电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．35No．12
Dec.2015
第35卷第12期2015年12月
图1全球历年风电累计装机容量及增速
Fig.1Global annual wind -power installed capacity
and growth speed
350300250200150100500累计装机容量／G W
19961997199819992001200220032004200520062007200820092010201120122013
2000年份
40302010
增速／%
累计装机容量，
增速
1低电压穿越技术应用背景
截至2013年底，全球风电累计装机容量达到318GW ，2013年新增35.46GW ，同比增长12.5%，我国风电装机达到91GW ，全国风电累计核准容量在建项目为56.7GW ，占核准容量的42%。全球风电累计装机容量前五名分别是中国、美国、德国、西班牙、印度，分别占比28.7%、19.2%、10.8%、7.2%、6.3%。全球历年风电装机情况如图1所示［1］。
虽然风电是一种清洁的可再生能源，但是电网故障会对风电带来冲击，严重情况下会导致风电机组脱网甚至引起电网其他机组全部解列。2011年2月24日，酒泉风电机组大规模脱网，共计10座风电场274台风电机组脱网，致使最终脱网风机达598台。2011年4月17日，甘肃干河口第二风电场故障导致702台风机脱网。2011年4月17日，张家口华
佳鑫风电场故障致使644台风机脱网。仅2011年，我国100MW 以上风电机组发生脱网事故193次，其中500MW 以上风电机组脱网故障有12次［2］。造成风机脱网事故的主要原因是风机不具备低电压穿越能力。当电网发生故障后并网点电压下降，会使风机转子侧过流直流侧过电压，严重时会使风机迫停。因此，风电场必须满足电网故障下，在电网低电压的一定时间内保证并网运行，即需要具备低电压穿越LVRT （Low Voltage Ride Through ）能力，以消除潜在的安全隐患。
低电压穿越技术是风电应用关键技术之一，已成为研究热点之一。常用的低电压穿越技术主要有控制策略法、Crowbar 电路法等。随着储能技术的发展，储能在低电压穿越方面的表现尤为突出，储能技术在风电应用中不仅具有缓冲电能、提高电能质量、改善电压稳定性等优点［3］，而且在提高低电压穿越能力方面配置灵活、性能良好，因此，储能技术在低电压穿越技术中具有广阔的应用前景。
截至2013年底，全球储能（除抽水蓄能、压缩空气及储热之外）总装机容量达到736MW ，比2012年增长12%。在我国，已经运行的储能装机达51.5MW ，比2012年增长39%，新增储能主要应用于可再生能源、微网以及电动汽车等方面。储能技术的大力发展，有利于其在大规模风电接入后在低电压穿越技术方面的应用。
2
低电压穿越技术标准
2.1
国外低电压穿越技术标准
2003年，德国运营商E.ON 首次提出了风电场
并网低电压穿越技术规范。随着风电的兴起，世界各国制定了适合自身电网特点的低电压穿越技术规范，对最低电压下的并网时间以及恢复电压后并网
摘要：常用提高低电压穿越能力的技术中，存在控制策略法算法较复杂而且不够可靠，Crowbar 电路法电阻选取要求高、控制易失效、不能提供无功支持等问题。首先对国内外低电压穿越技术标准进行了概述，分析了当前主要低电压穿越技术研究情况；然后对储能技术的特点及其在低电压穿越技术研究中的拓扑结构、特性等进行了探讨；最后对基于储能技术的低电压穿越技术应用前景进行了分析和展望。
关键词：低电压穿越；储能；风电；超级电容器；飞轮；超导储能；蓄电池；控制中图分类号：TM 614文献标识码：A DOI ：10.16081／j.issn.1006-6047.2015.12.001
基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的
分析和展望
杨
堤1，程浩忠1，马紫峰2，方斯顿1，徐国栋1，管晟超1，孙权才1
（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海200240；
2.上海交通大学化学工程系，上海200240）
收稿日期：2015－03－05；修回日期：2015－09－03
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2014-CB23903）；国家自然科学基金资助项目（51337005）
Project supported by the National Basic Research Program of China （973Program ）（2014CB23903）and the National Natural Science Foundation of China （51337005）
第35卷
电力自动化设备
时间进行了约束，世界主要国家低电压穿越中对并网和允许脱网要求如图2所示（图中电压为标幺值），世界主要国家或地区低电压穿越技术标准如表
1所示［4］。图2中，U N 为风机并网点额定电压；U min 、t 1
分别为各国低电压穿越技术标准中所规定的最小并网电压以及该情况下保持并网运行的时间；U restore 通常为0.9p.u.，表示恢复电压值；t 2表示并网点电压恢复到U restore 需要保持并网运行的时间。
2.2国内低电压穿越技术标准
我国在2011年出台的《风电场接入电力系统技
术规定》关于风力发电低电压穿越技术规定［5］：
a．风电机组需在并网点电压跌落至20%的额定电压时保持625ms 并网运行；
b．并网点电压跌落后需3s 内恢复到90%的额
定电压，并且风电机组需保持并网运行。
3
常用低电压穿越技术
3.1
控制策略技术
良好的控制策略技术可有效提高风电机组的低电压穿越能力［6-7］，基于控制策略技术提高风电机组的基本原理为：根据风电机组的网侧变换器和转子侧变换器的控制对象建立快速有效的控制策略，通过控制电网故障后风电机组的电压、电流、无功等变量提高电压跌落后风电机组的故障恢复能力。常见的控制策略有分序控制、线性化控制、惯性能量控制、混合补偿技术等方法。
（1）分序（正序或负序）控制。
变换器在预置电流约束下注入正序和负序有功和无功电流，使得输出电流运行在约束范围内，防止触发过流保护功能，从而提高低电压穿越能力［4］。此外，针对不对称故障，文献［8］的研究表明在低电压穿越能力方面，负序比正序控制要有效得多，并且该低电压穿越技术也考虑到了调度需要以及变换器的控制容量。
（2）线性化控制。
通过对发电机转速与直流电压的非线性关系线
性化，使用转子侧变换器控制直流电压，使用网侧变
换器控制电网最大跟踪有功，从而提高低电压穿越能力［9］。文献［10］将电力系统模型的非线性项通过
泰勒级数柯西余项推导出的不确定项表示，提出了基于二次线性化技术的网侧和转子侧变换器控制策略，既能抑制故障后的暂态扰动又能提高低电压穿越能力。
（3）惯性能量控制。
在故障暂态期间通过转子的惯性储存能量，故障清除后再将转子中的惯性能量平滑回馈到电网，该策略可以满足低电压穿越技术要求［11］。
（4）混合补偿技术。
针对电网中的对称故障和非对称故障，文献［12］提出了有源补偿和无源补偿技术，有源补偿通过调整转子参考电流以减小转子过电压问题，而无源补偿利用转子电流限制器降低故障期间转子的浪涌电流，消除直流侧的过电压现象，以提高低电压穿越能力。
此外，其他控制策略对提高低电压穿越能力的研究层出不穷［13］。基于控制策略技术提高低电压穿越能力的方法无需增加额外设备，通过修改控制策略或控制参数即能解决不同风电接入环境下的低电压穿越能力问题，但是控制策略法过于复杂，对算法可靠性要求较高，且会受到变换器容量的限制。故仅仅利用控制策略提高低电压穿越的能力有限。3.2辅助硬件技术
（1）Crowbar 电路技术。
Crowbar 电路技术是一种较早出现的低电压穿越技术，在故障后通过投入Crowbar 电路抑制转子变换器的过流现象。基于Crowbar 电路技术的低电压穿越技术的基本原理为：当风电机组转子侧电流超过预置的电流整定值时，投入Crowbar 电路装置以短接风电机组转子绕组，切除风电机组转子侧的变换器以减小转子暂态过电流现象，当故障消除后转子侧电流减小到电流整定值以下时，切除Crowbar 电路并恢复转子侧变换器的正常运行。Crowbar 电路主要有被动Crowbar 技术和主动Crowbar 技术，被动Crowbar 技术采用晶闸管控制，而主动Crowbar
技
国家或地区
t 1／ms U min ／%t 2／s 德国1500 1.5英国1400 1.2爱尔兰2500 3.0美国62515 3.0加拿大AESO 62515 3.0西班牙50020 1.0意大利500200.8瑞士25000.8葡萄牙20000.7丹麦100010.0北欧电力联盟
62515 3.0新西兰
200
1.0
表1世界主要国家或地区低电压穿越能力规范
Table 1LVRT ability standard of main countries and areas
图2低电压穿越能力电压要求
Fig.2Requirement of LVRT ability for voltage
满足低电压穿越要求的并网运行区间
允许脱网运行区间
t 1t 2
时间
电压
U N
U restore
U min O
杨堤，等：基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望
第12
期
术采用绝缘栅双极型晶体管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor ）等全控器件控制。有效提高低电压穿越能力要求选取合适的Crowbar 电阻，电阻较大会发生过电压现象，而电阻太小又不能有效限制转子过电流。虽然Crowbar 成本低、易实现，但依赖于故障类型，对非对称故障控制有限，在故障后的暂态过程中不能提供无功支持，运行状态切换时会发生不利于故障恢复过程中的暂态响应［14］。典型
Crowbar 电路接入风电场的结构如图3所示。
Crowbar 电路技术可以限制故障下转子侧变换
器过流，该方法是提高低电压穿越能力的较为常用的方法，但是Crowbar 电阻会消耗能量，并且可能失去对有功和无功的控制能力。当Crowbar 在低电压情况下投入使用时，风力发电机将从电网吸收大量的无功，会进一步恶化电网的稳定和安全运行［15-16］。针对Crowbar 技术在故障后出现的控制失效现象，可对转子侧暂态电流线性化并前馈控制，补偿转子侧变换器交流侧输出电压，将暂态电流降到最低，从而减轻转子侧变换器的暂态电流应力，有效提高低
电压穿越能力［17］。
（2）动态电压恢复器技术。
动态电压恢复器DVR （Dynamic Voltage Res -torer ）为电压源型变换器，DVR 接入风电场的结构如图4所示，通过耦合变压器串联入风电机组的并网线路中。基于DVR 的低电压穿越技术基本原理为：通过对DVR 采用电压控制、功率控制或阻抗控制等控制策略，改善风电机组在电网故障后的临界清除时间，增强风电机组接入电网后的低电压穿越容量。
DVR 可应用于不同传输容量和电压等级的低电压
穿越技术中，能抑制故障后的相角突变，补偿同步故
障或异步故障后的并网线路电压以提高风电机组低电压穿越能力。
文献［21］采用临界切除时间评估低电压穿越能力，并利用DVR 有效提高了低电压穿越能力。利用DVR 技术可以补偿相间短路所需无功，有效提高低电压穿越能力［22］。
