探析儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的運用

吳邦鳴

摘 要：隨著社會的不斷進步，用電需求也在不斷增加。在經(jīng)過多年發(fā)展之后，我國目前已經(jīng)在電力領域取得了國際領先的優(yōu)勢，能夠為公眾提供更加安全穩(wěn)定的電能。在經(jīng)過幾十年的技術積累之后，風力發(fā)電已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)在公眾面前，能夠以更低的成本發(fā)出更加高質量的電能，極大的減小對環(huán)境的破壞。風電屬于清潔可再生能源，在實際應用中可以結合儲能技術發(fā)揮出更大的作用。文章將對儲能技術的原理以及特點進行說明，并且闡述儲能技術在風力發(fā)電中的應用前景。

關鍵詞：儲能技術；風力發(fā)電；應用

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0162-02

Abstract： With the continuous progress of society， the demand for electricity is also increasing. After years of development， China has made a leading international advantage in the field of electric power， and can provide more safe and stable electricity for the public. After decades of technology accumulation， wind power generation has been gradually presented to the public， which can generate higher quality electricity at a lower cost and greatly reduce the damage to the environment. Wind power is a kind of clean and renewable energy， which can be combined with energy storage technology to play a greater role in practical applications. The paper will explain the principle and characteristics of energy storage technology， and describe the application prospect of energy storage technology in wind power generation.

Keywords： energy storage technology； wind power generation； application

隨著我國對環(huán)境的保護不斷重視，國家對新能源的研究投入也越來越大，并且提出了新能源振興計劃，其中風力發(fā)電因其污染小、可再生性強等特點尤其被大家關注。風力發(fā)電涉及到多方面的專業(yè)技術，要將儲能技術引入到風力發(fā)電系統(tǒng)中，以此來更好的提高電能的質量。當前風力發(fā)電已經(jīng)獲得了一些應用，并且正朝著提高風電場輸出功率的方向發(fā)展，預計在2020年左右，風力發(fā)電將會在我國總體發(fā)電容量中占有較大的份額。

1 儲能技術的分類和特性

1.1 飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能的主要原理是利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。目前通過超導磁懸浮技術能夠有效降低損耗，采用復合材料能夠提高儲能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。飛輪儲能系統(tǒng)中需要使用到許多性能優(yōu)秀的材料技術以及電力電子變流技術，在實際應用中能量轉化過程有所消耗，最終使得整個飛輪儲能系統(tǒng)的轉化效率一般在90%左右。這種儲能系統(tǒng)具有無污染、充放電次數(shù)無限以及維修便利的優(yōu)勢，已經(jīng)得到了很多應用。在后來的研究中發(fā)現(xiàn)，在飛輪儲能系統(tǒng)中使用積木式組合之后，能夠使得該儲能系統(tǒng)的儲能效率更高，輸出的電能持續(xù)時間更長。在實際應用中，飛輪儲能系統(tǒng)一般都應用在一些UPS和EPS中，能夠發(fā)揮重要的作用。

1.2 超導儲能系統(tǒng)

超導儲能系統(tǒng)與飛輪儲能系統(tǒng)存在一些區(qū)別，在工作過程中是將電能首先轉變成磁場能量進行存儲，等需要使用的時候再轉換為電能。超導儲能是比較先進的技術，能夠實現(xiàn)對能量的長期存儲，并且損耗更小，使得對能量的利用效率很高。在將磁場能量轉換為電能時，能量轉換的速度非?？欤啾扔陲w輪儲能系統(tǒng)，超導儲能系統(tǒng)能夠將能量轉換效率提升至96%以上。由于超導具有很好的動態(tài)性，響應時間短等優(yōu)點，超導儲能系統(tǒng)的技術運用十分廣泛，主要運用于輸配電網(wǎng)支撐、調節(jié)功率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。在上世紀九十年代，關于超導儲能技術方面的研究就已經(jīng)比較成熟，能夠比較好地運用在風力發(fā)電系統(tǒng)中，但是如何進一步提高超導的工作轉換效率仍然是學界需要攻克的問題。

1.3 蓄電池儲能技術

蓄電池儲能技術是最早在儲能方面得到應用的，已經(jīng)在生活中的很多方面得到了實際應用。在經(jīng)過幾代科學家的努力研究之后，蓄電池的容量逐漸擴大，儲存容量不斷得到提高，逐漸成為生活中不可或缺的部分。在現(xiàn)階段，一般的鉛酸蓄電池容量為20MW，是最開始蓄電池的近百倍，鉛酸電池在風力發(fā)電系統(tǒng)中比較常見，這與鉛酸電池的成本低以及可靠性高密不可分，并且對于環(huán)境的要求不是很嚴格。但是也存在一些缺陷，比如說當達到使用壽命之后很難進行無害化處理，造成對環(huán)境的影響。鎳氫電池已經(jīng)在2008年北京奧運會時得到了應用，北京地區(qū)的混合電動車都是使用鎳氫蓄電池作為移動電源。但是鎳氫電池的能量密度與其實際使用環(huán)境有關，當放電電流比較小時，其能量密度能夠超過80kWh/kg，但是當放電電流比較大時，能量密度降低到40kWh/kg。對于鋰離子電池，由于其生產(chǎn)工藝比較復雜，并且受環(huán)境影響比較嚴重，因此也就造成鋰離子電池無法勝任實際風力發(fā)電中的需求，很難進行應用。最后就是全釩液流電池，在應用時涉及到電解液和汞之間的相互作用，在電極表面發(fā)生氧化還原反應，以此來實現(xiàn)對電池的充放電過程。目前全釩液流電池已經(jīng)成為研究的主流，我國國家科學院大連化學物理研究所已經(jīng)掌握了比較領先的技術。

