中国三峡新能源（集团）股份有限公司甘肃分公司 孙金合

1 引言

风力发电是通过自然界中的风能来推动风机桨片旋转，风机桨片将动能用于驱动发电机运行来输出电能。风能是自然界中存在的随机性能源，风速的改变会导致风力发电系统输出功率存在着一定程度的脉动，风电装机容量大，且输出功率产生的脉动会对电网正常运行带来较大影响，我国对风电场10min和1min有功功率变化最大限值进行了明确的规定。因此，增加风力发电储能装置可以有效解决该问题，通过对负荷频频率进行控制，可作为风力发电系统的能量缓冲和后备，可以有效抑制风力发电引起的电压波动和闪变[1]。

2 储能技术的介绍

2.1 物理储能技术

抽水储能可通过在河流下游安装水泵，将下游水吸取至上游水库，需要发电站放水，为将富余电能转变为水势能，在需要供电时再将水势能转变为电能。抽水储能技术在电能调度管理方面发挥着重要作用，对电能实现大容量存储，储能释放后可满足数10h以上的电能需求，在电网削峰填谷方面也起到较大作用，有利于保证电力系统供电稳定性，很多国家和区域都采用了该物理储能技术。但抽水储能对地理条件有着较高的要求，基础设施建设成本高且需要耗费较长的建设周期[2]。

压缩空气进行储能，将分布式电能转变为可存储的空气势能，需要电能供应时将压缩空气势能转变为电能，需要加工制造满足压缩空气所需要的压力容器，并安装于地面以下空间，通过将压缩空气势能转变为推动汽轮机运转的动能，可以有效降低对燃料的消耗，但要求压缩空气具有较高的功率，多应用于峰值调节和负荷平衡处理，该储能技术也同样对地理条件和环境条件有着较高的要求[3]。

飞轮储能技术可将富余电能转变为机械能，需要电能时通过释放机械能来进行转变，该储能技术要求材料具有较高的性能，还需要与电力电子技术等进行结合，富余电能可以驱动飞轮进行高速旋转，转为飞轮动能，采用磁悬轴可以减小旋转时产生的能量损耗，需要发电时可转变为有功功率输出，转换效率可达到90%，有着较长的使用寿命，维护和保养也较为简单，该储能技术已经得到学术界的广泛关注[4]。

2.2 电磁储能技术

应用超导体材料制成感应线圈，可实现对磁场能量储能与应用，释放磁能即可转变成满足人们日常使用的电能，磁能与电能转变时不会产生较大的能量损耗，能量利用率高，能量释放速率较快，有着较大的功率密度。MW级超导储能发电设备已经投入使用，可用于电网频率调节和功率平衡等方面，但储能装置成本较高，随着电磁储能技术的不断进步，储能性能会进一步提升，成本也会相应减少。

2.3 电化学储能技术

超级电容是一种功率密度高的电化学器件，可产生较大的脉冲功率，吸收电能时会在电极表面产生极化状态，电荷可用来吸引电解质溶液中的异性离子，会在电极表面产生双电荷层，这样就可以建立起双电层电容。电极间存在的微小层间距，可以让电极表面变大，有着较大的电容量。超级电容具有较高的能量密度，使用寿命也较长，电能转化时的损失较小，可靠性较高。超级电容技术已经取得长足的发展，多应用于电动汽车储能和再生制动储能等领域，电力行业也对超级电容应用于可再生能源供电进行研究[5]。

钠硫电池、钒液流电池是近年来研发的新型电池，具有较大的能量密度、功率密度，还具有较高的转换效率。铅酸电池技术成熟可靠，但不具备较长的使用寿命，同时电池在生产加工和报废处理过程中易对生态环境产生污染。

镍镉电池具有较长的使用期限和较高的效率，但电池容量会跟着使用频次的增加而降低，还伴随着重金属污染问题。镍氢电池循环使用寿命长，可以达到较高的电池容量，应用前景广阔，但由于该类电池生产成本高，还会在大功率输出时存在能量快速下降问题，制约着该类电池的产业化应用。