（3）统一潮流控制器技术。
统一潮流控制器UPFC （Unified Power Flow Con -troller ）利用自身控制的快速响应特性，采用并联方式接入风电场联络线中，解耦控制有功功率和无功功率，提高了风电机组并网点的电压稳定性。基于
UPFC 技术的低电压穿越技术基本原理为：电网故障后利用UPFC 快速独立地控制风电系统的有功和无
功补偿量，通过增强系统潮流特性提高风电机组并网点电压稳定裕度，提高风电机组的低电压穿越能力。
UPFC 技术可有效防止在低电压情况下风机脱网，UPFC 通过提供无功支撑以维持并网点的电压稳
定，从而提高低电压穿越能力［23］。
（4）定子阻尼电阻技术。
当前的低电压穿越技术主要解决的是平衡电压下降的问题，但针对故障后不平衡的电压下降问题
图3典型Crowbar 电路接入风电场结构图
Fig.3Structure of wind farm integration via
typical Crowbar circuit
DFIG
电网
风机
齿轮
Crowbar 电路
图4DVR 接入风电场的结构图
Fig.4Structure of wind farm integration via
DVR
DFIG 电网
风机
齿轮
DVR
第35卷
电力自动化设
备
图5SDR 接入风电场的结构图
Fig.5Structure of wind farm integration via SDR
DFIG 电网
风机
齿轮
SDR
效果不佳。定子阻尼电阻SDR （Stator Damping Re -sistance ）技术可减小故障后的风电机组转子浪涌电流及电气转矩振荡现象，能有效提高不平衡故障下的低电压穿越技术。基于SDR 技术的低电压穿越技术基本原理为：当电网故障后风电机组发生不平衡电压跌落时，检测出电压跌落的相位并并入相应相位的定子阻尼电阻，利用SDR 和风电机组转子侧变换器控制转子侧浪涌电流，消减转子负序电流分量，加快故障后恢复速度。SDR 装置由电阻与双向开关元件并联组成，在正常工况时开关元件闭锁，无电流流过SDR ；当电网故障电压下降后，SDR 开关元件解锁，风电机组定子电流流过SDR 装置。SDR 接入电网的结构如图5所示。
基于转子侧变换器控制以及在定子绕组侧串联三相定子阻尼电阻，利用负序分量可有效改善不平衡电压暂降中的低电压穿越问题
［21］
。
基于辅助硬件技术的低电压穿越技术易于实
现，Crowbar 电路法虽然成本低且技术成熟，但对电阻选取要求高，且不能提供无功支持；DVR 、UPFC 、
SDR 对控制策略要求较高，且对限制转子过电流以
及直流侧过电压的能力有限。此外，基于辅助硬件技术需要额外设备，不仅带来了额外设备成本，也增加了维护成本。
3.3动态无功补偿技术
利用动态无功补偿装置可以有效提高风电机组
低电压穿越能力，如STATCOM （STATic synchronous COMpensator ）和SVC （Static Var Compensator ）。STAT -
COM 可采用两电平或三电平拓扑结构，SVC 利用晶闸管控制容抗大小，STATCOM 或SVC 可安装于风
电场并网点处调节无功。基于动态无功补偿技术的低电压穿越技术基本原理为：当电网电压跌落后风电机组从接入的电网吸收大量无功，故障消除后风电机组释放出大量无功，利用动态无功补偿装置吸收过剩无功以防止风电机组失控甚至脱网运行。利用动态无功补偿技术提高风电机组低电压穿越的实质是通过控制并网点补偿无功增加风电机组暂态稳定裕度，提高电网故障后的电压恢复能力以防止风
电机组脱网运行。
可以通过STATCOM 和桨距控制，对风机的非线性动力特性线性化处理，建立多变量鲁棒控制器，有效提高低电压穿越能力［22］。也可以利用STATCOM 并对转矩特性进行简化，基于暂态稳定裕度对低电压穿越容量进行评估，以提高低电压穿越能力［23］。动态无功补偿技术在电网故障期间能够提供有效的无功支撑并增强故障恢复能力，并防止风电机组脱网，但是不能为变换器提供限流保护。
3.4柔性直流输电技术
随着柔性直流输电技术的发展，由于基于电压
源型的柔性直流输电技术具有对有功、频率、电压可控性好的优点，其将会大力促进未来海上风电场及偏远地区陆上风电场的大规模发展。基于柔性直流输电技术的低电压穿越技术基本原理为：利用柔性直流输电换流器的可控性能，当电网故障后换流器切换为STATCOM 运行模式，满足风电机组的无功需求，控制并网点电压，从而有效提高直流故障穿越容量。柔性直流输电技术可对风电场接入后的有功和无功进行独立控制：（1）当电网故障后柔性直流输电可以通过控制换流器控制风电场的有功输出，能够有效消除风电机组与电网间的不匹配功率传输，减轻风电机组变换器的过流压力；（2）通过对换流器的无功控制，提高并网点的无功支持能力，维持并网点电压并加快故障后的故障恢复。因此，柔性直流输电技术在提高风电机组低电压穿越能力方面成为选择之一。
柔性直流输电技术在直流接地短路故障后，可将直流运行方式调整为STATCOM 控制模式，为并网点提供额外的无功，增强风电系统稳定性，减少故障后的恢复时间，并提高低电压穿越能力［24］。因此，柔性直流输电技术不仅可以消纳大规模分布式风力发电，而且还可以通过自身控制提高低电压穿越能力，故具有良好的应用前景［25］。
但是柔性直流输电的成本较高，并且依赖于消纳风电的柔性直流输电工程的建设。
4
基于储能技术的低电压穿越技术
4.1
储能技术
当前用以提高低电压穿越技术的储能主要有飞轮储能、超导储能、蓄电池、超级电容器储能等。基于储能技术的低电压穿越技术基本原理为：利用储能装置快速去磁并衰减风电机组转子过电流，在故障暂态过程中吸收能量降低风电机组直流侧过电压，并配合网侧变换器控制无功功率，提高并网点电压稳定性，加快故障后风电机组的恢复速度，并在故障后将能量回馈给电网。
图6飞轮储能系统配置
Fig.6Configuration of flywheel energy storage
system
AC ／AC 电动机飞轮发电机
AC ／AC P
变换器1
P
变换器2
（a ）两机配置
飞轮
电动机／发电机
AC ／AC P
变换器
（b ）单机配置
4.1.1飞轮储能
飞轮储能利用大规模转盘惯性储能，其关键技
术主要有电磁悬浮轴承、高敏感性材料以及电力电子技术。如图6所示，飞轮储能通过与电动机／发电机系统相连储存或释放能量，当在发电机模式时飞轮减速并释放电能，当在电动机模式时飞轮加速并储存电能。
飞轮储能具有毫秒级的响应速度，当前研究主要集中在调峰或改善系统稳定性等方面。飞轮转速受制于材料、尺寸、发电机类型以及轴承类型等，其储存能量与旋转速度的二次方成正比，高速飞轮可以提供更高的能量密度
［26］
。
飞轮储能技术的缺点为结构和控制复杂、成本较高，储存更高的电能需要降低电能消耗，需要解决磁悬浮轴承温度过高的关键问题，需要密度轻应力大的特殊材料。
飞轮储能提高低电压穿越的能力主要利用飞轮物理储能的特性，飞轮储能装置通过变换器接入风电机组直流侧，建立风电机组网侧变换器、转子侧变换器、飞轮接入变换器间的协调控制策略，对变换器可通过解耦控制、负序控制等方法控制风电机组直流侧的电压稳定并减小转子侧过电流，从而增强风电机组故障后的恢复能力。
飞轮储能的功率密度很高，能量密度较超导储能和超级电容器储能略高，充放电速度快，适宜未来新技术在低电压穿越技术中的应用，但是飞轮储能需要突破轴承温度适应性、材料、成本、结构的瓶颈。4.1.2超导储能
超导储能作为新型储能技术，利用超导线圈的
电磁场储存电能，可满足暂态补偿需要。超导储能为电流源型储能装置，具有能量密度高、暂态下快速释能的特性，其能量损耗微小，转换效率高达95%，放电时间为几十毫秒，在电力系统中可用以改善系统动静态特性等。
超导储能缺陷为需要冷却装置，这会带来不小的额外成本，并且超导对电磁环境、电流强度以及电磁场的变化极为敏感。
超导可通过变换器接入风电机组的直流侧，并通过与风电机组转子侧变换器、网侧变换器的协调控制提高电压稳定性。协调控制策略可根据风电机组及电网的特点进行设计。利用超导将直流侧电压控制在一定的范围，当直流侧电压过高时向超导充电，当直流侧电压过低时超导将能量回馈到直流侧。
超导储能的功率密度极高，很适合低电压穿越
技术中对充放电快速性的要求，但由于超导目前还处于研究阶段，成本极其昂贵，因此，新材料新技术新工艺的发展进一步降低超导成本，减小超导受电磁环境的影响，将增加超导在低电压穿越技术工程应用中的可行性。4.1.3蓄电池储能
蓄电池主要有铅酸电池（P b O 2）、镍镉电池（N i C d ）、锂离子电池、镍氢蓄电池、钠硫电池（N a S ）、钠氯化镍电池（N a -N i Cl ）以及液流电池等。
蓄电池常可作为补偿元件与电网进行能量转换，蓄电池占地少、无污染，可安装在负荷中心附近以满足负荷侧需求。蓄电池可补偿有功和无功需求，但只有通过改变变换器的触发角才能作为无功源使用。
蓄电池储能技术在风电接入下的使用有明显弊端：充放电电流会受到限制，充电时间需要数小时，充放电次数仅有几百次，使用寿命较短，维护费较高。蓄电池在过充电或者短路下易爆炸，并且可能因为化学物质的泄漏带来环境污染，因此，蓄电池具有一定的安全隐患。
蓄电池为化学储能技术，种类繁多，特性各异，其开发已经较为成熟，并应用于不同领域。蓄电池成本低，能量密度大，适合应用于大容量储能的场合
。蓄电池的缺点为充放电速度较慢，不能单独应用于提高风电机组低电压穿越技术中，但可利用其能量密度高的特点和其他储能混合应用于低电压穿越技术中。
蓄电池是应用最为广泛的储能，主要应用于混合电动汽车、海洋以及深海探测、无线网络以及电网稳定等方面。其中，具有深循环能力且效率为70%~80%的蓄电池在电力应用中最为常见［27］。
蓄电池在低电压穿越的应用中，主要采用和其他具有高功率密度的储能技术或Crowbar 技术混合使用，若蓄电池与其他储能混合使用时，可将蓄电池和其他储能并联，然后通过变换器接入风电机组直流侧，通过与转子侧变换器和网侧变换器的配合，提高风电机组抵御电网故障时的脱网风险。若蓄电池和Crowbar 配合使用时，电网故障后投入Crowbar 装置以防止转子侧过电流，并使用蓄电池控制风电机组直流侧的电压稳定，利用蓄电池的容量大的特点
杨堤，等：基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望
第12期
图7DC -DC 变换器拓扑结构
Fig.7Topology of DC -DC converter
（c ）隔离式DC -DC
DC -DC
U out
L C out
C in
U （a ）储能位于低压侧
U （b ）储能位于高压侧
U ss
第35卷
电力自动化设备
缓冲故障后风电机组的失衡功率，增加风电机组的低电压穿越容量。蓄电池在低电压穿越中主要起辅助作用。
4.1.4超级电容器储能
超级电容器又称电化学电容器、超大容量电容器，通过电荷分离储能，容量可达几微法至数千法，电压工作范围为2~3V 。超级电容器有高功率密度、充放电迅速、使用寿命长、环境温度适应性好（-40~85℃）、无需额外满充保护、过充电无危险、环境友好的优点。
超级电容器为电压源型储能装置，可通过控制变换器进行充放电，与超导储能、飞轮储能相比，超级电容器无需移动、控制简单，且几乎无需维护。与蓄电池相比，超级电容器的充放电次数多很多、使用寿命长、电压变化区间较宽，其能量密度比蓄电池要小，不过功率密度比蓄电池要大，超级电容器储能系统可应用在提高低电压穿越能力、改善电压稳定性、提高电能质量以及调峰等方面。
