引言

根據新能源振興規劃，預計到 2020 年我國風力裝機容量將達到 1.5 億 kW，將超過電力總裝機容量的 10%。

從電網運行的現實及大規模開發風電的長遠利益考慮，提高風電場輸出功率的可控性，是目前風力發電技 術的重要發展方向。把風力發電技術引入儲能系統，能有效地抑制風電功率波動，平滑輸出電壓，提高電能質量，是保證風力發電并網運行、促進風能利用的關鍵技術和主流方式。

隨著電力電子學、材料學等學科的發展，高效率飛輪儲能、新型電池儲能、超導儲能和超級電容器儲能等中小規模儲能技術取得了長足的進步， 拓寬了儲能技術的應用領域， 特別是在風力發電中起到了重要作用。 儲能系統一般由兩大部分組成： 由儲能元件(部件)組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的功率轉換系統(PCS)。儲能裝置主要實現能量的儲存和釋放;PCS 主要實現充放電控制、功率調節和控制等功能。

1 儲能技術的分類和特性

儲能技術有物理儲能、電磁儲能、電化學儲能和相變儲能等 4 類。物理儲能主要有飛輪儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能方式; 電磁儲能主要有超導儲能方式;電化學儲能主要有蓄電池儲能、超級電容器儲能和燃 料電池儲能; 相變儲能主要有冰蓄冷儲能等[1]，[2]。

1.1 飛輪儲能系統

飛輪儲能(FESS)是一種機械儲能方式，其基本原理是將電能轉換成飛輪運動的動能， 并長期蓄存起來， 需要時再將飛輪運動的動能轉換成電能，供電力用戶使用。

高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術、電磁和超導磁懸浮軸承技術促進了儲能飛輪 的發展。飛輪儲能的功率密度大于 5 kW/kg， 能量密度超過 20 kWh/kg， 效率大于 90%，循環使用壽命長 達 20 a，工作溫區為-40~50 ℃，無噪聲，無污染，維護簡單，可連續工作。若通過積木式組合后，飛輪 儲能可以達到 MW 級，輸出持續時間為數分鐘乃至數小時。飛輪儲能主要用于不間斷電源(UPS)/應急電源 (EPS)、電網調峰和頻率控制，國外不少科研機構已將儲能飛輪引入風力發電系統[3]。

文獻[4]利用飛輪儲能電池取代傳統的柴油發電機和蓄電池來充當孤島型風力發電系統中的電能調節器和儲存器， 建立了系統的電流前饋控制數學模型，實驗結果表明，這一方法能有效地改善電能質量， 解決 風力發電機的輸出功率與負載吸收的功率相匹配的問題。

美國的 Vista 公司將飛輪引入到風力發電系統， 實現全程調峰， 飛輪機組的發電功率為 300kW，大容量 儲能飛輪的儲能為 277 kWh，風力發電系統的電能輸出性能及經濟性能良好。

中國科學院電工研究所已經研制出飛輪儲能用高速電機; 華北電力大學研制出儲能 2 MJ、最高發電功率 10 kW 的準磁懸浮飛輪儲能裝置。

飛輪儲能技術正在向大型機發展， 其難點主要集中在轉子強度設計、低功耗磁軸承、安全防護等方面。

1.2 超導儲能系統

超導儲能系統(SMES)利用由超導線制成的線圈，將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網。

超導儲能技術的優點： ①可以長期無損耗儲存能量， 能量返回效率很高; ②能量的釋放速度快，功率輸 送時無需能源形式的轉換，響應速度快(ms 級)， 轉換效率高(>96%)， 比容量(1～10kWh/kg) 和比功率(104~105 kW/kg) 大; ③采用 SMES 可調節電網電壓、頻率、有功和無功功率，可實現與電力系統 的實時大容量能量交換和功率補償。 20 世紀 90 年代， 在 超導儲能技術已被應用于風力發電系統[5]， [6]， [7]。

中國科學院電工研究所已研制出 1 MJ/0.5MW 的高溫超導儲能裝置。清華大學、華中科技大學、華北電力 大學等都在開展超導儲能裝置的研究。

文獻[5]采用電壓偏差作為 SMES 有功控制信號，在改善風電場穩定性方面具有優良的性能。

SMES 的發展重點：基于高溫超導涂層導體，研發適于液氮溫區運行的 MJ 級系統;解決高場磁體繞組力 學支撐問題;與柔性輸電技術相結合，進一步降低投資和運行成本; 結合實際系統探討分布式 SMES 及其有效控制和保護策略。

