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东北电力大学本科毕业设计论文

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式（2.5）中，Pw为风力发电机输出的有功功率；Pr为风力发电机输出的额定功率。根据上式可知，风力发电机出力情况可以分为零出力、欠出力和额定出力[17]。双馈风力发电机简化输出功率-风速特性曲线如下：

图2.2 风机输出功率特性曲线

风电场一般占地面积较大，各台风力发电机工况也不一样，再加上风电场内部尾流效应作用，都会对风电场输出功率产生影响。本研究假设风电场内所有风电机组的工况相同，同时不考虑尾流效应的影响，将所有风电机组的输出功率相加作为整个风电场的输出功率。

2.2 储能系统

2.2.1 储能技术简介

目前主要的储能方式有物理储能、电化学储能、电磁储能和相变储。其中，物理储能方式可以分为抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能方式主要是超导储能；电化学储能设备有超级电容、各类蓄电池、化学电池、燃料电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等；相变储能主要是冰蓄冷储能。下面将重点研究目前使用较多和具有发展优势的几种储能方式。

1、抽水蓄能

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抽水蓄能是将下游水泵入上游水库中，需要时再放水发。这一过程是先将富余电力转化为水的势能，在用电高峰时将储存的这部分势能再转化为电能的方法,就目前技术水平可以达到70%一85%的利用效率。这一储能方式多用于电能调度管理，储存能量较大，可以满足数小时至数天甚至更长时间的电网功率支撑，可以用来调峰填谷、高峰备用、调相调频。因此这一储能方式对于电力系统稳定运行可以起到重要的作用，目前这一储能方式在很多国家都有应。但是抽水蓄能电站的建设必须依赖必要的地理条件，不是所有地区都适合建设，而且初期投资成本较高,建设周期较长，这些因素都影响着抽水蓄能的应用。

2、压缩空气储能

压缩空气储能是用电能将空气压缩储存在高压的密闭装置里，需要的时候再释放。压缩空气协助推动燃气轮机发电，一般空气存储设施都在地下。在燃气轮机发电过程中，使用压缩空气可以节省40%的燃气[18]，减少排放。目前这种储能方式功率密度较高，其安全可靠性较高，可以用于峰谷调节，平衡负荷；但是其能量密度较低，而且受地理环境条件制约，目前仅有少数发达国家有应用。

3、飞轮储能

飞轮储能是将电能转化为机械能存储的一种储能方法，在需要再将机械能转化为电能输出。飞轮储能技术的发展主要得益于材料科学的进步和电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮技术的发展。这一储能方式的原理是在电能富裕时由电能驱动飞轮高速旋转，将电能变为飞轮的动能。由于使用了磁悬浮轴承，使飞轮旋转时的损耗极低；当需要电能输出时在由飞轮驱动发电机输出有功。飞轮的功率密度和能量密度可以满足MW级功率输出数小时，因此可以用于电网调峰、功率平滑、频率控制、不间断电源等用途，值得称道的是它的转换效率可以达到90%以上[18]，循环寿命长、无污染、维护简单、配置方案灵活易行。因此飞轮储能技术得到了广泛的关注和研究，许多公司也推出了系列产品。随着飞轮的大型化和高速度发展趋势，未来飞轮储能方式有着广阔的发展空间。

4、电磁储能技术

电磁储能的主要形式是超导储能，这种储能方式利用超导体制成的线圈存储磁场能量，需要能量输出时直接由磁能转换为电能输出。这一储能方法的转换过程只有电能和磁能的直接变换，因此能量损耗非常低，这个储能系统的能量利用

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效率非常高。并且能量释放速度快，功率密度都比较大。目前国际上己经有Mw级/Gwh级超导储能设备投入运行。它可以为电网提供电压支撑、频率调节、功率平衡、稳定电网系统等作用。超导储能有着良好的性能特点和转化效率，但是大容量储能的成本比较高。随着该技术研究进一步的深入，其性能将更加完善并且成本也进一步降低，会有更好的应用前景。

5、超级电容器储能

超级电容器又叫做电化学双层电容器，功率密度高,能够提供强大的脉冲功率，充电时电极表面处于理想极化状态，电荷吸引电解质溶液中的异性离子覆于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于电极的特殊结构以及微小的层间距，使得电极表面积大大增加，所以电容量也变得很大。超级电容不仅能量密度高，而且循环寿命长、能量损失小、转换过程中没有经过其他能量形式，可靠性高、维护量小，这些优点使得超级电容的应用和研究已经非常广泛。经过几十年的发展，超级电容技术日趋成熟，己经可以达到数百kw的输出输入能力。目前超级电容已经应用于电动汽车储能、大功率电机启动支撑与再生制动储能等方面，并且电力系统领域也在进行改善电能质量提高可再生能源供电可靠性等方面的研究。

6、电池储能

电池储能已经存在了很长时间，比如铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池等这些电池形式都是我们身边常见的。虽然电池的应用已经非常广泛，但是传统电池的性能和寿命还是有待于进一步的研究改善。最近几年出现的新型电池吸引了大量关注，钠硫电池和钒流电池最为代表具有较大的能量密度和功率密度。放电深度更深、循环寿命长、系统转换效率高等特点，己经显现出未来应用的巨大优势。

表2.1 常见储能技术及其应用方向

分类 储能技术 比能量（Whkg） 机械储能 抽水蓄能 0.5~1.5 60~70 1~24h 循环次数 效率（%） 响应时间 10

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压缩空气储能 30~60 40~50 1~24h 飞轮储能 电磁储能 超导储能 超级电容储能 电化学储能 铅酸电池 钠硫电池 全钒液流电池 10~30 0.5~5 2.5~15 30~50 150~240 75~200 >20000 >100000 >100000 500~1000 2500 13000 70~80 80~95 70~80 60~70 70~80 85~95 ms~15min ms~s ms~60min ms~h s~h s~h 2.2.2 储能技术在风电场的应用

随着我国风力发电的迅速发展，许多大型风电场先后建成。由于大型风电场大多处于我国西部电力负荷较小的区域，因此大型风电场必须将富余的电能通过电网输送到东部沿海用电的负荷中心。然而风能是一种间歇性、随机波动的能源，大型风电场并网后，其输出功率的波动将会给整个电力系统运行的安全性、稳定性和经济性带来负面的影响。特别是当风电所占比重过大时，会使电网的调峰、调频压力增大。如果采取限制风电场接入电网比重的方式将会极大的减小风能的利用率，阻碍风力发电的发展。现有风电机组的功率调节技术和能力有限，因此最好的办法就是利用储能系统调节大型并网风电场的功率输出，为电网提供稳定可靠的电能。

储能系统不仅可以应用于平滑风电场输出功率的波动，使得风电场可以作为可调度的机组运行，而且可以为电力系统提供频率控制和快速的功率响应等其它辅助功能。此外，风电场通过储能系统进行储存转换，不仅可以提高风电场输出电能的质量，而且可以增加风电场运行的经济效益，进而提高风电场在电力市场的竞争力，促进我国风力发电事业快速发展。

风力发电由于受风速和地理等自然条件的影响不能持续稳定的输出，因此导致电力系统安全性和稳定性受到影响，并且风力发电很难跟踪负荷的变化。所以，如果在风电场配置一定容量的储能系统，将对风电场并网运行的稳定性起到非常重要的作用，其主要体现在以下几个方面[19]-[21]：

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