超级电容器通过双向DC -DC 变换器与风电机组直流侧相连，超级电容器控制直流侧电压，当直流电压超过给定值时，DC -DC 变换器运行为Buck 降压模式并向超级电容器充电，以减小直流电压；反之，当直流电压低于给定值时，DC -DC 变换器切换为Boost 升压模式，超级电容器放电以提高直流电压。超级电容器与网侧变换器协调控制，超级电容器控制直流侧电压，网侧变换器控制超级电容器的电压稳定，当超级电容器电压低于给定值时，能量经网侧变换器流向直流侧，致使直流侧电压升高，此时，DC -DC 变换器为了控制直流侧电压的升高，向超级电容器充电，反之，超级电容器通过DC -DC 变换器向直流侧放电。
超级电容器电压在充放电过程中需控制在一定的范围，若超级电容器电压超过最大或最小工作电压时，超级电容器将停止充放电。为了风电机组直流侧电压的稳定，超级电容器的充放电电流需要保持在一定范围内。此外，控制超级电容器电压的网侧变换器控制电流需在一定区间内，以防止控制电流过大致使直流侧电压波动过大或控制电流过小致使对超级电容器的电压控制效果不佳。超级电容器较高的功率密度能保证暂态过程中的快速充放电，从而有效提高风电机组低电压穿越能力。
基于超级电容器的低电压穿越技术具有如下优点：
a.功率密度高、充放电快速、维护少、寿命长等；
b.减小电压跌落后的不平衡功率，通过能量双向流动减小故障造成的风能损失；
c.减小故障期间直流过电压。
超级电容器可与风电机组变换器协调控制风电
机组的运行，基于超级电容器的低电压穿越技术的控制方法可通过如下步骤实现：
a.当转子电流超过设定值，闭锁转子侧变换器
脉冲快速去磁，快速衰减转子过电流；
b.当转子电流在衰减后较小时，可重启转子变
换器；
c.若直流母线超过设定值，启动超级电容器控
制直流电压的稳定；
d.在故障清除电压恢复正常后，将超级电容器
吸收的能量经网侧变换器回馈电网。
基于超级电容器储能技术，可采用平滑控制策略，在故障期间吸收掉风机电能与馈入电网的电能之间的不匹配电能，平滑风机波动并提高低电压穿越能力［28］。也可使用STATCOM 接入超级电容器，采用解耦的PQ 控制策略提高低电压穿越能力［29］。文献［30］基于Crowbar 转子保护技术，并在并网点接入超级电容器以提高低电压穿越的能力。
4.2储能系统接入的拓扑结构4.2.1DC -DC 变换器拓扑结构
基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力中，储能系统通过变换器接入到风电系统，变换器需要具备如下特征：
a.双向能量流动，充放电可控；
b.高效率，响应速度快，能承受高峰功率；
c.占地小、重量小。
变换器拓扑结构如图7所示，若储能系统需要连接到较高电压的直流母线上，则可采用图7（a ）的拓扑结构，反之，则可采用图7（b ）的拓扑结构，采用高频控制的变换器则可采用图7（c ）的拓扑结构［26］，
储能系统可以根据不同的使用场合选择适当的拓扑结构。
4.2.2基于储能的风电场拓扑结构
储能系统提高低电压穿越的能力主要通过2种方式：一种是通过换流器直流侧接入，如图8（a ）所示，该方式主要通过稳定直流侧电压防止换流器触发保护动作；另一种是从公共耦合点PCC （Point of Common Coupling ）接入，如图8（b ）所示，其中复合储能系统CESS （Composite Energy Storage System ）可由蓄电池、超级电容器以及其他储能系统组成。该方式通过无功补偿维持PCC 的电压稳定，从而防止风机脱网。超级电容器的接入方式主要根据风机类型、风电场规模以及并网情况综合考虑。
超级电容器还可与其他储能结合使用，以提高风电接入下的储能容量及降低成本，并满足低电压穿越能力的要求。
4.2.3基于混合储能的拓扑结构
为了满足对能量密度、功率密度、使用寿命、成
本等因素的综合考虑，基于储能技术的低电压穿越技术可将多种类型的储能技术结合使用。混合储能系统的组合可有如下方式：
a.蓄电池与超级电容器混合储能；
b.蓄电池与飞轮混合储能；
c.蓄电池与超导混合储能。
通过适当的拓扑结构可对几种储能组合，并采用图9所示的拓扑结构形成混合储能系统。此外，还可通过隔离或升压变压器接入混合储能系统。混合储能的拓扑结构根据储能类型以及安全可靠性要求等因素确定。
超级电容器、超导、飞轮等功率密度高但能量密度较小，而蓄电池刚好相反，通过混合储能可提高储能容量并满足低电压穿越技术的要求，储能互补可达到延长储能系统的使用寿命、提高效率、减小尺寸
以及降低成本的目的［31-35］。4.3储能技术的特性
蓄电池是目前技术最为成熟、应用最为广泛的储能技术，而飞轮、超导、超级电容器等储能技术由于各自的优势而被深入研究和实验。储能系统的特性如表2和表3所示［26］，超级电容器、超导、飞轮的功率密度很高但能量密度偏低，充放电速度快，而蓄电池的能量密度较高，但功率密度较低。
蓄电池储能可用在大容量储能等场合，而飞轮、超导以及超级电容器等新型储能功率密度高，可用在抑制振荡、改善电能质量、提高电压稳定性等方面。
储能系统充电时间
放电时间
蓄电池1~5h 0.3~3h 飞轮0.5~2h 0.5~2h 超级电容器
1~30s 1~30s
表3储能系统充放电特性
Table 3Charging ／discharging performance of
energy storage systems
类型能量密度／（W ·h ·kg -1）
功率密度／
（W ·kg -1）
效率／%
寿命
蓄电池
铅酸
20~352570~80200~2000次镍化镉40~60140~18060~90500~2000次镍化氢60~8022050~80<3000次锂离子100~20036070~85500~2000次锂聚合物200250~100070>1200次硫化钠120120702000次飞轮5~50180~180095>20000次超导1~1010000095>20a 超级电容器
1~107000~18000>95>1000000次
表2常见储能系统性能表
Table 2Specifications of common energy storage systems
杨堤，等：基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望
第12
期
AC -DC D C -DC D C -DC 储能1
储能2
（a ）交流侧并联
AC -DC AC -DC D C -DC 储能2（b ）共用变换器
储能1图9混合储能系统变换器拓扑结构
Fig.9Topology of converter for hybrid energy
storage system
AC -DC
储能1
D C -DC 储能2
AC -DC D C -DC
D C -DC 储能1
储能2
（c ）单变换器（d ）两变换器
图8超级电容器储能系统
Fig.8Super -capacitor energy storage system
（b ）PCC 接入储能系统
（a ）直流侧接入储能系统
DC 负载
CESS
D C -DC D C -DC D C -DC
蓄电池超级电容器其他储能
AC -DC
AC 负载
DG
电网
PCC AC 母线DC 母线
DFIG
大电网
转子侧变流器
网侧变流器
储能系统
PV
由于超级电容器等还具有充放电速度快的优点，尤其适合在大规模风电接入后提高低电压穿越能力的应用。
储能技术的能量成本和功率成本如表4所示，飞轮和超级电容器的功率成本很低，蓄电池的能量成本较低，但超导的能量成本很高，超级电容器的能量成本也偏高，因此，加大研发力度、促进储能技术革新、降低成本，是促进储能技术在风电机组低电压穿越大规模应用的重要手段。
储能技术中尤其是超级电容器储能响应快、功率密度大，能量可双向流动，作为低电压穿越的新技术，将会对大规模风电发展产生很大的促进作用。
4.4基于储能技术的低电压穿越技术与常用低电压穿越技术对比
基于储能技术的低电压穿越技术与常用低电压
穿越技术相比，主要有如下优点。
a.成本适宜、使用寿命长。蓄电池技术较为成熟，价格较为便宜，能量成本较低，飞轮、超导、超级电容器的功率成本较低，以超级电容器为例，其功率成本为6$／（kW ·a ），其他储能的成本如表4所示。超导能量成本偏高，故其应用还依赖于超导技术的进一步提高。超级电容器的能量成本略高，但通过和蓄电池混合使用可有效降低成本。因此，储能技术具有良好的经济性。此外，飞轮、超导、超级电容器的使用寿命极高，如表2所示。而常用低电压穿越技术中，DVR 、SDR 、UPFC 、STATCOM 以及柔性直流输电变电站等投资成本较高，柔性直流输电还需要较高的额外维护成本。
b .调节速度快、低电压穿越容量易扩展。如表2
所示，蓄电池具有较高的能量密度，飞轮、超导、超级电容器具有较高的功率密度，储能的快速充放电性能能够很好地满足低电压穿越的要求。蓄电池、超级电容器可模块化、规模化、产业化、过载能力强、容量及功率可独立设计的特点使得基于储能的低电压穿越容量易于扩展。DVR 、SDR 、UPFC 、STATCOM 以及柔性直流输电技术虽然响应快速，但可扩展性较差。
c .协调控制性能良好。储能可通过变换器接入
风电机组的直流侧，利用接入变换器控制风电机组直流侧电压，并可在电网故障后与网侧变换器、转子侧变换器协调控制风电机组的并网运行。而仅仅利
用控制策略改善低电压穿越能力的方法改善效果有限，而且控制算法较复杂、可靠性不够高。Crowbar 技术会存在控制失效的可能，并且不能提供无功支撑。DVR 、SDR 、UPFC 、动态无功补偿技术和柔性直流输电技术不能很好控制风电机组变换器转子电流及直流侧过电压。
d .兼具大容量储能、削峰填谷等良好性能。储
能除具有提高低电压穿越的能力，还具有系统调峰、削峰填谷、平滑功率波动等功能，储能既能满足秒级别、毫秒级的快速动态响应，又能实现分钟级、小时级的储能和释能的作用。而常用的其他储能方式主要用于稳定电压、提高低电压穿越的能力，而不具有大容量储能的特点。
蓄电池成本低廉、容量大、能量密度高，但是由于功率密度较低，充放电较慢，不能单独用在低电压穿越技术中，因此，采用蓄电池与其他储能混合的方法可综合提高风电机组低电压穿越能力。
飞轮储能、超导储能均具有很高的功率密度，很适合用于提高风电机组低电压穿越能力，目前还在实验验证阶段。
超级电容器功率密度高、充放电迅速，超级电容器的功率成本很低，能量成本还偏高，由于超级电容器的应用领域较广阔，技术逐渐成熟化，成本的进一步降低将会大力推进其在风电机组低电压穿越中的应用。
5基于储能技术提高低电压穿越能力的展望
储能技术在提高低电压穿越能力上具有广阔的应用前景，基于储能技术的低电压穿越技术在未来的研究和应用中需要重点关注以下几点。
（1）需要解决储能关键技术难点问题。当前的低电压穿越技术主要有Crowbar 技术和控制策略法，基于蓄电池和超级电容器的技术已成为低电压穿越技术的热点之一，而其他储能方式下的低电压穿越技术的研究目前较少见。超导储能需要重点解决冷却和对电磁环境敏感的问题，飞轮储能需要突破磁悬浮轴承温度过高的难点并发展质轻应力大的材料，锂电子电池、液流电池等是大容量蓄电池储能的发展方向。随着各种储能技术的发展和成本的不断降低，储能作为低电压穿越技术的新技术势必会成为最佳选择之一。
（2）确定应用于低电压穿越技术的储能种类和容量。根据风电机组的接入规模、位置及电网的强健程度确定储能类型，并可充分利用某些地理优势，发挥储能低成本大容量（如蓄电池等）以及高功率密度的优点（如超级电容器、飞轮等）。根据低电压穿越技术标准，计算低电压穿越技术需要的储能容量。
储能技术能量成本／［$·（kW ·h ·a ）-1］
功率成本／
［$·（kW ·a ）-1］
铅酸电池69
91飞轮96 1.2超导37000059超级电容器
7116