1.3 蓄電池儲能技術

蓄電池儲能系統(Battery Energy Storage System，BESS)主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電，一般由電池、直—交逆變器、控制裝置和輔助設備(安全、環境保護設備)等組成。目前， 蓄電池 儲能系統在小型分布式發電中應用最為廣泛。根據所使用化學物質的不同，蓄電池可以分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫(NaS)電池、液流電池等[8]，[9]。

(1)鉛酸電池

鉛酸電池應用在儲能方面的歷史較早， 技術較為成熟，并逐漸以密封型免維護產品為主，目前儲能容量已達 20 MW。鉛酸電池的能量密度適中，價格便宜，構造成本低，可靠性好，技術成熟，已廣泛應用于電力 系統。基于密封閥控型的鉛酸電池具有較高的運行可靠性，在環境影響上的劣勢已不甚明顯， 但運行數 年之后的報廢電池的無害化處理和不能深度放電的問題， 使其應用受到一定限制。

(2)鎳氫電池

與鉛酸電池相比， 作為堿性電池的鎳氫電池具有容量大、 結構堅固、 充放循環次數多的特點， 但價格較高。 鎳氫電池是密封免維護電池， 不含鉛、鉻、汞等有毒物質，正常使用過程中不會產生任何有害物質。北京 2008 年奧運會使用的混合電動車大都采用鎳氫蓄電池作為電源。鎳氫電池的自放電速度明顯大于鎳鎘電 池， 需要定期對它進行全充電。須注意的是，鎳氫電池只有在小電流放電時才具有 80~90 kWh/kg 的高比 能量輸出，在大電流放電高功率輸出時， 其能量密度會降至 40kWh/kg 或更低。

(3)鋰離子電池

鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小、環境友好， 但由于工藝和環境溫度差異等因素的影響，系統指 標往往達不到單體水平，使用壽命僅是單體電池的幾分之一，甚至十幾分之一。大容量集成的技術難度和生產維護成本使這種電池在短期內很難在電力系統中規模化應用。

磷酸亞鐵鋰電池是最有前途的鋰電池。 磷酸亞鐵鋰材料的單位價格不高， 其成本在幾種電池材料中是最低的，而且對環境無污染。磷酸亞鐵鋰比其他材料的體積要大，成本低，適合大型儲能系統。

(4)鈉硫電池

鈉硫和液流電池被視為新興、高效、具廣闊發展前景的大容量電力儲能電池。目前鈉硫和液流電池均已實 現商業化運作，MW 級鈉硫和 100kW 級液流電池儲能系統己步入試驗示范階段[10]，[11]。

鈉硫儲能電池是在溫度 300 ℃左右充放電的高溫型儲能電池，負極活性物質為金屬鈉，正極活性物質為液態硫。

迄今為止， 只有日本京瓷公司成功開發出鈉硫儲能電池系統。鈉硫電池系統在電力系統和負荷側成功應用 100 余套，總容量超過 100 MW，其中近 2/3 用于平滑負荷。

日本 NEDO 支持的八仗島風力發電機組采用鈉硫電池儲能來平滑和穩定輸出功率。目前，鈉硫電池已被日 本列為政府資助的風力發電儲能電源，并有具體的推進計劃。

上海電力公司正進行不同容量等級(10~1 000 kW) 的鈉硫電池系統的研制， 用于 UPS/EPS，力圖掌握核 心部件制備技術，建立標準和規范，并實現模塊化、規模化生產。

(5)全釩液流電池

液流電池分多種體系， 其中全釩電池是技術發展主流。全釩液流儲能電池(Vanadium RedoxFlow Battery， VRB)是將具有不同價態的釩離子溶液分別作為正極和負極的活性物質，分別儲存在各自的電解液儲罐中。 在對電池進行充、放電實驗時，電解液通過泵的作用，由外部貯液罐循環分別流經電池的正極室和負極室， 并在電極表面發生氧化和還原反應，實現對電池的充放電[12]，[13]。

液流電池的儲能容量取決于電解液容量和密度，配置上相當靈活，只需增大電解液容積和濃度即可增大儲能容量，并且可以進行深度充放電。

日本住友電氣、加拿大 VRB 等公司進行全釩液流電池儲能系統的商業化開發。在日本共有 15 套全釩液流 儲能電池系統進行示范運行， 其中北海道的一套功率為 6 MW 的全釩液流儲能電池用于對 30 MW 風電場的 調頻和調峰。

