風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用探討

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；儲(chǔ)能技術(shù)；風(fēng)電并網(wǎng)；應(yīng)用探討

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，人們對(duì)電能的需求量也越來(lái)越大，這給國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。在這種新形勢(shì)下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性被越來(lái)越多的電力公司所采用。但是，由于風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)性，給風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了一些困難。若能改善風(fēng)電出力的穩(wěn)定性，將對(duì)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目帶來(lái)更大的促進(jìn)作用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的運(yùn)用，既可以解決區(qū)域內(nèi)部的用電問(wèn)題，又可以從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)解決目前的能源短缺問(wèn)題。儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)改善電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義，可為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。所以，對(duì)規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、風(fēng)力發(fā)電中儲(chǔ)能技術(shù)的概述

風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)指的是將風(fēng)力發(fā)電中產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，一般情況下采用儲(chǔ)能設(shè)備和電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以提高風(fēng)力發(fā)電電能的應(yīng)用效果。近年來(lái)，隨著我國(guó)科技的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了顯著進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。從風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)的功能來(lái)看，主要有三個(gè)方面：①保持風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足人們對(duì)電力供應(yīng)的需要。②保持電網(wǎng)穩(wěn)定，提高電能供應(yīng)品質(zhì)。③對(duì)電力過(guò)?，F(xiàn)象進(jìn)行處理。采用風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)，可以根據(jù)當(dāng)前的用電量，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)風(fēng)電的能量存儲(chǔ)方式，將風(fēng)電能量存儲(chǔ)分為化學(xué)、物理和電磁三大類(lèi)。其中空氣壓縮以及飛輪儲(chǔ)能技術(shù)屬于物理儲(chǔ)能方法[1]；使用超導(dǎo)磁儲(chǔ)備電能屬于電磁儲(chǔ)能法；使用蓄電池來(lái)對(duì)剩余電能進(jìn)行儲(chǔ)存屬于化學(xué)儲(chǔ)能法。利用風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)，可以大幅度降低發(fā)電的成本，提升供電能力。

二、風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

定速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)采用“雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)”來(lái)捕獲風(fēng)能。在低風(fēng)速區(qū)域，使用小功率的低速感應(yīng)發(fā)電機(jī)，而在高風(fēng)速區(qū)域，則采用大功率的高速感應(yīng)發(fā)電機(jī)。通過(guò)“葉片失速”原理，可以控制風(fēng)能并調(diào)整風(fēng)能使用系數(shù)，以靈活地利用風(fēng)能。然而，實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)能使用系數(shù)的最大值可能存在偏差，影響風(fēng)能的實(shí)際利用率，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)需要在低效狀態(tài)下運(yùn)行。

變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)通過(guò)一系列精密的部件協(xié)同工作，顯著提高了風(fēng)能的捕獲效率。這些關(guān)鍵部件包括“雙饋感應(yīng)器”“全功率變流器”“增速齒輪箱”“并網(wǎng)控制器和變流器”等。其中，雙饋感應(yīng)器與全功率變流器的結(jié)合設(shè)計(jì)，在變流器容量占據(jù)額定功率的20%至30%時(shí)，展現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟(jì)效益。全功率變流器與增速齒輪箱的配合使用，則提供了一種靈活的方法來(lái)調(diào)整發(fā)電參數(shù)，以適應(yīng)不同類(lèi)型的發(fā)電機(jī)，如永磁發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以通過(guò)直驅(qū)系統(tǒng)或齒輪箱與風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接相連，為不同的發(fā)電機(jī)選擇提供了可能性。此外，變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)在電網(wǎng)故障后的低電壓穿越，保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的整體運(yùn)行效率和可靠性[2]。并網(wǎng)控制器和變流器則負(fù)責(zé)根據(jù)風(fēng)速的變化輸出適量的交流電，確保其與電網(wǎng)的電壓和頻率保持同步，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接。這種連接方式不僅提高了風(fēng)力資源的利用效率，還能夠減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行做出了重要貢獻(xiàn)。通過(guò)這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不僅提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，還增強(qiáng)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，為可持續(xù)發(fā)展和清潔能源的利用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

三、風(fēng)力發(fā)電中常見(jiàn)的規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)

（一）超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能技術(shù)

超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能技術(shù)是利用直流電通過(guò)超導(dǎo)材料繞組形成的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效存儲(chǔ)。該技術(shù)的獨(dú)特之處在于其無(wú)需將能量直接轉(zhuǎn)化為電能，從而保留了能量的動(dòng)態(tài)特性，使其能夠在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大化的電能輸出。這種直接的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，不僅提高了能源利用效率，還顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效供電提供了重要保障。然而，目前該技術(shù)所采用的超導(dǎo)磁體蓄電設(shè)備不具備長(zhǎng)期蓄電的能力，蓄電能力相對(duì)較低。所以，一般情況下，這種技術(shù)被用于風(fēng)電系統(tǒng)中的功率補(bǔ)償或調(diào)節(jié)，在提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性方面發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。