表4储能技术的成本
Table 4Costs of energy storage technologies
第35卷
电力自动化设
备
杨堤，等：基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望第12
期
（3）确定储能在低电压穿越技术中的配置方案以及与辅助功能的协调控制。根据风电分布以及机组类别（如双馈风机类型等）确定储能系统的接入方式和组合配置方案，对混合储能系统需要研究协调控制策略。混合储能可由蓄电池和超级电容器组成或其他多种储能组合，在低电压穿越技术应用中混合储能需要满足储能容量大、能量密度高、功率密度高的特点。此外，需要研究基于储能技术的低电压穿越能力与电能质量、电能管理等辅助功能的协调控制方法。
（4）研究多种储能技术互备用的可行性。在柔性直流输电消纳风电的场合，可将基于柔性直流输电的低电压穿越技术与基于储能技术的低电压穿越技术形成互备用，储能技术也可与Crowbar技术、控制策略等低电压穿越技术形成互备用，以提高低电压穿越能力的安全可靠性。
（5）精确建模和快速检测能力。对储能系统精确建模，对变换器的过流、直流侧过电压等提供快速准确的检测手段，确保满足对称故障和非对称故障下低电压穿越能力的要求。
（6）促进大规模储能在低电压穿越中的推广应用。未来对超级电容器储能、飞轮储能、超导储能规模化应用的瓶颈需要得到解决。当前基于储能提高低电压穿越能力的技术还在研究和实验阶段，需要破解大规模应用的关键难点。加大对超级电容器、超导储能、飞轮储能等新型储能的研究，进一步提高能量密度和降低成本，使得储能新技术在提高低电压穿越能力方面成熟化和实用化。储能需要达到标准化和批量化生产的能力，并且需要具备安全可靠、高效经济的特点。新技术要满足低电压穿越技术的要求，以促进储能技术在大规模风电接入下的应用。
6结论
当前低电压穿越技术中，控制策略法较复杂且可靠性不够；Crowbar电路法对电阻选取要求高，而且依赖故障条件，不能提供无功支撑能力；DVR、UPFC、SDR技术提高低电压穿越的能力有限；动态无功补偿、柔性直流输电可为电网提供无功支撑并加快故障后的电压恢复。但是，这类低电压穿越技术不能很好地解决故障后的有功功率失衡问题以及对风电机组变换器的保护问题。
由于储能类型众多、效率高、响应速度快、能量可双向流动、占地小重量轻，蓄电池等储能容量大并且廉价，超级电容器、超导、飞轮等储能功率密度高、充放电迅速，储能技术配置灵活，通过若干储能组合可有效提高风电机组低电压穿越的能力。基于储能技术的低电压穿越技术与其他低电压穿越技术相比，高效可靠，成本适中，不仅可以提高低电压穿越能力，而且还可以发挥调峰、抑制振荡、改善电能质量、提高电压稳定性等多方面的作用。因此，随着储能技术的发展，基于储能技术的低电压穿越技术具有良好的应用前景，尤其是超级电容器具有高功率密度且调节速度快，维护较少，受地理环境等因素的制约较小，可和其他储能混合使用以提高低电压穿越能力，还可带来其他附加效益（如调峰效益）。
基于储能技术的低电压穿越技术的发展，必然会有效促进大规模风电接入的应用。
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作者简介：
杨
堤（1983—），男，陕西汉中人，博士
研究生，研究方向为电力系统电压稳定与控制技术（E -mail ：yangti@https://www.doczj.com/doc/c14791291.html, ）；
程浩忠（1962—），男，浙江东阳人，教授，博士研究生导师，博士，研究方向为电力系统电压稳定、规划、电能质量等；
马紫峰（1963—），男，浙江东阳人，教授，博士研究生导师，博士，研究方向为燃料
电池、锂离子电池和超级电容器等。
（下转第20页continued on page 20）
Damping characteristics and countermeasure of DFIG sub-synchronous oscillation GAO Benfeng1，LI Ren1，YANG Daye2，SONG Ruihua2，ZHAO Shuqiang1，LIU Jin3，ZHANG Xuewei1（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Baoding071003，China；2.China Electric Power Research Institute，
Beijing100192，China；3.Beijing Economic and Technological Research Institute of
State Grid，Beijing102209，China）
Abstract：SSCI（Sub-Synchronous Control Interaction），a new type of sub-synchronous oscillation，may induced by the interaction between the rotor side converter and the compensating capacitor of DFIG（Doubly-Fed Induction Generator）when large-scale wind power is transferred through the transmission lines with fixed series compensation.The working principle of DFIG converter and its output characteristics are analyzed and its equivalent simulation model based on the controlled voltage source at AC side and the controlled current source at DC side is built，which avoids the impact of high-order harmonics of switching devices on the calculative results of DFIG electrical damping to enhance the simulation efficiency.Based on the equivalent model，the complex torque coefficient method is adopted in time-domain to calculate the electrical damping characteristics of DFIG within the range of sub-synchronous frequency for analyzing the impacts of wind-speed，converter PI parameters，compensation-degree and transmission line resistance on the electrical damping characteristics.The analytical results show that，the negative electrical damping of DFIG increases along with the wind-speed decrease，inner-loop gain increase，integral time-constant decrease，compensation-degree increase and transmission line resistance decrease；the impact of outer-loop PI parameters on the damping characteristics of DFIG is not large.An additional H-SSDC（Hybrid Sub-Synchronous Damping Controller）in the rotor side converter of DFIG is proposed to restrain SSCI and its effectiveness is verified by the simulative results.
Key words：doubly-fed induction generator；sub-synchronous control interaction；models；complex torque coefficient method；hybrid sub-synchronous damping controller；wind power；damping
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第10页continued from page10）
Analysis and prospect of LVRT improvement based on energy storage
technology for wind turbine generator system
YANG Di1，CHENG Haozhong1，MA Zifeng2，FANG Sidun1，XU Guodong1，
GUAN Shengchao1，SUN Quancai1
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of Ministry of Education，
Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China；2.School of Chemical Engineering，
Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）
Abstract：Among the common technologies for improving the LVRT（Low Voltage Ride Through）ability，the control strategy method is complex and unreliable，while the Crowbar circuit method suffers for the difficult resistance selection，control failure and impossible reactive-power support.The LVRT technology standards at home and abroad are summarized and the current research status of main LVRT technologies is analyzed. The characteristics of energy storage technology，as well as its topology and features in the applications of LVRT technology，are discussed.The development trend of LVRT technology based on energy storage technology is analyzed and prospected.
