风力发电系统中储能技术的研究 宋铭磊

风力发电系统中储能技术的研究宋铭磊

发表时间：2017-12-31T10:52:30.137Z 来源：《电力设备》2017年第26期作者：宋铭磊

[导读] 摘要：可再生能源如风电能源和核能是唯一可大规模利用的替代能源。

（国华能源投资有限公司呼伦贝尔分公司内蒙古自治区呼伦贝尔市 021000）

摘要：可再生能源如风电能源和核能是唯一可大规模利用的替代能源。随着现代科技技术的飞速发展，风电新能源作为国家近年来大力发展的项目之一，研究风力发电系统中储能技术具有非常重大的现实意义。本文对风力发电储能技术的主要内容和应用进行概述，主要研究风力发电储能技术的发展。

关键词：可再生能源；风电能源；储能技术

1引言

由于不可再生资源的耗竭，风电新能源如今受到关注。风电作为可再生资源具有环境友好型，可再生等诸多优点使得许多地方对风力发电系统进行研究。但是风力发电系统有一个最大的缺点是具有不稳定不可控性。其来源并不稳定因此对储能技术的要求较高。通过研究风力发电系统中的储能技术来提高风力发电的稳定性和可控性。

2风力发电储能技术概述

风力发电储能技术主要指通过风力转换产生电能并将电能储存起来的技术。按储存能量的形式不同，适合风力发电系统、有应用前景的储能方式主要有飞轮储能、抽水蓄能、超级电容器、超导、压缩空气储能等几种形式。

2.1飞轮储能

飞轮储能是一种机械储能方式，原理是将风力制造的电能转化成飞轮的动能，等到需要时再将飞轮的动能释放出来转化成电能。飞轮储能的功率大于5kw/kg，效率大于90%，其优点在于技术成熟度高、充放电次数无限以及无污染，但飞轮储能的能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。适用于电网调频和电能质量保障。如今许多技术如高强度碳素纤维，大功率电力电子变流技术，电磁和超导磁悬浮承轴技术等同样能够促进储能技术的发展。

2.2抽水储能

抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来的形式，综合效率在70%到85%之间，应用在电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用，综合效率在70%到85%之间，应用在电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用。这种大规模集中型的能量储存技术是比较成熟的，可以用于电网的能量管理和调峰，但厂址选择比较依赖地理条件，难度较高。

2.3超级电容器

根据电化学双电层理论研制而成，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小，采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。已知化学电池是通过电化学反应产生正负电荷转移来储存电荷的，而超级电容器的电荷储存在双电层上并在电极表面发生电荷的转移。

超级电容器的优点是寿命长循环次数多，充放电时间快，效率高，运行温度范围广等，且超级电容器的比功率是电池的10倍以上。但超级电容器的电介质耐压较低，制成的电容器一般耐压仅有几伏，储能水平受到耐压的限制，因此储存的能量不大。其能量密度低，投资成本高，有一定的自放电率。

2.4超导储能

超导储能是由一个用超导材料制成的，放在低温容器中的线圈，功率调节系统和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直线电流方式储存在磁场中。这是一种新型的蓄能方式。储能时将风力发电系统中的交流电转变为直流电，激励超导线圈；发电时将直流电转变为交流电输出，将电荷直接接入电力系统。

其优点是由于将电能储存在磁场中，并无能量形式转换，能量的充放电非常快，因此功率密度很高。响应速度极快，可改善配电网的电能质量。但其缺点也很明显，超导材料价格昂贵，维持低温制冷运行需要大量能量，能量密度低，最大的缺陷是市面上虽然已有商业性的低温和高温超导储能材料可用，但因价格昂贵和维护复杂，在电网中应用很少，大多是试验性的。

2.5压缩空气储能

压缩空气储能采用空气作为能量的载体，大型的压缩空气利用过剩电力将空气压缩并储存在一个地下的结构，当需要时再将压缩空气与天然气混合，燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。其优点是有调峰功能，适合用于大规模电场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转化成电的环节，从而提高效率。但是其使用地点非常有限，需要很大的空间储存空气；需要燃气轮机配合，并需要一定的燃气做燃料，适用于能量管理，负荷调平和削峰。

综上所述：

（1）物理储能方法如飞轮和空气压缩等方式：无污染但储能的能量密度不够。

（2）电磁方法如利用超导物质实现风力资源的储备：功率密度高但是材料昂贵维护复杂。

（3）化学储能方法主要是利用一些蓄电池等方法对电力资源进行储备：这种方式比较合理且运用较广。其保证风力发电后将电力资源储存并合理的处理，其输出的效率较高，电能性能稳定。

