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储能技术在风力发电系统中的应用
摘要：阐述了储能技术的原理和特点，具体介绍了飞轮储能、超导储能、蓄电池储能和超级电容器储能在风力发电系统中的应用；分析了各种储能技术的优缺点和应用前景；指出了混合式储能技术是最可行的方案；介绍了功率转化系统的结构特点和最优化控制技术的进展。关键词：风力发电系统；储能技术；功率转化系统中图分类号：TM614；TK82文献标志码：A文章编号：1671-5292（2009）06-0010-060引言根据新能源振兴规划，预计到2020年我国风力装机容量将达到1.5亿kW，将超过电力总装机容量的10%。从电网运行的现实及大规模开发风电的长远利益考虑，提高风电场输出功率的可控性，是目前风力发电技术的重要发展方向。把风力发电技术引入储能系统，能有效地抑制风电功率波动，平滑输出电压，提高电能质量，是保证风力发电并网运行、促进风能利用的关键技术和主流方式。随着电力电子学、材料学等学科的发展，高效率飞轮储能、新型电池储能、超导储能和超级电容器储能等中小规模储能技术取得了长足的进步，拓宽了储能技术的应用领域，特别是在风力发电中起到了重要作用。储能系统一般由两大部分组成：由储能元件（部件）组成的储能装置和由电力电子器件组成的功率转换系统（PCS）。储能装置主要实现能量的储存和释放；PCS主要实现充放电控制、功率调节和控制等功能。1储能技术的分类和特性储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等4类。物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能方式；电磁储能主要有超导储能方式；电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储能和燃料电池储能；相变储能主要有冰蓄冷储能等[1]，[2]。1.1飞轮储能系统飞轮储能（FESS）是一种机械储能方式，其基本原理是将电能转换成飞轮运动的动能，并长期蓄存起来，需要时再将飞轮运动的动能转换成电能，供电力用户使用。高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术促进了储能飞轮的发展。飞轮储能的功率密度大于5kW/kg，能量密度超过20kWh/kg，效率大于90%，循环使用寿命长达20a，工作温区为-40~50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作。若通过积木式组合后，飞轮储能可以达到MW级，输出持续时间为数分钟乃至数小时。飞轮储能主要用于不间断电源（UPS）/应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制，国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统[3]。文献[4]利用飞轮储能电池取代传统的柴油发电机和蓄电池来充当孤岛型风力发电系统中的电能调节器和储存器，建立了系统的电流前馈控制数学模型，实验结果表明，这一方法能有效地改善电能质量，解决风力发电机的输出功率与负载吸收的功率相匹配的问题。美国的Vista公司将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300kW，大容量储能飞轮的储能为277kWh，风力发电系统的电能输出性能及经济性能良好。中国科学院电工研究所已经研制出飞轮储能用高速电机；华北电力大学研制出储能2MJ、最高发电功率10kW的准磁悬浮飞轮储能装置。飞轮储能技术正在向大型机发展，其难点主要集中在转子强度设计、低功耗磁轴承、安全防护等方面。1.2超导储能系统超导储能系统（SMES）利用由超导线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网。超导储能技术的优点：①可以长期无损耗储存能量，能量返回效率很高；②能量的释放速度快，功率输送时无需能源形式的转换，响应速度快（ms级），转换效率高（>96%），比容量（1～10kWh/kg）和比
功率（104~105kW/kg）大；③采用SMES可调节电网电压、频率、有功和无功功率，可实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。20世纪90年代，在超导储能技术已被应用于风力发电系统[5]，[6]，[7]。中国科学院电工研究所已研制出1MJ/0.5MW的高温超导储能装置。清华大学、华中科技大学、华北电力大学等都在开展超导储能装置的研究。文献[5]采用电压偏差作为SMES有功控制信号，在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。SMES的发展重点：基于高温超导涂层导体，研发适于液氮温区运行的MJ级系统；解决高场磁体绕组力学支撑问题；与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本；结合实际系统探讨分布式SMES及其有效控制和保护策略。
1.3蓄电池储能技术蓄电池储能系统（BatteryEnergyStorageSystem，BESS）主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电，一般由电池、直—交逆变器、控制装置和辅助设备（安全、环境保护设备）等组成。目前，蓄电池储能系统在