Key words：LVRT；energy storage；wind power；super capacitor；flywheel；superconductive magnetic energy storage；electric batteries；control
“压缩空气蓄能(CAES)+风电”国内外研究情况调研报告1. 国内外研究情况 1.1 国内调研情况： （1）调研数据库说明： 国内研究情况调研涉及数据库是：中国学术期刊全文数据库(CNKI) 。该数据库文献总量达七千多万篇。文献类型包括：学术期刊、博士学位论文、优秀硕士学位论文；期刊方面包含有目前国内的8000多种期刊的相关论文。可以涵盖本专业的主要出版物。 （2）调研结果： 检索词是：“压缩空气蓄能” 检索方案是：所有题目中包含“压缩空气蓄能”的学术期刊。 检索结果：共发现35篇相关论文报道。其中8篇属于新闻简讯，例如介绍了美国、德国新建了压缩空气蓄能电站等情况，不具有调研价值；3篇发表于1990年之前，均是对CAES 这种蓄能方式作最基本的简介；还有3篇属于外国文献的翻译，不属于国内研究范围之内；剩余的21篇论文研究内容大致如下图所示： 图1 国内关于CAES学术论文的研究内容分析 （3）调研结论： ①国内关于CAES的研究起步比较晚，目前尚处于起步阶段，大部分论文都属于综述性文献。 ②关于风电与CAES相结合的论文几乎没有，只有几篇文献中谈到了国外使用压缩空气蓄能解决风力发电缺陷。 ③国内目前对CAES研究较为深入的是华北电力大学的研究课题组，其中关于CAES 系统的分析、计算、集成优化以及经济性分析的6篇论文里，有5篇来自我校刘文毅老师和杨勇平老师，并在CNKI的被引用量和下载量方面处于绝对优势。 （4）21篇国内CAES相关论文： 1、尹建国,傅秦生,郭晓坤,郭新生；带压缩空气储能的冷热电联产系统的分析；热能动力工程，2006-3 2、郭新生, 傅秦生, 赵知辛, 郭中纬；电热冷联产的新压缩空气蓄能系统；热能动力工程，2005-3
华中科技大学 硕士学位论文 风力发电用储能系统的优化配置及其仿真研究 姓名：张琳 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：唐跃进 2011-05
摘 要 随着环境压力不断增加，新能源发电技术得到了广泛的发展和应用，其中风力发电技术在近几年发展尤为迅速。但由于自然风具有波动性与间歇性的特点，使得风电场输出功率不稳定。随着电力系统中风电装机容量的不断增加，由并网风电场带来的危害不容忽视。超导磁储能装置具有快速的响应速度和四象限独立控制有功功率和无功功率输出的特性，能有效增强风电场稳定性，克服自然风波动带来的危害。蓄电池储能装置存储容量大，技术成熟且价格低廉，能够有效增强电力系统供电可靠性，克服自然风间歇性带来的危害。 本文主要对超导磁储能装置增强风电场稳定性、蓄电池储能装置增强风电场供电可靠性进行了研究，并运用遗传算法优化设计了蓄电池储能装置的容量。通过仿真分析验证了有效性。 论文首先研究了风电并网存在的主要问题及储能装置在风电场中的应用现状，分析了储能装置增强风电场稳定性和供电可靠性的原理。在此基础上搭建了超导磁储能装置和蓄电池储能装置的数学模型，并运用遗传算法，以经济性指标为目标函数，给出了以求解蓄电池装置容量的适应度函数。 最后，在Matlab平台下，搭建了含风电场的电力系统模型，仿真分析了超导磁储能装置对于抑制风电场并网瞬间功率波动、风电场输出功率波动和风电机组三相短路故障的作用。利用Matlab遗传算法工具箱，对蓄电池储能装置容量进行了优化配置，仿真分析验证了蓄电池在增强风电场供电可靠性和增加经济效益方面的作用。 关键词：风力发电超导磁储能蓄电池储能遗传算法
压缩空气储能：高效率储能技术 2014-1-13 压缩空气储能电站（CAES）是一种用来调峰的燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机发电过程中，燃料的2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%，同时可以降低投资费用、减少排放。 值得注意的是，压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。不过，压缩空气储能电站的优势也非常明显，其储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。 尽管这种“压缩气体能源储备”的概念已经提出了30多年，但目前全世界仅有德国、美国两家压缩空气发电厂。 这两家发电厂分别创建于19世纪中后期和19世纪末。目前，两家压缩空气发电厂都运营正常。同时，美国艾奥瓦州正在建设全球第三家压缩空气发电厂，负责“艾奥瓦储备能源公园”(ISEP)项目设计工作的美国圣地亚国家实验室已经得到了来自美国能源部的资金支持，预计将于2012年投入运营。 据了解，艾奥瓦储备能源公园是一个压缩空气发电厂，该发电厂将充分利用艾奥瓦州丰富的风力资源作为发电厂的运行能源，存储容量可用于50小时发电。一旦该项目开始运营，其每年发电量将占艾奥瓦州用电量的20%左右，每年可以为艾奥瓦州节省大约500万美元的能源成本。 不过，建设压缩空气发电厂并非易事。建设的首要任务之一，就是必须找到一个支持空气压缩存储的地质空间，但这需要占用大面积土地，因此，选址也成为制约其发展的决定性因素之一。 尽管在压缩空气储能技术准备相关设施的时候产生很多费用，但是相关科学家还是认为这种形式的储存模式比制造电池便宜得多。另外，它的高容量和高效率已成为其区别于其他储能方式的决定性优势。
风力发电系统中储能技术的研究 发表时间：2018-09-17T15:37:22.667Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：张亚云[导读] 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。 北京天润新能投资有限公司西北分公司新疆乌鲁木齐 830000 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。因此，很多国家都很早就开始探索新能源，取得了很好的效果。在风力发电方面，风电高度随机，风电来源缺乏稳定性。这是使用风力发电的瓶颈问题。为了解决风力不稳定问题，必须采用储能技术来提高风力发电的稳定性和可靠性。 关键词：风力发电、储能技术、研究 引言：风力发电是将风能作为大规模清洁能源的最有效方式，它不仅可以改善能源结构，而且可以减少对环境的污染，因此，在日益突出的环境问题上，风电技术也得到了迅速发展。随着发展，大型和大容量风电场已在全球范围内投入生产，对于风力发电系统，储能技术的重要作用主要体现在以下几个方面：一是提高风电系统的稳定性，解决风能资源稳定性差的问题；其次，风力发电系统的稳定运行可以保证整个电网系统的稳定性，确保电力输出的稳定性，可以提供大规模的能源支持。最后，储能技术还可以确保电力系统中存储足够的电力，为人们提供持续，稳定的电力支持。 1储能技术的分类 储能技术主要包括四大类：电磁储能，物理储能，电化学储能和热能储存，电磁能量存储包括超导能量存储和超级电容器能量存储。物理储能包括抽水蓄能，压缩空气储能和飞轮储能，电化学储能包括储氢，液流电池。 1.1 电磁储能。超导储能技术主要是利用超导体制成的线圈来储存电网励磁产生的磁场，并将储存的能量在正确的时间送回电网。超导储能技术具有能量储存密度高，长期无损储能，能够快速释放能量，能够在大范围内独立选择，使用寿命长的特点，超导储能装置不受位置限制维护简单，污染低。当然，超导储能技术的缺点在于其成本高昂，超级电容储能技术是一种新型的储能装置。具有功率密度大，储能效果好，安装方便等特点，它是免维护的，可以单独使用或与其他储能装置组合使用。 1.2 物理储能。抽水蓄能主要用于在电力负荷低负荷期将水从下水库泵送至上池水库，将电能转化为重力势能，并在电网高峰负荷期间释放能量。到目前为止，抽水蓄能技术已被应用于最为成熟，是风电场储能方案的最佳应用。压缩空气储能主要利用电力系统负荷低时的剩余电量来驱动空压机，将空气压入大容量封闭的地下溶洞，并将压缩空气转化为压力势能储存在储气室。飞轮储能系统属于机械能方法。它主要将电能转换成飞轮在“充电”期间的动能并存储。当需要电力时，飞轮的动能转化为电能。储能方式不适合风电场。但是，它可以快速抑制风力发电的快速波动，因此可以与其他储能系统结合使用。 1.3 电化学储能。电化学储能技术包括氢燃料电池，全钒液流电池，铅酸电池，锂离子电池和钠硫电池。当风能无法充分利用时，氢燃料电池将这些多余的能量转化为氢气用于储存。氢燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，全钒液流电池是液流电池发展的主流。该技术可以达到兆瓦级水平，因此主要用于大型风电场。铅酸蓄电池在储能技术上更加成熟，历史悠久。产品主要密封，免维护，储能容量可达20MW。与其他储能技术相比，铅酸蓄电池的制造成本更低，可靠性更高，能量密度适中，是电力系统中应用最广泛的蓄电池。锂离子电池是磷酸铁锂电池发展的主流，其成本较低，且环境小，因此风电的应用前景广阔。钠液流电池是当前报告的大容量蓄电池，具有良好的发展前景。 2风力发电的储能技术的研究现状 2.1低电压穿透能力在风电系统中的提高。风电技术中低压普及的发展一直是关键因素，对于系统稳定系统而言，这也是风力发电技术发展中的重要挑战之一。从两个级别的风力涡轮机和风力农场工作是一种改善低电压穿透的方法，有两种方法可以提高风机工作水平低压的渗透率：首先，改进控制方法，其优点是不需要添加其他附加设备，因此该方案实施起来更简单；缺点是电网故障引起的暂态能量不平衡，改进后的方案不能从根本上解决瞬时能量不平衡问题，难以达到预期的效果。其次，添加硬件设备。优点是有很多方法来实现这种方法；缺点是附加成本会显着增加。增加硬件设备是风电场故障穿越能力的有效方法。 2.2平衡抑制风力发电产生功率的波动。风电出力波动是电网稳定，电能质量和经济动员的根本原因之一，因此，在使风力发电系统发挥作用的情况下，需要将不确定风速的变化对风力发电系统的输出的影响抑制为最小限度，并且控制风力发电的输出的功率的变化通过合理引入ESS并制定相应的控制策略。为了达到上述目的。通过大量的研究，可以看出，对于风电的波动，ESS可以用来稳定风电机组和风电场的风电波动。从其独立的角度来看，超级电容器与风力发电系统中的独立DC并行使用。在母线上，为抑制风电机组功率的波动，采用模糊理论对现象进行调节和控制。通过实验验证，风力发电系统中风力涡轮机的预测可能在很大程度上干扰了拟议策略的实际控制结果。风力发电系统中的大型风电场的单个单元受到塔阴影效应和尾流效应的影响。预测风力发电机的输出量非常困难，实际实施起来非常困难。因此，在风电场层面，在上述中，在用于存储能量的装置中，选择并联连接的方法以连接到DC总线，同时，该方法通过测试和检验是可行的。 3储能技术在风力发电系统中的应用 3.1储能设备的接入。储能技术在风力发电系统中的应用，可以提高整个系统的稳定性，降低电力公司的投资成本，为公司带来更大的经济效益，为此，我们必须积极开发和应用有效的储能技术。如果要采用储能技术，首先要连接储能设备，使储能设备成为风电系统的重要组成部分。在获取之前，要充分了解当地风资源的特点，必须明确电力公司自身的情况和条件，根据实际需要选择不同的储能装置，以预留多余的风资源，提高稳定性的电力系统，风资源不足时投入使用，实现电能的稳定输出。 对于风力发电系统的储能技术，可根据结构形式的差异对储能技术进行合理分类。具体而言，根据不同的储能结构，储能技术可分为分布式和集中式两种。首先，分布式储能设备安装在风力涡轮机的位置，每台发电机安装储能设备以确保稳定供电。虽然这种方法能够有效提高供电质量和水平，但也存在一些不可避免的缺陷：但是，使用这种技术会增加能源的能量，必须使用先进的转换器和储能装置来满足需求，许多电力公司在这方面不具备条件，这也限制了这项技术的进一步推广。 3.2分布式储能技术的应用。在风力发电系统中，存在直流环节，如果您想使用分布式储能技术，则需要连接直流母线和电容。如果风力不够，可以使用储能设备补充直流母线和直流侧变速器的功率，然后通过变流器传输到电网，从而提高系统的稳定性。如果风电上升，剩余的能源也可以送到直流侧，这些电能可以传输到储能装置，充分利用电能资源。