1.4 超級電容器儲能技術

該技術能夠提供更大的脈沖功率。在對該電容器進行充電時，在電極表面的離子不斷的吸引異性的離子，最終因為吸引力的作用而依附在電極的表面，也就形成了雙電層電容。一般超級電容器儲能技術都用在電力系統(tǒng)中電能質量高峰值功率場合中，一旦出現(xiàn)負載過大導致電壓跌落比較嚴重時，就能夠立即放電，提高電壓，使得供電更加穩(wěn)定。超級電容器儲能技術的優(yōu)點有很多，例如：可以產(chǎn)生較大并且穩(wěn)定的電流、充電放電的時間比較短，并且多次重復循環(huán)的充電放電不會讓電容器有損害。但是目前由于我國這方面的研究起步較晚，我國在這方面的技術比較落后，相對于像美國、日本、韓國、歐洲等掌握核心開發(fā)技術的國家，我國在這方面的研究仍有很長的路要走。如果在風力發(fā)電系統(tǒng)中使用超級電容器儲能技術，會讓風電電能的質量更高，穩(wěn)定性更強。

1.5 其他儲能形式

在電力系統(tǒng)的實際應用中，還有抽水儲能、氫燃料電池儲能以及壓縮空氣儲能等這些方式。一般來說，抽水儲能裝置能夠在調峰中發(fā)揮重大作用。但是這種技術由于需要建立抽水儲能電站，由于對環(huán)境的要求比較高，導致該技術在很多地區(qū)無法得到應用。氫燃料電池需要實現(xiàn)化學能和電能之間的轉換，當氫氣燃燒時，就需要將燃燒放出的能量轉換為電能。但是目前氫氣的價格比較昂貴，并且在運輸過程中條件相對苛刻，稍有不慎就有可能出現(xiàn)爆炸。要想更好的使用氫燃料電池，就必須要解決好運輸?shù)膯栴}。在風力發(fā)電中，也可以將發(fā)電場作為氫氣制造基地，這樣就能夠為一些以氫氣為原料的汽車提供能源。但是目前由于技術不成熟和成本比較高的原因限制了它的發(fā)展。壓縮空氣儲能應用在調峰過程中，這種技術消耗的燃氣比較少，具備節(jié)能的特性。當前大容量和復合化發(fā)電不斷發(fā)展，可以預見的是關于壓縮空氣儲能技術將會持續(xù)成為研究熱點。

1.6 儲能技術比較

在選用何種儲能技術進行時，需要考慮多種因素，其中包括容量大小、功率、儲存期限、轉換參數(shù)等，只有將多方面的因素考慮進去，才能結合實際情況選擇最合適的一種。表1列出了各種儲能方式它們自身的容量、功率等參數(shù)，以及它們的響應速度和轉化效率等，這樣就能更直觀的體現(xiàn)各種儲能方式的優(yōu)勢和劣勢。

2 儲能技術在風力發(fā)電中的應用前景分析

在經(jīng)過技術積累之后，已經(jīng)有很多儲能技術在電力系統(tǒng)中得到了實際應用。在電網(wǎng)調峰中，一般會使用到抽水儲能和壓縮空氣儲能。但是在對電能質量進行保護時，使用電磁儲能和飛輪儲能比較合適。但是還是有很多儲能技術無法得到應用，很大程度上都是因為成本的限制，并且還存在能量轉換效率比較低的缺陷。在風力發(fā)電不斷成為研究熱點的背景下，各種儲能技術的應用前景更加可觀，因此就需要在未來的工作中不斷加大對儲能技術的研究，盡量減小成本，提高能量轉換效率，這樣才能夠使得儲能技術在風力發(fā)電中的應用更加廣泛。目前高速飛輪和超級電容器這些技術已經(jīng)能夠使得風電場的輸出電能功率更加平滑。

3 功率轉換系統(tǒng)

在風力發(fā)電機和電網(wǎng)之間，需要建立功率轉換系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)負載和儲能單元之間的雙向能量傳遞。根據(jù)在風力發(fā)電場中的環(huán)境不同，功率轉換系統(tǒng)也可以分為：單臺風機直流側并聯(lián)PCS、風電場交流側并聯(lián)PCS、風電場HVDC輸電直流側并聯(lián)PCS以及混合儲能系統(tǒng)PCS 拓撲結構。第一種功率轉換系統(tǒng)在雙饋風力發(fā)電機中應用比較多，當PCS并聯(lián)在永磁同步電機的轉子直流母線側時，需要增設直流變交流設備。第二種功率轉換系統(tǒng)一般在風電場的出口處的低壓側進行安裝，并且需要加設交流變直流設備。第三種功率轉換裝置需要輔助對儲能單元進行控制，實現(xiàn)對充放電功率的控制，對風能的波動進行補償。

4 結束語

中國風電行業(yè)發(fā)展迅猛，同時也改變了世界風電格局，成為全球風電產(chǎn)業(yè)新的“風向標”。儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用具有廣闊的前景。因此我國需要在今后加強對儲能技術的研究力度，掌握自主知識產(chǎn)權，這樣才能夠實現(xiàn)對儲能技術的廣泛使用。政府也應當制定相應的政策支持，鼓勵電力企業(yè)對儲能技術進行研究，努力在混合式儲能技術研究中占據(jù)優(yōu)勢地位，為我國電力系統(tǒng)安全高效運行提供新的技術支持。

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