3风力发电储能技术的应用

3.1储能设备的接入

在风力发电系统中利用储能技术，增强风力发电的稳定性，可以提高发电效率。在风力发电系统中接入储能设备可以增强风力发电的稳定性，并将成本耗损降至最低。我们在储能设备的接入时要对其进行选择，使其符合风力发电的条件。一般选择条件为实际储存环境和需求。同时风力发电储能技术也能将暂不使用的电能储存起来，在下次有需求时补偿使用。这是一种能量的可循环利用，能提升发电储存系统的稳定性，

我们根据储能技术结构的不同可将储能技术分为分布式储能技术和集中式储能技术。分布式储能技术是将储能设备安装到每一台发动机，以保证发电设备的稳定运行。每一台发电装置有一台储能装置的方法对于风力发电系统稳定运行是非常有好处的。但是其缺点也很明

显：风力发电厂的发电装置数目是比较庞大的，要将发电装置上都安装储能装置的方法耗费人力巨大，增加成本。并且储能设备安装入发电装置的安装方法比较复杂，需要的技术人员要有较强的专业性。

集中式储能系统是一种能够根据实际风力发电情况对风力发电装置的输出电量进行调整的储能系统。它可以实时跟进发电系统的具体运行情况进行合理调整，控制输入和输出频率与电量。这种储能系统的优点是具有时效性，能够实时对电量进行调节，非常灵活。集中式相比起分布式来说，极大地减少了安装储能装置的工作量，同时降低了工作人员的工作难度。但是其缺点是，集中式储能系统对于变流器和储能装置的设备容量与可操控性要求远高于分布式，许多风力发电企业无法达到其标准，因此无法开展集中式储能系统，这对于这种技术是一种限制因素。

3.2分布式储能技术的应用

在使用分布式储能技术时，风力发电系统一定会存在直流电部分，因此分布式储能电容器会与直流电相连。当风力发电不足时，证明风力已经无法满足发电需求，此时我们需要使用分布式储能技术将电功率传导至风力发电系统的直流电部分，再通过变流器向风力发电系统传导电能，这样整个电网才会以平衡稳定的功率保持电力供应。

当风力发电充足的时候，此时风力完全可以平衡发电需求，使用分布式储能技术可以将暂不需要的电力资源传导至风力发电系统的直流电部分，由储能系统暂时储存电能。这不仅可以维持电力稳定输入输出，还可以提高电能的利用率。

3.3集中式储能技术的应用

在使用集中式储能技术时，我们需要将此储能设备接入到风力电场的母线位置，利用储能电池PCS设备等对于多余的电能进行储存。当风力资源较少时，储能设备会将以前储存的电能调动出来使用来补充如今风力不足的现状。当风力资源充足时，集中式储能设备能将暂不需要的电能进行储存，完全调动储能电池和PCS设备，使得变换器处于boost状态，此时变流器处于逆变或整流状态，双向直流变换器同时也会发挥作用，对集中式储能设备进行调整对电力资源的整合利用。

4风力发电储能技术的发展

上述所介绍的储能技术中，

（1）物理储能方法如飞轮和空气压缩等方式：无污染但储能的能量密度不够。

（2）电磁方法如利用超导物质实现风力资源的储备：功率密度高但是材料昂贵维护复杂。

（3）化学储能方法主要是利用一些蓄电池等方法对电力资源进行储备：这种方式比较合理且运用较广。其保证风力发电后将电力资源储存并合理的处理，其输出的效率较高，电能性能稳定。

对于风力发电储能技术的成本计算才是风力发电系统中的核心问题之一[1]，功率密度是否高于平均值，污染程度大小以及使用成本是未来储能技术着重研究的方向。风力发电能否储能取决于能否对风力发电进行管理，对于多种储能技术混合使用的储能系统，比如混合飞轮储能，超导储能和压缩空气储能的经济型混合储能系统，具备三者的优势，无污染，功率密度高且方式合理运用范围广。这种新型技术不仅能够对风力发电进行管理，还能减少电能损失，这是未来发展的目标和方向，是一种绿色经济型储能技术方案。 5结语

风电作为可再生资源具有环境友好型，可再生等诸多优点使得许多地方对风力发电系统进行研究。而在风力发电系统中，储能技术作为其中重要的一个环节，需要对其进行深入研究。风力发电储能技术主要有：飞轮储能，抽水储能，超级电容器，超导储能，压缩空气储能等。风力发电储能技术的应用有：储能设备的接入，分布式储能技术的应用和集中式储能技术的应用。风力发电储能技术的发展空间是广阔的，我们需要更多的专业型技术人员对储能技术进行深入学习与研究，通过具体的情况具体分析，从已有的技术中选择合适的储能方式，将暂不使用的电能储存并转化率最大化。

参考文献：

[1]杨苹，马艺玮.储能技术在风力发电中的应用田.系统科学与数学，201232（4）：410一417.