低电压穿越和电力系统稳定性 风力发电能够顺利地并入一个国家或地区的电网，主要取决于电力系统对供电波动反映的能力。风电机组由于风的随机性，运行时对无功只能就地平衡等原因将对电网造成一定的影响。在过去，我国风力发电所占电力系统供电的比例不大，大型电网具有足够的备用容量和调节能力，风电接入，一般不必考虑频率稳定性问题，当电力系统某处发生电压暂降时风力发电机可以瞬间脱网进行自我保护。但对于先如今，我国风力资源的不断开发。风力发电所占我国电网供电的比例与日俱增就不得不考虑电网电压暂降时风力发电机组脱网给电力系统所带来严重的影响系统的稳定运行这时就需要风电机组具有低电压穿越能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。 电压暂降：供电电压有效值供电电压有效值突然将至额定电压的10%~90%。然后又恢复至正常电压，这一过程的持续时间为10ms~60s。 低电压穿越，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持电压跌落会给电机带来一系列暂态过程, 如出现过电压、过电流或转速上升等, 严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列, 并不考虑故障的持续时间和严重程度, 这样能最大限度保障风机的安全, 在风力发电的电网穿透率(即风力发电占电网的比重) 较低时是可以接受的。然而, 当风电在电网中占有较大比重时, 若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列, 则会增加整个系统的恢复难度, 甚至可能加剧故障, 最终导致系统其它机组全部解列, 因此必须采取有效的措施, 以维护风场电网的稳定。 电网发生故障(尤其是不对称故障) 的过渡过程中, 电机电磁转矩会出现较大的波动, 对风机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风机的运行和寿命。定子电压跌落时, 电机输出功率降低, 若对捕获功率不控制, 必然导致电机转速上升[5～7]。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下, 即使故障切除, 双馈电机的电磁转矩有所增加, 也难较快抑制电机转速的上升, 使双馈电机的转速进一步升高,吸收的无功功率进一步增大, 使得定子端电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复, 严重时可能导致电网电压无法恢复, 致使系统崩溃[9, 10] , 这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。
3、液态空气储能发电的原理、优缺点、发展环境 （1）原理： 液态空气储能系统的原理是利用价格低廉的谷电，CryoEnergy System吸收环境中的空气，然后将其冷却直至其成为液体，然后存储与低温达-196摄氏度的储藏罐中。用电高峰时再从罐中释放液态空气并升压升温，推动汽轮机发电。从而实现谷电峰用。 具体操作步骤： 1）液化过程。电网夜间富余的电能驱动液化空气装置，使环境中的空气先洁净再压缩，然后通入到换热器中与气液分离器返回的冷空气和蓄冷装置中的冷空气进行换热冷却。被冷却的冷空气依次通过膨胀机和节流阀，降温降压，一部分被冷凝为液体，一部分仍为气体，最后在气液分离器中被分离。从气液分离器上端口出来的冷空气返回到换热器中冷却被压缩机压缩后的空气。 2）能量存储过程。经气液分离器分离后的液态空气从气液分离器下端口流到液化空气储罐中储存，液化过程中消耗的大部分电能被转化成了液态空气的冷能。 3）电力恢复过程。低温储罐中液态空气被引出，经低温泵加压后送入气化换热器中吸热气化。被气化的空气再通入热交换器中，被进一步加热升温、升压。从热交换器中出来的高压气体通到透平中做功，透平与发电机相连，带动发电机旋转发电。 从透平里出来的高温空气依次经过热交换器和气化换热器被冷却，然后流到蓄冷装置中与换热器里被压缩机压缩后的空气换热。因为液态空气的沸点比较低，所以在电力恢复过程中供应给热交换器里低温空气的热量可以是来自于液化过程中的废热或外部环境的热量。 把这个设备建在工厂或电站附近，利用里面的废热加热液态空气，效率可以达到70%。
（2）优缺点：液化空气储能技术的存储容量可达到10～200 MW，相当于大型压缩空气储能容量的一半。可液化空气储能技术的比能为214 Wh/kg，相当于大型压缩空气储能技术的四倍。液化空气储能技术储能的持续时间可达12 h以上，使用寿命为25年，相对较高。液化空气储能的效率为55%～90%，其效率值与整个系统能量能否充分利用息息相关。为了提高液化空气储能系统的效率，就需要选择合适的液化空气储能装置，尽量减少装置运转过程中不必要的能量损失。对于液化过程中产生的废热可以用于电力恢复过程中加热液态空气，使能量得到充分利用，提高了整个循环的效率。对于液化过程用于加热液态空气的热量也可以是环境中的热量和工业中产生的废热。同理，还可以将液态空气气化产生的冷量应用于储能过程中对气态的空气进行预冷，同样也可以提高液化空气储能系统的效率。 （3）我国的发展现状：由中国科学院理化技术研究所、清华大学及中国电力科学研究院共同研制的“500kW非补燃压缩空气储能发电示范系统”在安徽芜湖成功实现励磁发电，完成100kW发电的阶段目标。此次系统发电成功，标志着理化所在大规模储能技术领域的一项重要突破，对推进我国储能产业的发展具有重要意义。 压缩空气储能系统具有储能容量大、电能转换效率高、安全可靠、环境友好等特性，被视为继抽水蓄能电站之后又一种极具潜力的大规模储能系统，其在智能电网建设、大规模可再生能源接入、电网负荷调节以及保障电力系统安全性等方面，具有极大的应用前景。但是目前常规压缩空气储能系统采用燃料补燃的形式，存在系统储能效率偏低、补燃产生排放污染等问题，阻碍了技术的推广应用。 为获得高效、环保的压缩空气储能新流程，中科院理化所、清华大学和中国电力科学研究院在国家电网“压缩空气储能发电关键技术及工程实用方案研究”科技项目的支持下，组建了以理化所热力过程与节能技术研究中心主任王俊杰研究员为首的研究团队，对压缩空气储能系统所涉及的众多研究领域基础问题、关键设备和关键技术进行了系统和深入的研究，创新性地提出了基于双作用和自卸荷的非稳态压缩、热量梯级存储回馈、多级再热膨胀等流程方案。该项目的顺利实施，为发展更大规模绿色化储能系统奠定了坚实的技术基础。
低电压穿越：当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。 低电压穿越 英文:Low voltage ride through 缩写: LVRT 低电压穿越（LVRT），指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持 低电压穿越 并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。LVRT是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家(和地区)所
基本要求 对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省（区域）级电网，该电网区域内运行的风电场应具有低电压穿越能力。 风电场低电压穿越要求 右图为对风电场的低电压穿越要求。 a) 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力； b) 风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。 不同故障类型的考核要求 对于电网发生不同类型故障的情况，对风电场低电压穿越的要求如下： a) 当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。 b) 当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。 c) 当电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各相电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证
风电机组低电压穿越能力一致性 评估方法（暂行） 国家风电技术与检测研究中心 2011年11月
目录 1 概述 (1) 2 评估流程 (1) 3 书面材料 (2) 4 现场检查 (3) 4.1 工厂检查 (4) 4.2 风电场检查 (4) 5 平台测试 (4) 5.1 变桨系统平台测试 (4) 5.2 发电机平台测试 (7) 6 模型仿真 (8) 7 其他情况 (9) 8 评估报告及证书 (9)
1 概述 本文件将同一制造商生产的基于相同的类型、设计和容量等级，仅零部件配置不同的风电机组，视为是同系列风电机组。 为了简化同系列风电机组并网检测，按照关键零部件对各项检测内容的影响程度，将风电机组并网检测分为现场测试和评估两种方式，如表 1所示。 表 1 风电机组并网检测与评估 ①电能质量 ②功率调节 ③低电压穿越 ④电网适应性 1.主控制系统 测试 测试 测试 测试 2.变流器 测试 测试 测试 测试 3.发电机 测试 测试 评估 评估 4.叶片 测试 评估 评估 评估 5.变桨系统 评估 评估 评估 评估 本文件规定了某一型号风电机组通过低电压穿越特性检测后，在容量不变或降容使用的情况下，同系列其他型号的风电机组，即风电机组在主控制系统和变流器不变的情况下发电机、变桨系统、叶片中任一变化后的低电压穿越性能评估方法和流程。 除表1中所列部件之外的零部件发生变化的，不需要进行测试和评估确定低电压穿越特性。 2 评估流程 同系列风电机组中的某一机型通过低电压穿越特性检测且满足标准要求后，可以通过提供书面材料、现场检查、平台测试、模型仿真的方式，对其他机型的低电压穿越特性进行评估。同系列风电机组低电压穿越特性评估证书出具的完整流程如图 1所示。流程通过后，可以申请评估机构出具的最终评估报告及证书。