锂离子电池有着较高的能量密度、功率密度，不会对生存环境产生污染，多应用于为电子设备提供电能，但大规模集成存在着较大的难度。

钠硫电池能量密度和系统转换率均较高，有着较长的使用寿命，多应用于电力能量管理和调度，但该电池技术只有少数公司掌握。

钒液流电池极化反应小，使用寿命长，配置较为灵活，可应用于发电站调峰和功率平衡。

3 风电场中储能技术的应用

3.1 储能装置接入方式

为缓解和抑制分布式发电带来的功率脉动，解决输出功率受风能影响而带来的波动，可能通过安装储能装置来实现。如果自然界风能突然增大，可把富余风能转变为其他能量进行储存，在风力减小时把储存的能量释放出来，用于满足负载功率需要，可以使风力发电系统以恒定功率输出。接入方式根据拓扑结构的不同，可划分为集中式、分式布。集中接入方式是将风力发电场与电网接口部位安装储能装置，而分布接入方式是将每台风力发电机部位安装储能装置。

集中储能可结合发电场内每个风机出力状况来发出或吸收功率，可以更好地满足供电网对有功功率的需要，可以减少储能装置数量，配置难度小，有利于对风电场的调度控制，但随着变流和储能装置容量的变大，实施的难度也在增大。分布式接入方式，由于每台风力发电机组均需要安装储能装置，每个储能装置的容量都不大，可对单台风力发电机组进行功率平衡，确保可以实现平滑曲线下的有功功率输出，要结合风能情况来合理安装足够数量的电力储能装置，但受到该储能装置安装较为复杂，不同储能装置间的接入方式也会对功率抑制方面受到不同的影响。

超级电容储能技术可以释放出较大的功率密度，钒液流电池储能技术可以具备很好的能量密度，而分布式发电接入方式不会对储能容量有着更高的要求，但是采用集中式接入方式却要求储能供电装置有着更高的容量，钒液流电池也会受到使用规模的影响，单位功率使用成本会相应的降低，因此在分布式接入方式情况下，可采用超级电容进行储能，集中式可采用更高能量密度的钒液流电池进行能量存储。

3.2 分布式储能方式

双馈风力发电和直驱风力发电会在两侧变流器间设置有直流母线通道，可将超级电容储能装置与直流母线端连接，自然界风能流动速度降低至风电机组输出功率不能满足供电需求时，储能供电装置会通过直流侧释放电能，再流经并网变流装置转换成交流提供给电网电能，这样就可以达到恒功率输出的要求，确保电网输入功率的平滑稳定。如果风速较大，风力发电机吸收的功率超过电网供需要求，可将多余电能通过直流侧输出给超级电容储能装置，可以将多余的风能转化为电能存储起来，在保证恒功率输出的同时，还可以更好地节约能源，这就是储能装置与直流侧进行并联的基本原理，下文将对双馈风力和直驱风力发电中的应用进行分析与论述。

3.2.1 双馈风力发电

超级电容储能装置与双馈风力发电机中，变流器间的直流母线进行连接，为确保电能可以在储能装置与直流侧间的双向流动，还需要设置有双向直流变换器。当前，双向直流变换器具有多种类型的拓扑结构，可划分为隔离型、非隔离型，非隔离型拓扑结构不需要应用太多数量的元器件，通过简易的控制结构即可实现变换作用，多应用于超级电容储能领域。

以Buck/boost双向直流变换器作为升压和降压反并联，在boost模式下，g1、g2开关为相反状态，g1发挥着二极管的作用。具体拓扑结构见图1所示。g2开关为导通状态时，电源E会流向电感L使其充电，i0=0，电容Cdc会给电阻R提供电能，U0电势会变小；如果g2关断，则i0=i1，电感L会向电容Cdc进行充电，U0电压会变大。如果为buck工作模式，电路中g2相当于二极管，如果g1导通，则i0=i1，电感L为反向充电状态；如果g1为关断，则二极管D为续流，i0=0。

