風力發電項目中規模化儲能技術的應用探討

【關鍵詞】風力發電；儲能技術；風電并網；應用探討

隨著國家經濟水平的不斷發展，人們對電能的需求量也越來越大，這給國家電網的發展帶來了很大的挑戰。在這種新形勢下，風力發電技術以其獨特的優越性被越來越多的電力公司所采用。但是，由于風電的間歇性和隨機性，給風電的大規模應用帶來了一些困難。若能改善風電出力的穩定性，將對風力發電項目帶來更大的促進作用。風力發電技術的運用，既可以解決區域內部的用電問題，又可以從環境保護的角度來解決目前的能源短缺問題。儲能技術對改善電網穩定性具有重要意義，可為電網安全穩定運行提供有力支持。所以，對規模化儲能技術在風電系統中的應用進行研究，具有非常重要的現實意義。

一、風力發電中儲能技術的概述

風電儲能技術指的是將風力發電中產生的電能進行儲存，一般情況下采用儲能設備和電容器來實現，以提高風力發電電能的應用效果。近年來，隨著我國科技的迅猛發展，風力發電技術得到了顯著進步和廣泛應用。風電儲能技術在風電機組中得到了廣泛應用。從風電儲能技術的功能來看，主要有三個方面：①保持風電系統的穩定運行，滿足人們對電力供應的需要。②保持電網穩定，提高電能供應品質。③對電力過剩現象進行處理。采用風電儲能技術，可以根據當前的用電量，對風電系統進行調節。根據風電的能量存儲方式，將風電能量存儲分為化學、物理和電磁三大類。其中空氣壓縮以及飛輪儲能技術屬于物理儲能方法[1]；使用超導磁儲備電能屬于電磁儲能法；使用蓄電池來對剩余電能進行儲存屬于化學儲能法。利用風電儲能技術，可以大幅度降低發電的成本，提升供電能力。

二、風力發電的關鍵技術

定速風力發電技術采用“雙速感應發電機”來捕獲風能。在低風速區域，使用小功率的低速感應發電機，而在高風速區域，則采用大功率的高速感應發電機。通過“葉片失速”原理，可以控制風能并調整風能使用系數，以靈活地利用風能。然而，實際運行中，風能使用系數的最大值可能存在偏差，影響風能的實際利用率，導致風機需要在低效狀態下運行。

變速風力發電技術通過一系列精密的部件協同工作，顯著提高了風能的捕獲效率。這些關鍵部件包括“雙饋感應器”“全功率變流器”“增速齒輪箱”“并網控制器和變流器”等。其中，雙饋感應器與全功率變流器的結合設計，在變流器容量占據額定功率的20%至30%時，展現出了良好的經濟效益。全功率變流器與增速齒輪箱的配合使用，則提供了一種靈活的方法來調整發電參數，以適應不同類型的發電機，如永磁發電機和同步發電機。這種設計的優點在于，它可以通過直驅系統或齒輪箱與風力發電機直接相連，為不同的發電機選擇提供了可能性。此外，變速風力發電技術還能夠實現在電網故障后的低電壓穿越，保持系統電壓的穩定性，從而提高風電場的整體運行效率和可靠性[2]。并網控制器和變流器則負責根據風速的變化輸出適量的交流電，確保其與電網的電壓和頻率保持同步，實現與電網的柔性連接。這種連接方式不僅提高了風力資源的利用效率，還能夠減少對電網的沖擊，為電網的穩定運行做出了重要貢獻。通過這些先進技術的應用，變速風力發電技術不僅提高了風能的轉換效率，還增強了風力發電系統的靈活性和適應性，為可持續發展和清潔能源的利用提供了強有力的技術支持。

三、風力發電中常見的規模化儲能技術

（一）超導磁體儲能技術

超導磁體儲能技術是利用直流電通過超導材料繞組形成的磁場來實現對電能的有效存儲。該技術的獨特之處在于其無需將能量直接轉化為電能，從而保留了能量的動態特性，使其能夠在最短時間內實現最大化的電能輸出。這種直接的能量轉換過程，不僅提高了能源利用效率，還顯著增強了系統的響應速度和動態調節能力，為電力系統的穩定運行和高效供電提供了重要保障。然而，目前該技術所采用的超導磁體蓄電設備不具備長期蓄電的能力，蓄電能力相對較低。所以，一般情況下，這種技術被用于風電系統中的功率補償或調節，在提高電力系統的運行穩定性方面發揮著非常關鍵的作用。