2009年中国电机工程学会年会 风电功率波动平抑效能与储能容量之间关系的分析 研究 宇航，张真卿，苑田芬，黄亚峰 （东北电力大学，吉林吉林 132012） The relationships between the efficiency of stabilizing wind power fluctuations and capacity of storage system YU Hang,ZHANG Zhenqing,YUAN Tianfen,HUANG Yanfeng (Northeast Dianli University,Jilin 132012,JilinProvince,China) abstract: This paper takes the relationships between the efficiency of stabilizing wind power fluctuations and capacity of storage system as research objectives while proposing the methods of stabilizing wind power fluctuations and the algorithms of calculating the storage system capacity based on the principles of low-pass filter.Then simulating the process of stabilizing power fluctuations based on the output power data. The simulation results show that stabilizing the short-tem fluctuations in minutes level could reduce the change rate of wind farm output power and the needed storage capacity is smaller, while stabilizing the mid-tem or long-tem fluctuations in hours level could make the waves of output power more stably but the increase amplitude of the needed storage capacity is larger. keywords：storage system；wind power fluctuations；low-pass fliter 摘 要：本文以风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系为研究目标，提出了基于低通滤波原理的风电功率波动储能平抑方法及满足平抑过程能量需求的储能容量算法，根据风电场实际输出功率数据对功率波动平抑过程进行仿真。研究结果表明，滤除风电功率的分钟级短期波动，可明显减小风电场输出功率的变化率，而且所需的储能容量较小，滤除风电功率的小时级甚至一天的中、长期波动，虽然可以使风电场输出功率更加平稳，但所需储能容量增幅很大。 关键字：储能；风功率波动；低通滤波 0 引言 随着能源和环境问题的日益突出，作为一种新型的可再生能源，风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点，越来越受到人们的重视。近年来我国风电得到较快发展，截止到2008年底，装机容量达到892万千瓦，预计在2020年，我国风电累计装机可以达到1亿千瓦。 风电机组输出功率取决于风速，具有不可预期性和波动性。当电网所接纳的风电容量超过一定份额时，风电功率波动将增加电网运行调整负担[1]，因此，对于大型风电场往往需要限制其输出功率的波动，如中华人民共和国国家标准化指导性文件GB/Z 19963-2005中对风电场输出功率变化率作出了明确的规定[2]。 在风电场出口处安装储能系统是减小风电场输出功率变化率的理想途径[3-4]，当储能系统容量足够大时，可以利用储能系统对风电功率波动进行有效调控，使风电场成为可调度电源。然而，由于储能系统成本往往比较昂贵，实际上只能利用有限容量的储能系统来优化风电场的功率输出，风电场输出功率的可控程度与所配置的储能容量密切相关。因此，分析风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系是风电控制领域前沿的研究课题之一。 本文提出了一种利用储能系统抑制风电功率变化率的方法以及满足平抑过程能量需求的储能容量算法，以某额定容量为50MW的风电场为例，根据其实际输出功率数据对功率波动平抑过程进行仿真，验证该平抑方法的有效性，分析风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系，为风电场通过配置储能系统平抑风电功率波动提供有效的参考。 1 基于低通滤波原理的风电功率波动储能平抑方法 应用储能系统平抑风电功率波动的原理如图1
压缩空气储能电站的市场前景 更新：2011-01-23 15:12:29 作者：escn来源：中国储能网点击：442次 压缩空气蓄能电站是一种新的解决方案 世界电力供应系统正趋向跨地区或全国联网，甚至跨国联网，实行全天候供电。然而供电与用电总是不匹配，尤其在深夜，过剩电力“大放空”几乎无法避免。为改变这个局面，人们殚思竭虑地寻找蓄能“蓄电”方法。比如蓄电池组、机械飞轮、超级电容器堆、超导磁储电，等等。终因效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大等，难以运作。 目前已经广泛采用的是抽水蓄能电站和压缩空气蓄能电站。我国已建成投产的有：浙江安吉天荒坪电站、广州（从化）抽水蓄能电站。天荒坪电站，2000年建，至今已成功运行6年，装机容量为180万KW，年发电量31.60亿KW·h，总投资63亿人民币，在调荷和回收电能方面发挥了重要功能。 压缩空气蓄能电站是一种新型蓄能蓄电技术。早在1978年，德国建成世界第一座示范性压缩空气蓄能电站获得成功，紧跟其后的是美国、日本和以色列，都已建成使用，我国有识之士早已呼吁多年，但尚未引起决策者响应。而国外的实践告诉我们，这确实是一个新的解决方案。压缩空气蓄能发电技术具有显著的比较优势和市场前景，请看压缩空气蓄能电站与抽水蓄能电站对比分析： 1．建电站地理条件要求
抽水电站：建站地理条件要求苛刻，上水库建在面积较大的山顶上，高度、面积、地质结构要求严格。下水库占地面积也大。并且水源、道路交通都有特定要求。 压气电站：无特定地理要求，山洞、山脚、荒滩、废矿井，甚至海滩、海底都可以，储气库深埋地下，几乎不占用土地。 抽水电站：装机容量180万KW，投资额65～90亿元，建设周期6～8年。3611-5000元/kw 压气电站：装机容量180万KW，投资额55～60亿元，建设周期3～5年。3056-3333元/kw 3．建站占地面积与工程量 抽水电站：建站占地4000～5000亩，工程量包括上下两个水库、引水管、导流管、盘山公路、引水渠等等。 压气电站：占地少，厂房及设施只需占地10亩。储气库深埋地下，地面可以种农作物。 4．运行效率与成本 抽水电站：能量转换效率70～73%，水资源成本需支付费用，并需连续补充失耗的水量。 压气电站：能量转换效率达到77～90%，空气不要付费，使用中没有“相变”能量损失。 5．安全性 抽水电站：地震、滑坡、暴风雨、泥石流、岩石风化、坝体开裂、热胀冷缩破裂等等都存在风险。
简述风电机组低电压穿越技术要求及 实现方式 （赵矛） 发生在今年的多次风电机组大范围拖网问题引起了电 力行业对于风力发电的稳定性和安全性的重点关注。2月24日，中电酒泉风电公司桥西第一风电场出现电缆头故障，导致16个风电场598台风电机组脱网。国家电监会认为此次事故是近几年中国风电“对电网影响最大的一起事故”；4月17日，甘肃瓜州协合风电公司干河口西第二风电场因电缆头击穿，造成15个风电场702台机组脱网。同日，在河北张家口，国华佳鑫风电场也发生事故，644台风电机组脱网；4月25日，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网。关于事故的原因，主要矛头直指很多风电机组不具备低电压穿越能力。这轮事故频发的几大风电基地更是被指70%的机组不具备低电压穿越能力。本文对风电机组的低电压穿越进行简述。 当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。风电机组应该具有低电压穿越能力，而对于风
电机组的低电压穿越能力具体技术要求指标如下： a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力； b）风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行； c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。 风电机组低电压穿越能力的深度对机组造价影响很大,这也是之前很多机组不具备低电压穿越能力或者低电压穿越能力技术指标不能达标的原因。通过此次大范围的风电机组拖网事故表明根据实际系统对风电机组进行合理的低电压穿越能力设计很有必要。 结合此轮事故的调查，及行业内通过对变速风电机组低电压穿越原理进行理论分析,对多种实现方案进行比较。在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/PowerFactory中建立双馈变速风电机组及电压穿越功能模型。详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,依据不同的风电场接入方案计算风电机组电压穿越能力的电压限值,对风电机组进行合理的电压穿越能力设计等多种技术手段及分析。结果表明,风电机组电压穿越能力的深度主要由系统接线和风电场接入方案决定。设计风电机组电压穿越能力时,机组运行曲线的电
国际电力储能技术分析——压缩空气储能 （一）技术原理 传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术的储能系统。其工作原理是，在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室燃烧，然后驱动透平发电，如图3所示。传统压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高和投资相对较小等优点。但是，传统压缩空气储能系统不是一项独立的技术，它必须同燃气轮机电站配套使用，不能适合其他类型电站，特别不适合我国以燃煤发电为主，不提倡燃气燃油发电的能源战略。而且，传统压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，面临化石燃料价格上涨和污染物控制的限制。此外，同抽水蓄能电站类似，压缩空气储能系统也需要特殊的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等。 （二）关键技术 压缩空气储能系统的关键技术包括高效压缩机技术、膨胀机技术、燃烧室技术、储热技术、储气技术和系统集成与控制技术等。压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统核心部件，其性能对整个系统的性能具有决定性影响。尽管压缩空气储能系统与燃气轮机类似，但压缩空气储能系统的空气压力比燃气轮机高得多。因此，大型压缩空气储能电站的压缩机常采用轴流与离心压缩机组成多级压缩、级间和级后冷却的结构形式；膨胀机常采用多级膨胀加中间再热的结构形式。相对于常规燃气轮机，压缩空气储能系统的高压燃烧室的压力较大。因此，燃烧过程中如果温度较高，可能产生较多的污染物，因而高压燃烧室的温度一般控制在500oC以下。压缩空气储能系统要求的压缩空气容量大，通常储气于地下盐矿、硬石岩洞或者多孔岩洞，对于微小型压缩空气储能系统，可采用地上高压储气容器以摆脱对储气洞穴的依赖等 （三）应用现状 目前，世界上已有两座大型压缩空气储能电站投入商业运行。第一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站，目前仍在运行中。机组的压缩机功率60MW，释能输出功率为290MW，系统将压缩空气存储在地下600米的废弃矿洞中，矿洞总容积达3.1×105 m3，压缩空气的压力最高可达100bar。机组可连续充气8小时，连续发电2小时。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次，平均启动可靠性97.6%。