“十五”期間，中國科學院大連化學物理研究所開發出 10 kW 全釩液流儲能電池系統。2008 年， 中國電 力科學研究院研發用于風電場的 100kW 級儲能系統， 并考核其運行的可靠性和耐久性。

表 1 列出了幾種主要蓄電池的基本特性。

1.4 超級電容器儲能技術

超級電容器(Supercapacitor)是根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面， 電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子， 使其附于電極表面， 形成雙電荷層， 構成雙電層電容。

超級電容器儲能系統(SCES) 歷經 3 代及數 10 年的發展，已形成電容量 0.5~1 000 F、工作電壓 12~400 V、 最大放電電流 400~2 000 A 的系列產品，儲能系統的最大儲能量達到了 30 MJ。在電力系統中多用于短時間、 大功率的負載平滑和電能質量高峰值功率場合， 在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平[14]， [15]。

日本松下、EPCOS、NEC，美國 Maxwell、Powerstor、Evans，法國 SAFT，澳大利亞 Cap-xx 和韓國 NESS 等 公司的產品， 幾乎占據了整個超級電容器市場。

2005 年，美國加利福尼亞州建造了 1 臺 450kW 的超級電容器儲能裝置，用以減輕 950 kW 風力發電機組 向電網輸送功率的波動。

2005 年， 由中國科學院電工所承擔的“863”項目， 完成了用于光伏發電系統的 300 Wh/1 kW 超級電容器儲能系統的研究開發工作。

文獻[16]提出了一種將串、并聯型超級電容器儲能系統應用于基于異步發電機的風力發電系統的新思路，該儲能系統可同時雙向、 大范圍、 快速調節有功功率和無功功率， 很好地改善了風電的電能質量和穩定性。

1.5 其它儲能形式

除了上述的幾種儲能方式外, 在電力系統中還應用較多的儲能方式，有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和氫燃料 電池儲能等。

抽水蓄能裝置(Pumped Hydro Storage)在現代電網中大多用來調峰， 在集中式發電中應用較多。受地理 條件限制，絕大多數風電場不具備建抽水蓄能電站的條件。

壓縮空氣儲能(CAES)是一種調峰用燃氣輪機，對于同樣的電力輸出，它所消耗的燃氣要比常規燃氣輪機 少 40%。100 MW 級燃氣輪機技術成熟， 利用渠式超導熱管技術可使系統的能量轉換效率達到 90%。大容量 和復合化發電將進一步降低成本。 隨著分布式能量系統的發展以及減小儲氣庫容積和提高儲氣壓力至 10~14 MPa 的需要，8~12 MW 微型壓縮空氣儲能系統(micro-CAES)已成為研究熱點[17]。

美國愛荷華州的 CAES 蓄能項目采用風能和低谷電組合來驅動壓縮機組， 將空氣壓縮至地下含水層，發電 裝機容量為 200 MW，風能發電裝機容量為 100 MW。

氫燃料電池是將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置。為了實現氫氣作為能源載體的應用，必須解決氫的廉價制取、安全高效儲運以及大規模應用這 3 個問題。未來氫能的廣泛應用很可能改變風電場的職能， 風 電場可能成為大型的氫制造廠，為氫燃料電池電站及氫燃料電池汽車提供氫。目前，燃料電池價格還很昂貴，距離大規模應用還有很長的路要走。

2 各種儲能技術在風力發電中的應用前景分析

在各種儲能技術中， 抽水蓄能和壓縮空氣儲能比較適用于電網調峰;電池儲能和相變儲能比較適用于中 小規模儲能和用戶需求側管理; 超導電磁儲能和飛輪儲能比較適用于電網調頻和電能質量保障; 超級電 容器儲能比較適用于電動汽車儲能和混合儲能。圖 1、圖 2 是根據美國電力儲能協會提供的資料給出的各 種儲能技術的功率、能量和成本比較。

成本過高是限制儲能技術在風力發電中大量推廣應用的共同問題，提高能量轉換效率和降低成本是今后儲 能技術研究的重要方向。隨著風力發電的不斷發展和普及， 各種儲能技術的發展進步， 儲能技術將在風 力發電系統中得到更加廣泛的應用。