（二）飛輪儲能技術

在飛輪儲能技術中，轉子由電力驅動開始旋轉，將電機輸出的能量轉換為轉子的能量，同時利用加速器對轉子進行能量存儲。當需要用電的時候，它可以帶動引擎產生電能。該技術的儲能時間以小時為單位，儲能能力中等，并且具有良好的動態調整能力，能夠在最短時間內迅速響應，最大限度地釋放儲存的電能[3]。這種高效的能量輸出特性，確保了儲能系統能夠在需求高峰期或電網波動時，提供穩定的能量供應，從而提升了整個電力系統的靈活性和可靠性，該裝置可用于電網調頻。飛輪儲能技術能夠對短時儲能系統和長時儲能系統起到很好的補充作用，所以當風電系統產生的電力出現短時波動時，也能夠通過它來進行補充。

（三）超級電容器儲能技術

該技術基于電化學雙電層的基本原理，采用該技術制備的超級電容蓄電器件，能夠在充放電過程中產生超大的脈沖能量，保證其在充放電過程中始終保持最優的電壓水平。而在此過程中，所產生的電荷又會與周圍電解液中的不同種類金屬離子發生相互作用，從而吸附到電極上，并產生一種雙重電荷結構。該技術中使用的超級電容設備，其結構十分簡單，在儲能的過程中沒有毒性，充電時間短，電流大，而且反復充電和放電對設備的性能沒有任何影響。所以，這項技術能夠快速響應電網頻率的變化，提供瞬時的功率支持，穩定電網頻率，減少因頻率波動引起的設備損壞。

（四）蓄電池儲能技術

蓄電池能量存儲技術是利用蓄電池的正、負極間發生的氧化－還原作用來實現對鋰離子的充電和放電。該技術中所采用的能量存儲設備，通常包括控制器、電池、直交流逆變器等。當前，國內已普遍采用蓄電池儲能技術。從化學物質的角度來分析蓄電池儲能技術，該技術中所使用的儲能裝置包括了鈉硫電池、鋰離子電池、鉛酸電池儲能裝置等。

（五）其他儲能技術

目前，除了上述幾種儲能技術之外，還存在著其他的儲能技術，例如：氫燃料電池、抽水儲能、壓縮空氣儲能技術等。其中，抽水儲能技術主要用于電網的調峰和集中發電，該技術對地域條件有很高的要求，目前，國內很多風力發電的地域條件并不適合建立抽水儲能電廠，所以該技術在風電系統中的推廣具有很大的困難。氫燃料電池儲能技術以將化學能轉換為電力來儲存能量，其造價高昂，安全隱患較多，目前在國內多用于航空航天等領域[4]。壓縮空氣儲能技術的基本原理是利用燃氣輪機來對電力系統進行調峰，進而促進能量的高效轉換。

四、規模化儲能系統在風力發電中的應用

（一）平滑風電輸出功率，提高系統穩定性

規模化儲能系統以其獨特的快速吸收和釋放有功及無功功率的能力，成為平滑風電輸出功率波動的關鍵技術。通過這種技術，我們能夠確保風電發電量在每一時間單位內保持相對穩定，從而極大提升了風力發電系統的可控性。這種穩定性不僅保障了發電的連續性和穩定性，還顯著提高了系統對發電波動性的應對能力。大規模儲能技術的應用，有效解決了風力發電的波動性和隨機性問題。在較大范圍內，這種技術能夠減少風力輸出功率波動對電力系統造成的沖擊，從而確保了電力供應的穩定性和可靠性[5]。這對于大型風力發電設施與傳統電網的結合具有重要意義，使得清潔能源的集成與融合變得更加便捷和可靠。此外，規模化儲能技術的應用還有助于推動電網的綠色轉型。作為一種堅實的技術支持，它不僅有助于實現風力發電的高效利用，還為我國能源結構的優化升級提供了有力支撐。在未來，我們將繼續優化儲能技術，提高儲能效率，降低成本，推動可再生能源與規模化儲能技術的深度融合，為構建清潔能源社會做出更大貢獻。