第二座是于1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站。其地下储气洞穴在地下450米，总容积为5.6×105m3，压缩空气储气压力为7.5MPa。该储能电站压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。 美国Ohio州Norton从2001年起开始建一座2700MW的大型压缩空气储能商业电站，该电站由9台300MW机组组成。压缩空气存储于地下670米的地下岩盐层洞穴内，储气洞穴容积为9.57×106m3。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目，位于北海道空知郡，输出功率为2MW，是日本开发400MW机组的工业试验用中间机组。它利用废弃的煤矿坑（约在地下450m处）作为储气洞穴，最大压力为8MPa。瑞士ABB公司（现已并入阿尔斯通公司）正在开发联合循环压缩空气储能发电系统。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。 我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚，但随着电力储能需求的快速增加，相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视。中科院工程热物理研究所、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学等单位对压缩空气储能电站的热力性能、经济性能、商业应用等进行了研究，但大多集中在理论和小型实验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。我所正在建设1.5MW先进压缩空气储能示范系统。（四）发展趋势 压缩空气储能技术的主要发展趋势包括带储热的压缩空气储能技术、液态空气储能、超临界空气储能技术、与燃气蒸汽联合循环的压缩空气储能技术、与可再生能源的耦合的压缩空气储能技术等。
风能与储能技术 风电是我国唯一已经被大规模开发利用的可再生能源。2010年底，我国风电装机总容量达到4473.3万千瓦，超过美国成为世界第一，风电并网容量也达到了2956万千瓦，十二五末总装机容量达到1亿千瓦。但是由于风力发电固有的间歇性和波动性，风电大规模接入电网必然会使电网的可靠性降低，从而影响电网的调度和运行方式，现阶段的情况是风电场的建设速度已经超出了电网的接受能力，出现了一些风电场弃风，因此如何让电网大规模的接受风电成为我国风电发展的关键因素。使用储能技术以抵消风电的间歇性与波动性是一种有效的方法。 一、能源发展趋势 人类的能源利用从最初的薪柴时代到后来的煤炭时代，再到现在的油气时代的演变，总量不断增长，同时能源结构也在不断变化。而每次生产力的巨大飞跃都和是能源的变迁离不开，可以说能源极大地推动了人类经济社会的发展。但是，伴随着人口的剧烈增长，而传统的化石能源是有限的，以至于现在人类经济和社会发展受能源的制约越来越明显。众所周知，我们现在消耗的，主要是地球上千万年来存储下来的化石能源，是不可再生的能源，而且正面临耗竭的危机，下图是传统化石能源开发利用的年限,由图1可以看出油气的使用年限为40-60年。 图1 BP 2011世界化石能源开采年限统计 如今谁也无法否认高油价时代已经到来，而传统化石能源给中国带来的污染问题更已让中国经济的发展蒙上了另一层阴影。中国经济如果无法摆脱高能耗高
污染的惯性，那么未来之路将充满变数。正是在这样的背景下，通过风能、生物 质能、太阳能等绿色能源来解决问题已成为中国经济发展不可避免的现实，同时 国家也在加快智能电网建设。 二、新能源发展迅速 相比与传统的化石能源，新能源具有绿色无污染的特点，所以世界各国都在 大力发展清洁的新能源技术。特别是近年来新能源的发展十分迅速。 来自《BP2011世界能源统计年鉴》的信息表明，2010年世界消费的能源强 劲增长，其中新能源较常规化石能源更是实现了大幅增长，生物燃料增长了 13.8%，，风能发电量持续强劲增长（+22.7%），而风能增长由中国和美国带动， 两者风能发电量增长总和差不多占全球增长的70%，在此带动下用于发电的可再 生能源总体增长15.5%，如下图2，这些类型的可再生能源占全球能源消费的比 例从2000年的0.6%上升至1.8%。 图2 2010年世界消费的各种能源增长率 三、风能 当前全球风电发展迅速，据资料显示，全球风电总装机自1997年至2008 年，年均增长30%，而中国同期增长更快，约50%（表1），尤其是近期，增长 更快，仅仅内蒙地区，2010年底总装机量就达到1000万千瓦。 表1 1997-2008全球和中国风电装机容量演变表（单位GW） 年份1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 全球总装机容量7.6 10.2 13.6 17.4 23.9 31.1 39.4 47.6 59.1 74.2 93.9 120.8 新装机容量 1.5 2.5 3.4 3.8 6.5 7.3 8.1 8.2 11.5 15.2 19.9 27.1 中国 总装机容量0.17 0.22 0.27 0.34 0.10 0.47 0.67 0.76 1.26 2.6 5.9 12.21 新装机容量0.11 0.06 0.04 0.08 0.06 0.07 0.19 0.20 0.50 1.34 3.30 3.6 作为风力发电行业最权威的中文媒体期刊《风能世界》杂志预测：到2020 年风能将成为世界最重要的能源力量。
大型并网风电场储能容量优化方案 2012-08-17 00:00 原文链接 为减少大型并网风电场输出功率不稳定给系统频率造成的较大影响，在Matlab平台中仿真了风电机组输出功率随风速变化的规律，以风电机组输出功率特性函数和风电场风速概率分布函数为基础，提出了一种计算大型风电系统长时间稳定输出所需储能容量的方法，并用实际风电场数据验证了该方法的有效性，以期为风电场设计提供决策参考。 0 引言 风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式。风力发电作为一种特殊的电力，其原动力是风。自然界风的变化是很难预测的，风速和风向的变化影响着风力发电机的出力。风力发电机输出功率的不稳定性使风力发电具有许多不同于常规能源发电的特点。大规模风电场并网对系统稳定性[1-2]、电能质量[3-6]的影响不容忽视，如果这些问题得不到适当的处理，不仅会危及负荷端用电，甚至可能导致整个电网崩溃，而且会制约风能的利用，限制风电场的规模。 我国《可再生能源发展“十一五”规划》[7]指出，在“十一五”期间全国将重点建设约30 个10万kW以上的大型发电场和5个百万kW 级风电基地。大型风电并网将对电网运行的稳态频率产生一定影响。风电场优化输出[8]是保证电网频率稳定的重要技术问题。 文献[9]用飞轮储能系统来实现风电机输出功率补偿，具有储能密度大、充放电速度快且无环境污染的优点。 文献[10]仿真研究了串并联型超级电容器储能系统对平滑风力发电系统输出功率的影响，具有高功率密度、高充放电速度、控制简单、转换效率高、无污染等特点。 文献[11]研究了电池储能系统(battery energy storage system，BESS)在改善并网风电场电能质量方面的应用情况，具有快速的功率吞吐率和灵活的4 象限调节能力。 文献[12-14]对超导储能装置(superconducting magnetic energy storage，SMES)在并网型风力发电系统中的应用作了深入研究，发现超导储能系统具有良好的动态特性、4 象限运行能力和无损储能等优势。 储能技术在并网风电场中的应用已被广泛研究，相关学者正努力攻克大容量储能技术，并不断降低单位储能成本。目前，容量为5GW.h 的SMES已通过可行性分析和技术论证[1 5]。不过，按现有的储能方式，即风力发电机始终以最大功率点跟踪(maximum power poi nt tracking，MPPT)方式运行，当负荷较轻(如夜间)时，部分电能被储存，当负荷重且遇到弱风时，储能设备中的能力被转换成电能进行补偿，这时因为电网负荷的波动特性往往并不与风电功率的波动特性一致，仍存在如何合理选取储能容量大小的问题。另一种办法是降额发电，即在正常情况下，风电场不按照最大功率点跟踪的方式运行，而是按最大功率的一定百分比发电，当风力下降或上升时，相应地提升或降低发电能力，以减缓发电量的随机波动。这种方法直接影响了风能利用的效率，大大降低了运营利润，且调节能力有限。
浅谈风电场低电压穿越技术 摘要：低电压穿越能力：是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网， 对过电压、过电流进行抑制技术，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢 复正常，从而“穿越”这个低电压时段。 关键词：浅谈；风电场；低电压；穿越技术 一．规程与标准 根据《国家能源局关于加强风电场并网运行管理的通知》（国能新能【2011】182号），风电机组应严格按照《风电机组并网检测管理暂行办法》的要求，具 备低电压穿越的能力，并通过有关机构的检测认证；对于风电装机容量占其他电 源总容量比例大于5%的省（区域）级电网，该电网区域内运行的风电场应具有 低电压穿越能力。《风电场接入电力系统技术规范》（GB/T 19963—2000）中对 风电场低电压穿越能力的基本要求： （1）风电场内的风电机组具有并网点电压跌至20﹪额定电压时能够保证不 脱网连续运行625ms的能力。 （2）风电场发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90﹪时，风电场内的风 电机组能够保证不脱网连续运行。 二.发生低电压穿越的原因 针对电网故障引起的故障，通常可以分为电网单相接地故障、电网两相接地 故障、电网两相相间短路故障以及电网三相相间短路故障引起的电压跌落，根据 电力系统运行经验表明，在各种类型的电网故障中，单相接地故障占大多数，容 易引起不对称故障电路，而对于我们风力发电场，除了考虑电网电压的波动，还 应该分析风电场集电线路和风机所对应的箱变等可以引起风电机组网侧电压波动 的因素。 三．永磁同步风力发电机组实现低电压穿越的原理 1. 永磁直驱同步风力发电系统 永磁直驱同步风力发电系统是一种新型发电系统，采用风轮直接驱动多极低 速永磁同步发电机发电，然后通过全功率变流器变换电路，将电能转换后并入电网。 2.全功率变流器 全功率变流器是由发电机侧变流器和网侧变流器两个三相PWM电压型变流 器构成，发电机侧变流器实现对永磁同步发电机的控制，网侧变流器实现输出并网，输出有功、无功功率的解耦和直流侧电压控制，永磁直驱同步风力发电系统 依靠全功率变流器实现高性能控制。 风电机组利用背靠背全功率变流器实现隔离，低电压运行能力上相对双馈型 风力发电机组有一定优势，但是其直流侧也会存在过电压的问题，当电网电压跌 落时，永磁直驱风力发电机组变流器将增加电流，以便提供同样大小的功率给电网，由于变流器的热容量有限，因此必须对输入电流进行限制。 3.关于耗能Crowbar电路的低电压保护方案 风电机组的卸荷电阻通过功率器件与直流侧相连，当系统正常工作时，保护 电路不起作用，当电网电压发生电压跌落故障时，如果风电机组保持正常运行， 那么直流侧输入功率不变，而输出功率随电网电压的跌落而降低，直流侧输入功 率大于输出功率，如果直流侧不采取措施，将导致直流侧电压上升，导致变流器 损坏，为了消除电网短路时故障对风电机组的影响，在直流侧增加了Crowbar电