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行功率平衡，確?？梢詫?shí)現(xiàn)平滑曲線下的有功功率輸出，要結(jié)合風(fēng)能情況來(lái)合理安裝足夠數(shù)量的電力儲(chǔ)能裝置，但受到該儲(chǔ)能裝置安裝較為復(fù)雜，不同儲(chǔ)能裝置間的接入方式也會(huì)對(duì)功率抑制方面受到不同的影響。

超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)可以釋放出較大的功率密度，釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)可以具備很好的能量密度，而分布式發(fā)電接入方式不會(huì)對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)能供電裝置有著更高的容量，釩液流電池也會(huì)受到使用規(guī)模的影響，單位功率使用成本會(huì)相應(yīng)的降低，因此在分布式接入方式情況下，可采用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，集中式可采用更高能量密度的釩液流電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)。

3.2 分布式儲(chǔ)能方式

雙饋風(fēng)力發(fā)電和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電會(huì)在兩側(cè)變流器間設(shè)置有直流母線通道，可將超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置與直流母線端連接，自然界風(fēng)能流動(dòng)速度降低至風(fēng)電機(jī)組輸出功率不能滿足供電需求時(shí)，儲(chǔ)能供電裝置會(huì)通過(guò)直流側(cè)釋放電能，再流經(jīng)并網(wǎng)變流裝置轉(zhuǎn)換成交流提供給電網(wǎng)電能，這樣就可以達(dá)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(fēng)速較大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的功率超過(guò)電網(wǎng)供需要求，可將多余電能通過(guò)直流側(cè)輸出給超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，可以將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來(lái)，在保證恒功率輸出的同時(shí)，還可以更好地節(jié)約能源，這就是儲(chǔ)能裝置與直流側(cè)進(jìn)行并聯(lián)的基本原理，下文將對(duì)雙饋風(fēng)力和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用進(jìn)行分析與論述。

3.2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，變流器間的直流母線進(jìn)行連接，為確保電能可以在儲(chǔ)能裝置與直流側(cè)間的雙向流動(dòng)，還需要設(shè)置有雙向直流變換器。當(dāng)前，雙向直流變換器具有多種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可劃分為隔離型、非隔離型，非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不需要應(yīng)用太多數(shù)量的元器件，通過(guò)簡(jiǎn)易的控制結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)變換作用，多應(yīng)用于超級(jí)電容儲(chǔ)能領(lǐng)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(kāi)關(guān)為相反狀態(tài)，g1發(fā)揮著二極管的作用。具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。g2開(kāi)關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源E會(huì)流向電感L使其充電，i0=0，電容Cdc會(huì)給電阻R提供電能，U0電勢(shì)會(huì)變?。蝗绻鹓2關(guān)斷，則i0=i1，電感L會(huì)向電容Cdc進(jìn)行充電，U0電壓會(huì)變大。如果為buck工作模式，電路中g(shù)2相當(dāng)于二極管，如果g1導(dǎo)通，則i0=i1，電感L為反向充電狀態(tài)；如果g1為關(guān)斷，則二極管D為續(xù)流，i0=0。

圖1 電路拓?fù)鋱D

雙向變換器位于buck或boost兩種工作模式下，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率設(shè)置值和實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，進(jìn)行做差后輸出給比例微分調(diào)節(jié)器來(lái)確定出設(shè)定電流值，再通過(guò)與三角波進(jìn)行對(duì)比后可以獲取到開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)g1、g2，這樣就可以進(jìn)行雙向變流器的功率控制。

單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能裝置的規(guī)模，可以采取分鐘級(jí)功率平滑控制策略。超級(jí)電容器組額定電壓為1kV、功率為500kW，輸出時(shí)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(yùn)行狀態(tài)，按照兩種不同的工作狀態(tài)來(lái)對(duì)電感值進(jìn)行計(jì)算，電感值取L=0.15mH。風(fēng)速以10m/s開(kāi)始不斷波動(dòng)上升，在1.4s左右達(dá)到最大值后快速下降，在2.5s時(shí)達(dá)到最小值，在降低到9.5m/s后又緩慢上升。不采用儲(chǔ)能裝置時(shí)風(fēng)力發(fā)電最大功率與風(fēng)速波動(dòng)相符，將儲(chǔ)能裝置安裝于風(fēng)力發(fā)電直流側(cè)以后，設(shè)定輸出功率為0.81MW，輸出功率可以很好地跟蹤給定值，不會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，可以達(dá)到恒功率輸出的要求。風(fēng)速上升且發(fā)電功率超過(guò)設(shè)定值要求，儲(chǔ)能裝置會(huì)吸收多余的電能，如果風(fēng)速下降不能滿足輸出功率則要求釋放電能，可以達(dá)到恒功率輸出的控制要求，儲(chǔ)能裝置有充放電時(shí)并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)影響，直流電壓存在著較小的波動(dòng)。

3.2.2 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能裝置

兩側(cè)變流器間以直流母線進(jìn)行電氣連接，超級(jí)電容器組安裝于直流母線可用于電能存儲(chǔ)，并接方式與雙饋風(fēng)力發(fā)電相差不大。對(duì)儲(chǔ)能裝置的功率平滑性進(jìn)行驗(yàn)證，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率為2MW，直流側(cè)電壓值為1.1kV，直流側(cè)電容值為9mF。儲(chǔ)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(shí)間為600s。在不安裝儲(chǔ)能裝置時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率會(huì)跟著風(fēng)速改變而波動(dòng)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在著較大的慣性，輸出功率與風(fēng)速變化間存在著一定的滯后，風(fēng)速下降導(dǎo)致輸出功率變小，峰谷差值約為0.25MW。安裝儲(chǔ)能裝置可將輸出功率穩(wěn)定于1MW左右，可更好地跟蹤設(shè)定輸出功率，儲(chǔ)能在風(fēng)能富余時(shí)吸收電能，風(fēng)能減小釋放電能，可以進(jìn)行削峰平谷，母線電壓穩(wěn)定在1.1kV左右，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的存在避免出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)，不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生太大的影響。

3.3 集中式儲(chǔ)能方式

風(fēng)電場(chǎng)出口母線部位安裝儲(chǔ)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(gòu)成，儲(chǔ)能單位為電池組。自然界風(fēng)能變少時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出有功會(huì)降低，儲(chǔ)能供電裝置釋放出存儲(chǔ)的電能，功率變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閎oost狀態(tài)，變流器工作于逆變模式，供電網(wǎng)絡(luò)可接受交流電能；風(fēng)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(chǔ)能供電裝置會(huì)將富余風(fēng)能存儲(chǔ)到電池內(nèi)。LCL濾波變換器為了簡(jiǎn)化計(jì)算，直流側(cè)等效負(fù)載，交流輸入側(cè)與電壓源連接，LCL濾波器在某些頻率諧振，會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)一定程度的影響，可通過(guò)在電容支路中設(shè)置電阻增加阻尼，這樣就會(huì)對(duì)諧振產(chǎn)生抑制。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)速波動(dòng)和隨機(jī)性會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生一定的影響，儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可以解決風(fēng)速波動(dòng)導(dǎo)致的功率輸出波動(dòng)問(wèn)題。采用超級(jí)電容應(yīng)用于分布式儲(chǔ)能、釩液流電池應(yīng)用于集中式儲(chǔ)能，可以實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電類型的最合理匹配。從功率平滑處理效果來(lái)看，集中式儲(chǔ)能更適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，還需要采用合適的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)要求儲(chǔ)能容量，可以確保具有較高的操作性和實(shí)用性。