风力发电项目中规模化储能技术的应用探讨

　　陈均林 祁秀萍 周黎明 郑树宝 宁晓龙

　　【摘 要】为探究规模化储能技术在风力发电系统中的应用，提高电力设备的供电能力，延长设备使用周期，并缓解能源出力的波动性和间歇性，本文分析了当前能源短缺背景下的电力设备能耗问题，阐述储能技术在风力发电中的应用现状，探讨规模化储能技术对电力设备的影响，以及规模化储能技术在电网中的应用前景。研究发现规模化储能技术的应用可以改变风电设备中能量的平衡状况，提高电力设备的供电能力和能源利用率，有效缓解能源出力的波动性和间歇性，促进电力设备的稳定运行。为此得出结论，规模化储能技术在风力发电系统中具有广阔的应用前景，对提高电力设备的性能和稳定性具有重要意义。在今后的发展中，应进一步优化储能技术，降低成本，提高储能效率，推动可再生能源与规模化储能技术的深度融合，为我国能源转型和可持续发展提供有力支持。

　　【关键词】风力发电；储能技术；风电并网；应用探讨

　　随着国家经济水平的不断发展，人们对电能的需求量也越来越大，这给国家电网的发展带来了很大的挑战。在这种新形势下，风力发电技术以其独特的优越性被越来越多的电力公司所采用。但是，由于风电的间歇性和随机性，给风电的大规模应用带来了一些困难。若能改善风电出力的稳定性，将对风力发电项目带来更大的促进作用。风力发电技术的运用，既可以解决区域内部的用电问题，又可以从环境保护的角度来解决目前的能源短缺问题。储能技术对改善电网稳定性具有重要意义，可为电网安全稳定运行提供有力支持。所以，对规模化储能技术在风电系统中的应用进行研究，具有非常重要的现实意义。

　　一、风力发电中储能技术的概述

　　风电储能技术指的是将风力发电中产生的电能进行储存，一般情况下采用储能设备和电容器来实现，以提高风力发电电能的应用效果。近年来，随着我国科技的迅猛发展，风力发电技术得到了显著进步和广泛应用。风电储能技术在风电机组中得到了广泛应用。从风电储能技术的功能来看，主要有三个方面：①保持风电系统的稳定运行，满足人们对电力供应的需要。②保持电网稳定，提高电能供应品质。③对电力过剩现象进行处理。采用风电储能技术，可以根据当前的用电量，对风电系统进行调节。根据风电的能量存储方式，将风电能量存储分为化学、物理和电磁三大类。其中空气压缩以及飞轮储能技术属于物理储能方法[1]；使用超导磁储备电能属于电磁储能法；使用蓄电池来对剩余电能进行储存属于化学储能法。利用风电储能技术，可以大幅度降低发电的成本，提升供电能力。

　　二、风力发电的关键技术

　　定速风力发电技术采用“双速感应发电机”来捕获风能。在低风速区域，使用小功率的低速感应发电机，而在高风速区域，则采用大功率的高速感应发电机。通过“叶片失速”原理，可以控制风能并调整风能使用系数，以灵活地利用风能。然而，实际运行中，风能使用系数的最大值可能存在偏差，影响风能的实际利用率，导致风机需要在低效状态下运行。

　　变速风力发电技术通过一系列精密的部件协同工作，显著提高了风能的捕获效率。这些关键部件包括“双馈感应器”“全功率变流器”“增速齿轮箱”“并网控制器和变流器”等。其中，双馈感应器与全功率变流器的结合设计，在变流器容量占据额定功率的20%至30%时，展现出了良好的经济效益。全功率变流器与增速齿轮箱的配合使用，则提供了一种灵活的方法来调整发电参数，以适应不同类型的发电机，如永磁发电机和同步发电机。这种设计的优点在于，它可以通过直驱系统或齿轮箱与风力发电机直接相连，为不同的发电机选择提供了可能性。此外，变速风力发电技术还能够实现在电网故障后的低电压穿越，保持系统电压的稳定性，从而提高风电场的整体运行效率和可靠性[2]。并网控制器和变流器则负责根据风速的变化输出适量的交流电，确保其与电网的电压和频率保持同步，实现与电网的柔性连接。这种连接方式不仅提高了风力资源的利用效率，还能够减少对电网的冲击，为电网的稳定运行做出了重要贡献。通过这些先进技术的应用，变速风力发电技术不仅提高了风能的转换效率，还增强了风力发电系统的灵活性和适应性，为可持续发展和清洁能源的利用提供了强有力的技术支持。

