储能技术在风力发电系统中的应用

本文由liuxycn贡献doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。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，蓄电池储能系统在小型分布式发电中应用最为广泛。根据所使用化学物质的不同，蓄电池可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫（NaS）电池、液流电池等[8]，[9]。（1）铅酸电池铅酸电池应用在储能方面的历史较早，技术较为成熟，并逐渐以密封型免维护产品为主，目前储能容量已达20MW。铅酸电池的能量密度适中，价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电力系统。基于密封阀控型的铅酸电池具有较高的运行可靠性，在环境影响上的劣势已不甚明显，但运行数年之后的报废电池的无害化处理和不能深度放电的问题，使其应用受到一定限制。（2）镍氢电池与铅酸电池相比，作为碱性电池的镍氢电池具有容量大、结构坚固、充放循环次数多的特点，但价格较高。镍氢电池是密封免维护电池，不含铅、铬、汞等有毒物质，正常使用过程中不会产生任何有害物质。北京2008年奥运会使用的混合电动车大都采用镍氢蓄电池作为电源。镍氢电池的自放电速度明显大于镍镉电池，需要定期对它进行全充电。须注意的是，镍氢电池只有在小电流放电时才具有80~90kWh/kg的高比能量输出，在大电流放电高功率输出时，其能量密度会降至40kWh/kg或更低。（3）锂离子电池锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素的影响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命仅是单体电池的几分之一，甚至十几分之一。大容量集成的技术难度和生产维护成本使这种电池在短期内很难在电力系统中规模化应用。磷酸亚铁锂电池是最有前途的锂电池。磷酸亚铁锂材料的单位价格不高，其成本在几种电池材料中是最低的，而且对环境无污染。磷酸亚铁锂比其他材料的体积要大，成本低，适合大型储能系统。（4）钠硫电池钠硫和液流电池被视为新兴、高效、具广阔发展前景的大容量电力储能电池。目前钠硫和液流电池均已实现商业化运作，MW级钠硫和100kW级液流电池储能系统己步入试验示范阶段[10]，[11]。钠硫储能电池是在温度300℃左右充放电的高温型储能电池，负极活性物质为金属钠，正极活性物质为液态硫。迄今为止，只有日本京瓷公司成功开发出钠硫储能电池系统。钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用100余套，总容量超过100MW，其中近2/3用于平滑负荷。日本NEDO支持的八仗岛风力发电机组采用钠硫电池储能来平滑和稳定输出功率。目前，钠硫电池已被日本列为政府资助的风力发电储能电源，并有具体的推进计划。上海电力公司正进行不同容量等级（10~1000kW）的钠硫电池系统的研制，用于UPS/EPS，力图掌握核心部件制备技术，建立标准和规范，并实现模块化、规模化生产。（5）全钒液流电池液流电池分多种体系，其中全钒电池是技术发展主流。全钒液流储能电池（VanadiumRedoxFlowBattery，VRB）是将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充、放电实验时，电解液通过泵的作用，由外部贮液罐循环分别流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电[12]，[13]。液流电池的储能容量取决于电解液容量和密度，配置上相当灵活，只需增大电解液容积和浓度即可增大储能容量，并且可以进行深度充放电。日本住友电气、加拿大VRB等公司进行全钒液流电池储能系统的商业化开发。在日本共有15套全钒液流储能电池系统进行示范运行，其中北海道的一套功率为6MW的全钒液流储能电池用于对30MW风电场的调频和调峰。“十五”期间，中国科学院大连化学物理研究所开发出10kW全钒液流储能电池系统。2008年，中国电力科学研究院研发用于风电场的100kW级储能系统，并考核其运行的可靠性和耐久性。表1列出了几种主要蓄电池的基本特性。1.4超级电容器储能技术超级电容器（Supercapacitor）是根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。超级电容器储能系统(SCES)历经3代及数10年的发展，已形成电容量0.5~1000F、工作电压12~400V、最大放电电流400~2000A的系列产品，储能系统的最大储能量达到了30MJ。在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平[14]，[15]。日本松下、EPCOS、NEC，美国Maxwell、Powerstor、Evans，法国SAFT，澳大利亚Cap-xx和韩国NESS等公司的产品，几乎占据了整个超级电容器市场。2005年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。2005年，由中国科学院电工所承担的“863”项目，完成了用于光伏发电系统的300Wh/1kW超级电容器储能系统的研究开发工作。文献[16]提出了一种将串、并联型超级电容器储能系统应用于基于异步发电机的风力发电系统的新思路，该储能系统可同时双向、大范围、快速调节有功功率和无功功率，很好地改善了风电的电能质量和稳定性。1.5其它储能形式除了上述的几种储能方式外,在电力系统中还应用较多的储能方式，有抽水蓄能、压缩空气储能和氢燃料电池储能等。抽水蓄能装置（PumpedHydroStorage）在现代电网中大多用来调峰，在集中式发电中应用较多。受地理条件限制，绝大多数风电场不具备建抽水蓄能电站的条件。压缩空气储能（CAES）是一种调峰用燃气轮机，对于同样的电力输出，它所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%。100MW级燃气轮机技术成熟，利用渠式超导热管技术可使系统的能量转换效率达到90%。大容量和复合化发电将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要，8~12MW微型压缩空气储能系统（micro-CAES）已成为研究热点[17]。美国爱荷华州的CAES蓄能项目采用风能和低谷电组合来驱动压缩机组，将空气压缩至地下含水层，发电装机容量为200MW，风能发电装机容量为100MW。氢燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。为了实现氢气作为能源载体的应用，必须解决氢的廉价制取、安全高效储运以及大规模应用这3个问题。未来氢能的广泛应用很可能改变风电场的职能，风电场可能成为大型的氢制造厂，为氢燃料电池电站及氢燃料电池汽车提供氢。目前，燃料电池价格还很昂贵，距离大规模应用还有很长的路要走。2各种储能技术在风力发电中的应用前景分析在各种储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能比较适用于电网调峰；电池储能和相变储能比较适用于中小规模储能和用户需求侧管理；超导电磁储能和飞轮储能比较适用于电网调频和电能质量保障；超级电容器储能比较适用于电动汽车储能和混合储能。图1、图2是根据美国电力储能协会提供的资料给出的各种储能技术的功率、能量和成本比较。成本过高是限制储能技术在风力发电中大量推广应用的共同问题，提高能量转换效率和降低成本是今后储能技术研究的重要方向。随着风力发电的不断发展和普及，各种储能技术的发展进步，储能技术将在风力发电系统中得到更加广泛的应用。在风力发电中，储能方式的选择需考虑额定功率、