（二）利用風電儲能系統，增強機組LVRT能力

相關研究發現，當前主流風電發電機的LVRT性能，可以通過對其進行改善或者添加一些硬件電路來得到提升。如僅僅依靠控制策略進行優化，雖然能夠在一定程度上減輕電網故障時出現的瞬態過電流和過電壓問題，但這種方法并不能從根本上消除故障引發的過電壓和過電流問題。因此，我們需要采取更為有效的措施，通過添加一些硬件電路來消除其在故障時的過電壓、過電流問題，從而大幅提升LVRT性能。

據Joos G.[6]的研究表明，采用改善磁通Flux的方法對轉子電流進行調節，比在雙饋風電機組變換器的直流端并聯儲能系統，其LVRT的性能更好。Muyeen S M.[7]的研究表明，利用 STATCOM/BESS （電池儲能系統）可以有效地提高風電發電機的 LVRT能力，確保風力發電機不會受到過電壓、過電流的傷害，從而達到提高風電發電機LVRT功能的目的。STATCOM/BESS能夠快速吸收多余的能量，從而防止發電機受到損害，并顯著增強風力發電機的LVRT功能，確保了風電系統的可靠性和安全性。

（三）降低電網調峰負擔，提高風電利用經濟性

在我國多數區域，夜晚風速比白晝更大，但就我國電力系統的負載而言，白天出現高“峰”，晚上出現低“谷”，其持續時間為十多個小時，在“谷”期間，負載還不到“峰”期間的一半。當風力很大時，也就是電力消耗最小的時候，其電力消耗只有白天電力消耗的三分之一左右。若將規模化儲能裝置與風電場相匹配，對其進行“削峰填谷”，則可在“谷”時將過剩的風力存儲起來，使風能得到最大限度地發揮，同時還可大大減少附屬裝置的容量，從而降低風電發電成本。在用電“峰”期間向電力系統出售儲備電能時，其發電價格與“峰”期間市場價格相當。可以看出，規模化儲能與風電并網后，可以減輕電網負荷，緩解能源供求矛盾，增加風電的經濟效益，并提升了風電的應用價值。利用規模化儲能系統對風電進行“削峰填谷”，這一點在國外已被證實。因此，將風電與規模化儲能裝置（如：抽水儲能、壓縮空氣儲能等）結合在一起，進行“削峰填谷”，可以有效減輕電力系統的負荷，增加風力發電的經濟效益。

（四）發揮分布式供電優勢，確保風電的連續性

分布式供電，即在電力系統中，將發電設施置于負荷的鄰近區域，這一做法顯著降低了輸電過程中的能量損耗，同時提升了供電的可靠性與效率。在風電和光伏發電能力不足的情況下，分布式供電系統能夠借助儲能設施，確保向負荷穩定供應電力。與此同時，儲能系統能夠在風力或太陽能發電量充沛時儲存多余電力，待到需求上升或能源產出下降時，再釋放這些儲存的能源，有效調節電力系統的供需平衡。為確保風電供應的穩定性，分布式供電與儲能技術的融合至關重要。儲能系統能夠提供即時的電力補充，有效應對風電發電的波動性和不確定性，從而保障電力供應的連續性和可靠性。通過這種綜合能源解決方案，我們能夠最大限度地發揮可再生能源的優勢，同時提高能源供應的整體效能。

結論

綜上所述，在環境保護和能源節約理念不斷深化的當下，我國正積極發展風電產業，這標志著未來能源發展的主要趨勢。鑒于此，本文首先概述了風電和光伏發電領域中的儲能技術，隨后詳細討論了風力發電和光伏發電的核心技術，并對常見的規模化儲能技術進行了深入分析。最后，本文提出了一些應用策略，以促進風電和光伏發電中規模化儲能技術的廣泛應用，從而推動這些可再生能源技術向更高效、更經濟的方向發展。