（二）飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)中，轉(zhuǎn)子由電力驅(qū)動(dòng)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，將電機(jī)輸出的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的能量，同時(shí)利用加速器對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行能量存儲(chǔ)。當(dāng)需要用電的時(shí)候，它可以帶動(dòng)引擎產(chǎn)生電能。該技術(shù)的儲(chǔ)能時(shí)間以小時(shí)為單位，儲(chǔ)能能力中等，并且具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，能夠在最短時(shí)間內(nèi)迅速響應(yīng)，最大限度地釋放儲(chǔ)存的電能[3]。這種高效的能量輸出特性，確保了儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在需求高峰期或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)，從而提升了整個(gè)電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性，該裝置可用于電網(wǎng)調(diào)頻。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)Χ虝r(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)起到很好的補(bǔ)充作用，所以當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)時(shí)，也能夠通過(guò)它來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。

（三）超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)

該技術(shù)基于電化學(xué)雙電層的基本原理，采用該技術(shù)制備的超級(jí)電容蓄電器件，能夠在充放電過(guò)程中產(chǎn)生超大的脈沖能量，保證其在充放電過(guò)程中始終保持最優(yōu)的電壓水平。而在此過(guò)程中，所產(chǎn)生的電荷又會(huì)與周?chē)娊庖褐械牟煌N類(lèi)金屬離子發(fā)生相互作用，從而吸附到電極上，并產(chǎn)生一種雙重電荷結(jié)構(gòu)。該技術(shù)中使用的超級(jí)電容設(shè)備，其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，在儲(chǔ)能的過(guò)程中沒(méi)有毒性，充電時(shí)間短，電流大，而且反復(fù)充電和放電對(duì)設(shè)備的性能沒(méi)有任何影響。所以，這項(xiàng)技術(shù)能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，提供瞬時(shí)的功率支持，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，減少因頻率波動(dòng)引起的設(shè)備損壞。

（四）蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池能量存儲(chǔ)技術(shù)是利用蓄電池的正、負(fù)極間發(fā)生的氧化－還原作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子的充電和放電。該技術(shù)中所采用的能量存儲(chǔ)設(shè)備，通常包括控制器、電池、直交流逆變器等。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已普遍采用蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)。從化學(xué)物質(zhì)的角度來(lái)分析蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)中所使用的儲(chǔ)能裝置包括了鈉硫電池、鋰離子電池、鉛酸電池儲(chǔ)能裝置等。

（五）其他儲(chǔ)能技術(shù)

目前，除了上述幾種儲(chǔ)能技術(shù)之外，還存在著其他的儲(chǔ)能技術(shù)，例如：氫燃料電池、抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)等。其中，抽水儲(chǔ)能技術(shù)主要用于電網(wǎng)的調(diào)峰和集中發(fā)電，該技術(shù)對(duì)地域條件有很高的要求，目前，國(guó)內(nèi)很多風(fēng)力發(fā)電的地域條件并不適合建立抽水儲(chǔ)能電廠，所以該技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的推廣具有很大的困難。氫燃料電池儲(chǔ)能技術(shù)以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電力來(lái)儲(chǔ)存能量，其造價(jià)高昂，安全隱患較多，目前在國(guó)內(nèi)多用于航空航天等領(lǐng)域[4]。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理是利用燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰，進(jìn)而促進(jìn)能量的高效轉(zhuǎn)換。

四、規(guī)模化儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

（一）平滑風(fēng)電輸出功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)以其獨(dú)特的快速吸收和釋放有功及無(wú)功功率的能力，成為平滑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)這種技術(shù)，我們能夠確保風(fēng)電發(fā)電量在每一時(shí)間單位內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，從而極大提升了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可控性。這種穩(wěn)定性不僅保障了發(fā)電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，還顯著提高了系統(tǒng)對(duì)發(fā)電波動(dòng)性的應(yīng)對(duì)能力。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性問(wèn)題。在較大范圍內(nèi)，這種技術(shù)能夠減少風(fēng)力輸出功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)造成的沖擊，從而確保了電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性[5]。這對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)施與傳統(tǒng)電網(wǎng)的結(jié)合具有重要意義，使得清潔能源的集成與融合變得更加便捷和可靠。此外，規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用還有助于推動(dòng)電網(wǎng)的綠色轉(zhuǎn)型。作為一種堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持，它不僅有助于實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的高效利用，還為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)提供了有力支撐。在未來(lái)，我們將繼續(xù)優(yōu)化儲(chǔ)能技術(shù)，提高儲(chǔ)能效率，降低成本，推動(dòng)可再生能源與規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的深度融合，為構(gòu)建清潔能源社會(huì)做出更大貢獻(xiàn)。

