风能和超级电容器的混合储能系统

风能和超级电容器的混合储能系统

随着经济的发展，国家对能源的需求越来越多，而生活中处处离不开电能的存在，此时，运用可再生能源——风能进行发电的方式逐渐进入人们的视野，并越来越受到重视。

然而，风能具有间歇性和不稳定性，在向电网并网输电时输送的电功率也不稳定。随着科技的进步以及对风电进行技术创新的要求与日俱增，人们发现需要在风力发电中应安装储能设备，而超级电容器具有诸多优点：在用电高峰期时，超级电容器可以将储存的电能释放到电力系统中去；而在风能发电高峰期时，可以将电力系统中剩余的电能储存到超级电容器中。双向DC/DC功率变换器作为连接超级电容器和直流侧母线的纽带，是风电并网运行、储能等控制电能质量至关重要的部分。

目录

1 风能资源 (3)

1.1 风能的估算 (3)

1.1.1 风能的计算 (3)

1.1.2 平均风能密度 (3)

1.1.3 理论可用风能 (5)

1.1.4 有效可用风能 (5)

1.1.5 平均有效风能 (5)

1.2 中国范围内的风能分布 (5)

2 风力发电机组 (8)

2.1 能量转换和传输理论 (8)

2.1.1 能量传递理论 (8)

2.1.2 机电能量转换理论 (9)

2.2 风电设备的工作原理 (12)

2.3 风力发电机的分类 (13)

2.4 风力发电机组的设计基础 (14)

2.4.1 设计的技术要求 (14)

2.4.2 主要尺寸 (16)

2.4.3 电机绕组 (16)

2.4.4 参数计算 (18)

2.4.5 发电机性能 (19)

3 风力发电的发展 (20)

3.1 风力发电发展的影响因素及存在的问题 (20)

3.1.1 风力发电发展的影响因素 (20)

3.1.2 风力发电发展存在的问题 (20)

3.2 风力发电发展展望 (21)

4 超级电容器 (23)

4.1超级电容器的原理 (23)

4.1.1 超级电容器储能原理分类 (23)

4.1.2 双电层电容器的工作原理 (23)

4.2 电特性 (24)

4.3串联过程均压问题和解决方法 (27)

4.3.1 超级电容器均的均压 (27)

4.3.2 解决方案 (27)

5 风能和超级电容器的混合储能系统 (29)

5.1 储能系统的作用 (29)

5.2 超级电容器储能技术在风电中的应用 (29)

5.3 抑制风能随机波动的方式 (31)

结束语 (32)

前言

18世纪60年代第一次工业革命以来，工业随着科技的发展而迅速发展，高速发展的工业以大量的资源消耗为支撑。尤其是近现代以来，各个国家对资源的需求量与日俱增，来满足经济的高速、平稳发展，而地球上可利用的不可再生能源日趋匮乏。虽然专家预测的煤炭可开采217年，石油还可开采35年，天然气可开采56年不是很准确，但这些常规能源必然越用越少。同时在常规能源（煤、石油、天然气等）消耗过程中所产生的大气污染、温室效应等环境问题越来越严重。

作为一种清洁的，并且具有可再生性质的能源——风能，越来越在各国的能源消费结构中占据更高的比重。全球范围内储存的风能大约有30亿兆瓦，在这当中有大约2千万兆瓦是可以被开发利用的，其数量比可利用的水能的十倍还多。我国风力资源居于世界首位，其中陆地储存的风力资源大约有三十万兆瓦，海面上能够储存的风力资源大约有八十万兆瓦，总量为一百一十万兆瓦。加快推进风电建设，既能够优化我国的能源消费结构，又能够通过减少二氧化硫等污染气体和二氧化碳等温室气体的排放来减轻环境压力，同时，还可减轻能源进口方面的压力，对于提高我国能源供应的可靠性、安全性和多样性方面将作出积极的贡献。

进入21世纪以后，相关法律逐渐生效，按累计装机容量计算，风电行业进入黄金发展期，通过近几十年发展，实现了我国风电设备装机总量接近八百万千瓦，跻身全球第四。由于发展时间较晚、技术不够先进，估计在2030年风电总量也仅为我国电力总量的5%。

随着科技发展和政府支持，我国各个省份的风电建设快速发展。从各地区风电建设情况来看，到2009年底，九个省的风力发电总装机容量高于一百万千瓦，而且，其中四个省高于二百万千瓦。根据我国的计划发展，再经过15年发展，全国范围内风力发电累计装机容量最终实现3万兆瓦。根据有“风电第一纸媒”之称的《风能世界》数据显示，风力发电设备的市场值已经达到1500到2200亿元人民币。

风电是一个集控制、材料、力学、电力系统等综合性学科的技术，随着风电的迅猛发展，风电方面的技术人才需求量也越来越大。就风力发电的目前发展阶段来说，由于其低成本的优势，已对火力发电、水力发电形成冲击，随着风电机组国产化以及发电的规模化，其成本还有可能再降低，所以风电已经成为投资者的另一片热土。

在风电并网运行中，选择高性能电容器作为储能设备能够改善电能质量，同时能够增大电压输出范围，通过高性能电容器并联能够增加其容量来适应不同系统需要。超级电容器在风电并网运行过程中发挥着重要作用，在用电高峰期超级电容器可以向电网释放储存的能量，而在发电高峰期时超级电容器可以吸收电网能量进行充电储能，如此反复充放电可以调节用电和发电之间的不平衡。

1 风能资源

1.1 风能的估算

1.1.1 风能的计算

假设ρ表示空气密度、ν表示空气流动速度、F 表示截面面积，则风能表达式为： 3222

121m 21υρυυρυFt t F ===E （1-1） 风能功率（Wind Power ）W 的表达式为： 32

1υρF W = （1-2） 其单位为m N /s,由上式可得，风能功率同空气密度ρ、垂直流过截面面积F 呈正相关关系，同风速ν的三次方也成正相关。

1.1.2 平均风能密度

由风能密度（Wind Power Density ）ω定义可得 321ρυω=

（1-3） 其单位为2m W 。 平均风能密度ω表达式为： t T d 2

1T 130ρυω⎰= （1-4） 一般情况下，可以忽略空气密度ρ的变化，所以可把上式简化为