　　三、风力发电中常见的规模化储能技术

　　（一）超导磁体储能技术

　　超导磁体储能技术是利用直流电通过超导材料绕组形成的磁场来实现对电能的有效存储。该技术的独特之处在于其无需将能量直接转化为电能，从而保留了能量的动态特性，使其能够在最短时间内实现最大化的电能输出。这种直接的能量转换过程，不仅提高了能源利用效率，还显著增强了系统的响应速度和动态调节能力，为电力系统的稳定运行和高效供电提供了重要保障。然而，目前该技术所采用的超导磁体蓄电设备不具备长期蓄电的能力，蓄电能力相对较低。所以，一般情况下，这种技术被用于风电系统中的功率补偿或调节，在提高电力系统的运行稳定性方面发挥着非常关键的作用。

　　（二）飞轮储能技术

　　在飞轮储能技术中，转子由电力驱动开始旋转，将电机输出的能量转换为转子的能量，同时利用加速器对转子进行能量存储。当需要用电的时候，它可以带动引擎产生电能。该技术的储能时间以小时为单位，储能能力中等，并且具有良好的动态调整能力，能够在最短时间内迅速响应，最大限度地释放储存的电能[3]。这种高效的能量输出特性，确保了储能系统能够在需求高峰期或电网波动时，提供稳定的能量供应，从而提升了整个电力系统的灵活性和可靠性，该装置可用于电网调频。飞轮储能技术能够对短时储能系统和长时储能系统起到很好的补充作用，所以当风电系统产生的电力出现短时波动时，也能够通过它来进行补充。

　　（三）超级电容器储能技术

　　该技术基于电化学双电层的基本原理，采用该技术制备的超级电容蓄电器件，能够在充放电过程中产生超大的脉冲能量，保证其在充放电过程中始终保持最优的电压水平。而在此过程中，所产生的电荷又会与周围电解液中的不同种类金属离子发生相互作用，从而吸附到电极上，并产生一种双重电荷结构。该技术中使用的超级电容设备，其结构十分简单，在储能的过程中没有毒性，充电时间短，电流大，而且反复充电和放电对设备的性能没有任何影响。所以，这项技术能够快速响应电网频率的变化，提供瞬时的功率支持，稳定电网频率，减少因频率波动引起的设备损坏。

　　（四）蓄电池储能技术

　　蓄电池能量存储技术是利用蓄电池的正、负极间发生的氧化－还原作用来实现对锂离子的充电和放电。该技术中所采用的能量存储设备，通常包括控制器、电池、直交流逆变器等。当前，国内已普遍采用蓄电池储能技术。从化学物质的角度来分析蓄电池储能技术，该技术中所使用的储能装置包括了钠硫电池、锂离子电池、铅酸电池储能装置等。

　　（五）其他储能技术

　　目前，除了上述几种储能技术之外，还存在着其他的储能技术，例如：氢燃料电池、抽水储能、压缩空气储能技术等。其中，抽水储能技术主要用于电网的调峰和集中发电，该技术对地域条件有很高的要求，目前，国内很多风力发电的地域条件并不适合建立抽水储能电厂，所以该技术在风电系统中的推广具有很大的困难。氢燃料电池储能技术以将化学能转换为电力来储存能量，其造价高昂，安全隐患较多，目前在国内多用于航空航天等领域[4]。压缩空气储能技术的基本原理是利用燃气轮机来对电力系统进行调峰，进而促进能量的高效转换。

　　四、规模化储能系统在风力发电中的应用

　　（一）平滑风电输出功率，提高系统稳定性

　　规模化储能系统以其独特的快速吸收和释放有功及无功功率的能力，成为平滑风电输出功率波动的关键技术。通过这种技术，我们能够确保风电发电量在每一时间单位内保持相对稳定，从而极大提升了风力发电系统的可控性。这种稳定性不仅保障了发电的连续性和稳定性，还显著提高了系统对发电波动性的应对能力。大规模储能技术的应用，有效解决了风力发电的波动性和随机性问题。在较大范围内，这种技术能够减少风力输出功率波动对电力系统造成的冲击，从而确保了电力供应的稳定性和可靠性[5]。这对于大型风力发电设施与传统电网的结合具有重要意义，使得清洁能源的集成与融合变得更加便捷和可靠。此外，规模化储能技术的应用还有助于推动电网的绿色转型。作为一种坚实的技术支持，它不仅有助于实现风力发电的高效利用，还为我国能源结构的优化升级提供了有力支撑。在未来，我们将继续优化储能技术，提高储能效率，降低成本，推动可再生能源与规模化储能技术的深度融合，为构建清洁能源社会做出更大贡献。