（二）利用風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)組LVRT能力

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前主流風(fēng)電發(fā)電機(jī)的LVRT性能，可以通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改善或者添加一些硬件電路來(lái)得到提升。如僅僅依靠控制策略進(jìn)行優(yōu)化，雖然能夠在一定程度上減輕電網(wǎng)故障時(shí)出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)電流和過(guò)電壓?jiǎn)栴}，但這種方法并不能從根本上消除故障引發(fā)的過(guò)電壓和過(guò)電流問(wèn)題。因此，我們需要采取更為有效的措施，通過(guò)添加一些硬件電路來(lái)消除其在故障時(shí)的過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)題，從而大幅提升LVRT性能。

據(jù)Joos G.[6]的研究表明，采用改善磁通Flux的方法對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，比在雙饋風(fēng)電機(jī)組變換器的直流端并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其LVRT的性能更好。Muyeen S M.[7]的研究表明，利用 STATCOM/BESS （電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）可以有效地提高風(fēng)電發(fā)電機(jī)的 LVRT能力，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)受到過(guò)電壓、過(guò)電流的傷害，從而達(dá)到提高風(fēng)電發(fā)電機(jī)LVRT功能的目的。STATCOM/BESS能夠快速吸收多余的能量，從而防止發(fā)電機(jī)受到損害，并顯著增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的LVRT功能，確保了風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（三）降低電網(wǎng)調(diào)峰負(fù)擔(dān)，提高風(fēng)電利用經(jīng)濟(jì)性

在我國(guó)多數(shù)區(qū)域，夜晚風(fēng)速比白晝更大，但就我國(guó)電力系統(tǒng)的負(fù)載而言，白天出現(xiàn)高“峰”，晚上出現(xiàn)低“谷”，其持續(xù)時(shí)間為十多個(gè)小時(shí)，在“谷”期間，負(fù)載還不到“峰”期間的一半。當(dāng)風(fēng)力很大時(shí)，也就是電力消耗最小的時(shí)候，其電力消耗只有白天電力消耗的三分之一左右。若將規(guī)?；瘍?chǔ)能裝置與風(fēng)電場(chǎng)相匹配，對(duì)其進(jìn)行“削峰填谷”，則可在“谷”時(shí)將過(guò)剩的風(fēng)力存儲(chǔ)起來(lái)，使風(fēng)能得到最大限度地發(fā)揮，同時(shí)還可大大減少附屬裝置的容量，從而降低風(fēng)電發(fā)電成本。在用電“峰”期間向電力系統(tǒng)出售儲(chǔ)備電能時(shí)，其發(fā)電價(jià)格與“峰”期間市場(chǎng)價(jià)格相當(dāng)。可以看出，規(guī)?；瘍?chǔ)能與風(fēng)電并網(wǎng)后，可以減輕電網(wǎng)負(fù)荷，緩解能源供求矛盾，增加風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益，并提升了風(fēng)電的應(yīng)用價(jià)值。利用規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電進(jìn)行“削峰填谷”，這一點(diǎn)在國(guó)外已被證實(shí)。因此，將風(fēng)電與規(guī)模化儲(chǔ)能裝置（如：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等）結(jié)合在一起，進(jìn)行“削峰填谷”，可以有效減輕電力系統(tǒng)的負(fù)荷，增加風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

（四）發(fā)揮分布式供電優(yōu)勢(shì)，確保風(fēng)電的連續(xù)性

分布式供電，即在電力系統(tǒng)中，將發(fā)電設(shè)施置于負(fù)荷的鄰近區(qū)域，這一做法顯著降低了輸電過(guò)程中的能量損耗，同時(shí)提升了供電的可靠性與效率。在風(fēng)電和光伏發(fā)電能力不足的情況下，分布式供電系統(tǒng)能夠借助儲(chǔ)能設(shè)施，確保向負(fù)荷穩(wěn)定供應(yīng)電力。與此同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電量充沛時(shí)儲(chǔ)存多余電力，待到需求上升或能源產(chǎn)出下降時(shí)，再釋放這些儲(chǔ)存的能源，有效調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的供需平衡。為確保風(fēng)電供應(yīng)的穩(wěn)定性，分布式供電與儲(chǔ)能技術(shù)的融合至關(guān)重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供即時(shí)的電力補(bǔ)充，有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性，從而保障電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性。通過(guò)這種綜合能源解決方案，我們能夠最大限度地發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高能源供應(yīng)的整體效能。

結(jié)論

綜上所述，在環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約理念不斷深化的當(dāng)下，我國(guó)正積極發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，這標(biāo)志著未來(lái)能源發(fā)展的主要趨勢(shì)。鑒于此，本文首先概述了風(fēng)電和光伏發(fā)電領(lǐng)域中的儲(chǔ)能技術(shù)，隨后詳細(xì)討論了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的核心技術(shù)，并對(duì)常見(jiàn)的規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了深入分析。最后，本文提出了一些應(yīng)用策略，以促進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電中規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)這些可再生能源技術(shù)向更高效、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。