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
dt T T ⎰=032υρ
ω （1-5） 以上所讲的是在理想情况下的计算方法，但是由于实际计算中风能密度计算比较困难，可以利用测量的数据计算平均风能密度。

通过（1-5）表达式，首先将每小时h 内风能密度求解出来，求和，再按照一年内小时数进行平均，从而能得到一年内平均风能密度。

此外，还可以根据观测的数据，把所有的风速值划分成1m/s 的许多段，把每段风速大小平均值的立方乘以ω，然后再乘这个风速每年出现的小时数（h/年），就能得到图1-1的风能分布曲线。

然后，按(1-6)求取ω：
32n i i N
ρυω∑= i=1,2,3,… （1-6）
图1-1 风能分布曲线
通过公式（1-5）可得，ω作为ω概率分布的期望。

因此能够通过风资源流动速度的分布求得其密度。

在已经知道风频率分布函数的前提下，能快速的求得平均风能密度ω。

1.1.3 理论可用风能
人们在利用风力设备将风能转化成其他形式能的过程中，还涉及到转换率的问题，最理想状态下的转换率p C 与风能的乘积即为理论可用风能。

所以，一年当中理论上的可用风能E 能够用风能密度（Wind Power Density ）——时间（Time ）的关系图所表示的面积大小和最理想转换率p C 乘积来表达，即
T C t C E T
⎰==0
d ωρρω （1-7）
理论年可用风能的单位是kW ·h/㎡。

1.1.4 有效可用风能
在实际应用中，由于风电设备在风力过大或过小时无法运转，而且其转换率效率都有η<1，因此风电设备并不可以全部得到流动空气中的理论上能够利用的能量E 。

起初，当且仅当空气流动速度达到设备运行速度时，风电设备才足以运行。

这时，风电设备产生的功率全部被设备自身所使用，不能对外输出。

当风速继续增大，风电设备才能够向外输送电功率，当风速增大到设备的额定风速时，向外输送额定电功率。

当风力大小超过额定大小时，因为调节控制系统的存在，风电设备输出的仍为额定值。

若风速持续增大，为了满足对整个风力发电设备安全方面的要求，当增大到停机风速时，必须停止风电设备的运转，此时，风力机不向外输送电功率。

1.1.5 平均有效风能 一年内的平均有效风能e ω表达式是：
υυρυωυυd p N
m
)(21'3e ⎰= （1-8） 在（1-8）中，)('υp 表示为风速在m υ—N υ内发生ω的概率。

根据条件概率相关概念，必然存在下面的表达方程：
)
()()()()()('m N N m p p p p p p υυυυυυυυυυ≤-≤=≤≤= （1-9） 由公式（1-10）同样可以得出ω有效大小。

设)('υp 是空气流动速度在m υ≤υ≤N υ条件下的概率，且已知威布尔参数，可得其三次幂的期望值)(3'υE 为
υυυυυυυυυυυυυυυ
υυυυυυυυd e A A C e e d p p p d p E C A C A A m N N m C
N
C m
N
m N
m )(13)()(3'33')(1)
()()()()(----⨯-=
≤-≤⨯==⎰⎰⎰ （1-10）
1.2 中国范围内的风能分布
在大气活动以及地形地貌的双重作用下，我国风资源分布表现出明显的地域特点。

为了更好地了解不同地区的风能分布特点，以及合理地开发利用，按年利用有效风能密度以。