　　（二）利用风电储能系统，增强机组LVRT能力

　　相关研究发现，当前主流风电发电机的LVRT性能，可以通过对其进行改善或者添加一些硬件电路来得到提升。如仅仅依靠控制策略进行优化，虽然能够在一定程度上减轻电网故障时出现的瞬态过电流和过电压问题，但这种方法并不能从根本上消除故障引发的过电压和过电流问题。因此，我们需要采取更为有效的措施，通过添加一些硬件电路来消除其在故障时的过电压、过电流问题，从而大幅提升LVRT性能。据Joos G.[6]的研究表明，采用改善磁通Flux的方法对转子电流进行调节，比在双馈风电机组变换器的直流端并联储能系统，其LVRT的性能更好。Muyeen S M.[7]的研究表明，利用 STATCOM/BESS （电池储能系统）可以有效地提高风电发电机的 LVRT能力，确保风力发电机不会受到过电压、过电流的伤害，从而达到提高风电发电机LVRT功能的目的。STATCOM/BESS能够快速吸收多余的能量，从而防止发电机受到损害，并显著增强风力发电机的LVRT功能，确保了风电系统的可靠性和安全性。

　　（三）降低电网调峰负担，提高风电利用经济性

　　在我国多数区域，夜晚风速比白昼更大，但就我国电力系统的负载而言，白天出现高“峰”，晚上出现低“谷”，其持续时间为十多个小时，在“谷”期间，负载还不到“峰”期间的一半。当风力很大时，也就是电力消耗最小的时候，其电力消耗只有白天电力消耗的三分之一左右。若将规模化储能装置与风电场相匹配，对其进行“削峰填谷”，则可在“谷”时将过剩的风力存储起来，使风能得到最大限度地发挥，同时还可大大减少附属装置的容量，从而降低风电发电成本。在用电“峰”期间向电力系统出售储备电能时，其发电价格与“峰”期间市场价格相当。可以看出，规模化储能与风电并网后，可以减轻电网负荷，缓解能源供求矛盾，增加风电的经济效益，并提升了风电的应用价值。利用规模化储能系统对风电进行“削峰填谷”，这一点在国外已被证实。因此，将风电与规模化储能装置（如：抽水储能、压缩空气储能等）结合在一起，进行“削峰填谷”，可以有效减轻电力系统的负荷，增加风力发电的经济效益。

　　（四）发挥分布式供电优势，确保风电的连续性

　　分布式供电，即在电力系统中，将发电设施置于负荷的邻近区域，这一做法显著降低了输电过程中的能量损耗，同时提升了供电的可靠性与效率。在风电和光伏发电能力不足的情况下，分布式供电系统能够借助储能设施，确保向负荷稳定供应电力。与此同时，储能系统能够在风力或太阳能发电量充沛时储存多余电力，待到需求上升或能源产出下降时，再释放这些储存的能源，有效调节电力系统的供需平衡。为确保风电供应的稳定性，分布式供电与储能技术的融合至关重要。储能系统能够提供即时的电力补充，有效应对风电发电的波动性和不确定性，从而保障电力供应的连续性和可靠性。通过这种综合能源解决方案，我们能够最大限度地发挥可再生能源的优势，同时提高能源供应的整体效能。

　　结论

　　综上所述，在环境保护和能源节约理念不断深化的当下，我国正积极发展风电产业，这标志着未来能源发展的主要趋势。鉴于此，本文首先概述了风电和光伏发电领域中的储能技术，随后详细讨论了风力发电和光伏发电的核心技术，并对常见的规模化储能技术进行了深入分析。最后，本文提出了一些应用策略，以促进风电和光伏发电中规模化储能技术的广泛应用，从而推动这些可再生能源技术向更高效、更经济的方向发展。

　　参考文献：

　　[1] 王伟, 孙明冬, 朱晓东. 双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J]. 电力系统自动化,2007,31(23):84-89.

　　[2] 阮军鹏, 张建成, 汪娟华. 飞轮储能系统改善并网风电场稳定性的研究[J]. 电力科学与工程,2008,24(3):5-8.

　　[3] 张步涵, 曾杰, 毛承雄, 等. 电池储能系统在改善并网风电场电能质量和稳定性中的应用[J]. 电网技术,2006,30(15):54-58.

　　[4] 陈星莺, 刘孟觉, 单渊达. 超导储能单元在并网型风力发电系统的应用[J]. 中国电机工程学报,2001,21(12):63-66.

　　[5] 李霄, 胡长生, 刘昌金, 等. 基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制[J]. 电力系统自动化,2009,33(9):86-90.

　　[6]G. JOOS. Wind Turbine Generator Low Voltage Ride through Requirements and Solutions[C]. //2008 IEEEPower & Energy Society General Meeting: Pittsburgh, PA 20-24 July 2008 Pages 1040-1560, [v.3].IEEE, 2008:1470-1476.

　　[7]MUYEEN, S. M., TAKAHASHI, R., MURATA, T., et al. Stabilization of wind farms connected with multimachinepower system by using STATCOM/BESS[C]. //Electrical Machines and Systems, 2007 InternationalConference on; Seoul,Korea (South). 2007:232-237.