在風力發電中， 儲能方式的選擇需考慮額定功率、橋接時間、技術成熟度、系統成本、環境條件等多種因 素。風電場的儲能首先要實現電能質量管理功能，超級電容器、高速飛輪、超導、鈉硫和液流電池儲能系統能使風電場的輸出功率平滑，在外部電網故障時能夠提供電壓支撐， 維護電網穩定;其次，鉛酸電池、 新型鈉硫和液流電池儲能系統具有調峰功能，比較適合風電的大規模儲存。

采用超級電容器和蓄電池、超導和蓄電池、超級電容器和飛輪組合等混合式儲能系統， 能夠兼顧電能質量 管理和能量管理， 提高儲能系統的經濟性，是比較可行的儲能方案。國內外已經開始這方面的研究[18]， [19]。

3 功率轉換系統

功率轉換系統(PCS)，是實現儲能單元與負載之間的雙向能量傳遞， 將儲能系統接入電力系統的重要設 備。根據儲能裝置所處位置的不同，PCS 主要有以下的結構形式和拓撲結構(圖 3)[20]。

3.1 單臺風機直流側并聯 PCS

單臺風機直流側并聯 PCS 的優點是可以利用風電機組現有的功率單元(圖 3a)。

對于直驅型的永磁同步發電機， 交流電通過全功率變流后接入電網， 儲能單元通過 PCS 并聯于直流母線側， 可以與發電機共用 DC/AC 逆變單元， 實現與電網的聯接。對于雙饋風力發電機，PCS 也可以并聯在轉子 直流母線側， 這時需要加大網側變流器(DC/AC)的功率，以便于儲能單元的功率回饋到電網。

3.2 風電場交流側并聯 PCS

PCS 的安裝位置一般在風電場出口處的低壓側(圖 3b)。

每臺風機所處位置的風速不同，而風電場自身具有一定的功率平滑功能， 采用風電場交流側并聯 PCS 結 構，PCS 的總功率有所降低， 需要雙向 AC/DC 變流器;儲能單元集中放置，便于維護和擴容。

3.3 風電場 HVDC 輸電直流側并聯 PCS

風電場通過電壓源高壓直流(VSC-HVDC)輸電并網。由于 VSC-HVDC 系統具有立即導通和立即關斷的控制閥， 通過對控制閥的開和關，實現對交流側電壓幅值和相角的控制， 從而達到獨立控制有功功率和無功功率的目的， 且換流站不需要無功補償、不存在換相失敗等問題。這些特點使得 VSC-HVDC 技術在連接風電場并 網方面具有一定的優越性，特別適用于需要長距離傳輸的海上風電場的并網[21]。 PCS 并聯在 VSC-HVDC 系 統的直流母線上(圖 3c)，通過控制儲能單元的充放電功率，使其補償風能的波動，從而使風電通過直流輸電注入到電網的功率穩定。

3.4 混合儲能系統 PCS 拓撲結構

采用超級電容器和蓄電池混合儲能系統的 PCS 主要有 2 種結構：一種是兩者都通過 DC/DC 并聯于直流母 線側; 另一種是通過蓄電池單元的適當串并聯，蓄電池直接并聯在直流母線上，節省了一組 DC/DC 變流 器(圖 4)。

文獻[19]把超級電容器和全釩液流電池用于 PMSG 直流側儲能， 超級電容器用來處理瞬時大功率問題， 從 而降低全釩液流電池容量 55%， 減少全釩液流電池深度放電次數 8%， 延長了電池壽命，減低電池損耗 15%， 提高了系統效率。在超級電容和蓄電池的容量匹配和控制策略上， 還需要進一步的研究。

4 結束語

研發高效儲能裝置及其配套設備， 使之與風電/光伏發電機組容量相匹配，支持充

放電狀態的迅速切換，確保并網系統的安全穩定，已成為可再生能源充分利用的關鍵。隨著風力發電系統的不斷發展，各種儲能 技術的發展進步，第二代高溫超導儲能、高速飛輪儲能、全釩液流和鈉硫儲能、超級電容儲能等技術將得到更加廣泛的應用。

目前， 電力儲能系統推廣應用的最大障礙在于國外少數企業的技術壟斷，由此造成其價格高企。要推動 電力儲能系統在電網中的規模化應用，一靠掌握自主知識產權，使其價格大幅下降;二靠政府的政策鼓勵 和資金推動。如果能實現電力儲能系統國產化，使其成本達到或接近應用水平，那么風電場對電力儲能系統的需求將迅速加大。 混合式儲能技術將在風力發電系統中得到廣泛應用，同時，先進的電力電子技術和控制技術也將得到發展 與應用。

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