图1 电路拓扑图

双向变换器位于buck或boost两种工作模式下，可以实现能量的双向流动，通过对风电机组输出功率设置值和实际测量值进行比较，进行做差后输出给比例微分调节器来确定出设定电流值，再通过与三角波进行对比后可以获取到开关脉冲信号，然后去触发g1、g2，这样就可以进行双向变流器的功率控制。

单台风力发电储能装置的规模，可以采取分钟级功率平滑控制策略。超级电容器组额定电压为1kV、功率为500kW，输出时间为600s，可以容纳0.083mWh电能。初始电压为800V，电容荷电为64%。双向变流采用1kHz三角波频率，电感参数保证电流为连续运行状态，按照两种不同的工作状态来对电感值进行计算，电感值取L=0.15mH。风速以10m/s开始不断波动上升，在1.4s左右达到最大值后快速下降，在2.5s时达到最小值，在降低到9.5m/s后又缓慢上升。不采用储能装置时风力发电最大功率与风速波动相符，将储能装置安装于风力发电直流侧以后，设定输出功率为0.81MW，输出功率可以很好地跟踪给定值，不会产生较大的波动，可以达到恒功率输出的要求。风速上升且发电功率超过设定值要求，储能装置会吸收多余的电能，如果风速下降不能满足输出功率则要求释放电能，可以达到恒功率输出的控制要求，储能装置有充放电时并不会对电网系统带来影响，直流电压存在着较小的波动。

3.2.2 直驱风力发电储能装置

两侧变流器间以直流母线进行电气连接，超级电容器组安装于直流母线可用于电能存储，并接方式与双馈风力发电相差不大。对储能装置的功率平滑性进行验证，风力发电机组额定功率为2MW，直流侧电压值为1.1kV，直流侧电容值为9mF。储能装置额定电压0.9kV，初始值为750V，荷电状态59%，额定功率为600kW，放电时间为600s。在不安装储能装置时，风力发电机组输出功率会跟着风速改变而波动，风机系统存在着较大的惯性，输出功率与风速变化间存在着一定的滞后，风速下降导致输出功率变小，峰谷差值约为0.25MW。安装储能装置可将输出功率稳定于1MW左右，可更好地跟踪设定输出功率，储能在风能富余时吸收电能，风能减小释放电能，可以进行削峰平谷，母线电压稳定在1.1kV左右，超级电容储能装置的存在避免出现较大的电压波动，不会对电力系统产生太大的影响。

3.3 集中式储能方式

风电场出口母线部位安装储能供电装置，功率变换模块由双向变换器、滤波器和整流器等构成，储能单位为电池组。自然界风能变少时，风电机组输出有功会降低，储能供电装置释放出存储的电能，功率变换器转变为boost状态，变流器工作于逆变模式，供电网络可接受交流电能；风能增大则需要将变流器工作于整流模式，变换器为buck状态，储能供电装置会将富余风能存储到电池内。LCL滤波变换器为了简化计算，直流侧等效负载，交流输入侧与电压源连接，LCL滤波器在某些频率谐振，会对储能系统稳定性带来一定程度的影响，可通过在电容支路中设置电阻增加阻尼，这样就会对谐振产生抑制。

综上所述，风力发电系统中的风速波动和随机性会对输出功率产生一定的影响，储能技术与风力发电技术进行结合，可以解决风速波动导致的功率输出波动问题。采用超级电容应用于分布式储能、钒液流电池应用于集中式储能，可以实现不同储能技术与风力发电类型的最合理匹配。从功率平滑处理效果来看，集中式储能更适合应用于风力发电系统，还需要采用合适的风力发电场并网要求储能容量，可以确保具有较高的操作性和实用性。