第一篇：儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用（寫寫幫推薦）

儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用.txt和英俊的男人握握手，和深刻的男人談?wù)勑模统晒Φ哪腥硕嘟涣?，和普通的男人過日子。本文由liuxycn貢獻

doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要： 闡述了儲能技術(shù)的原理和特點，具體介紹了飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、蓄電池儲能和超級電容器儲能在 風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用；分析了各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景；指出了混合式儲能技術(shù)是最可行的方 案；介紹了功率轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和最優(yōu)化控制技術(shù)的進展。關(guān)鍵詞： 風力發(fā)電系統(tǒng)；儲能技術(shù)；功率轉(zhuǎn)化系統(tǒng) 中圖分類號： TM614； TK82 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-5292（2009）06-0010-06 0 引言 根據(jù)新能源振興規(guī)劃，預(yù)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(wǎng)運行的現(xiàn)實及大規(guī)模開發(fā)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(fā)電技 術(shù)的重要發(fā)展方向。把風力發(fā)電技術(shù)引入儲能系統(tǒng)，能有效地抑制風電功率波動，平滑輸出電壓，提高電 能質(zhì)量，是保證風力發(fā)電并網(wǎng)運行、促進風能利用的關(guān)鍵技術(shù)和主流方式。隨著電力電子學、材料學等學科的發(fā)展，高效率飛輪儲能、新型電池儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器儲能等 中小規(guī)模儲能技術(shù)取得了長足的進步，拓寬了儲能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在風力發(fā)電中起到了重要作用。儲能系統(tǒng)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(zhuǎn)換系 統(tǒng)（PCS）。儲能裝置主要實現(xiàn)能量的儲存和釋放；PCS 主要實現(xiàn)充放電控制、功率調(diào)節(jié)和控制等功能。1 儲能技術(shù)的分類和特性 儲能技術(shù)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(dǎo)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(tǒng) 飛輪儲能（FESS）是一種機械儲能方式，其基本原理是將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)促進了儲能飛輪 的發(fā)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(huán)使用壽命長 達 20 a，工作溫區(qū)為-40~50 ℃，無噪聲，無污染，維護簡單，可連續(xù)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(xù)時間為數(shù)分鐘乃至數(shù)小時。飛輪儲能主要用于不間斷電源（UPS）/應(yīng)急電源（EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制，國外不少科研機構(gòu)已將儲能飛輪引入風力發(fā)電系統(tǒng)[3]。文獻[4]利用飛輪儲能電池取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機和蓄電池來充當孤島型風力發(fā)電系統(tǒng)中的電能調(diào)節(jié)器和 儲存器，建立了系統(tǒng)的電流前饋控制數(shù)學模型，實驗結(jié)果表明，這一方法能有效地改善電能質(zhì)量，解決 風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)全程調(diào)峰，飛輪機組的發(fā)電功率為 300kW，大容量 儲能飛輪的儲能為 277 kWh，風力發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出性能及經(jīng)濟性能良好。中國科學院電工研究所已經(jīng)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(fā)電功率 10 kW 的準磁懸浮飛輪儲能裝置。飛輪儲能技術(shù)正在向大型機發(fā)展，其難點主要集中在轉(zhuǎn)子強度設(shè)計、低功耗磁軸承、安全防護等方面。1.2 超導(dǎo)儲能系統(tǒng) 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）利用由超導(dǎo)線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來，需要時再將 儲存的能量送回電網(wǎng)。超導(dǎo)儲能技術(shù)的優(yōu)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(zhuǎn)換，響應(yīng)速度快（ms 級），轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率，可實現(xiàn)與電力系統(tǒng) 的實時大容量能量交換和功率補償。20 世紀 90 年代，在 超導(dǎo)儲能技術(shù)已被應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)[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(dǎo)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(dǎo)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(wěn)定性方面具有優(yōu)良的性能。SMES 的發(fā)展重點：基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體，研發(fā)適于液氮溫區(qū)運行的 MJ 級系統(tǒng)； 解決高場磁體繞組力 學支撐問題；與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進一步降低投資和運行成本； 結(jié)合實際系統(tǒng)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(shù) 蓄電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS）主要是利用電池正負極的氧化還原反應(yīng)進行充 放電，一般由電池、直—交逆變器、控制裝置和輔助設(shè)備（安全、環(huán)境保護設(shè)備）等組成。目前，蓄電池 儲能系統(tǒng)在小型分布式發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)所使用化學物質(zhì)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(yīng)用在儲能方面的歷史較早，技術(shù)較為成熟，并逐漸以密封型免維護產(chǎn)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(gòu)造成本低，可靠性好，技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于電力 系統(tǒng)?；诿芊忾y控型的鉛酸電池具有較高的運行可靠性，在環(huán)境影響上的劣勢已不甚明顯，但運行數(shù) 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(yīng)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(jié)構(gòu)堅固、充放循環(huán)次數(shù)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(zhì)，正常使用過程中不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)。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(huán)境友好，但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，系統(tǒng)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(shù)難度和 生產(chǎn)維護成本使這種電池在短期內(nèi)很難在電力系統(tǒng)中規(guī)?；瘧?yīng)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(huán)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(tǒng)。

（4）鈉硫電池 鈉硫和液流電池被視為新興、高效、具廣闊發(fā)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(xiàn)商業(yè)化運作，MW 級鈉硫和 100kW 級液流電池儲能系統(tǒng)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(zhì)為金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液 態(tài)硫。迄今為止，只有日本京瓷公司成功開發(fā)出鈉硫儲能電池系統(tǒng)。鈉硫電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和負荷側(cè)成功應(yīng)用 100 余套，總?cè)萘砍^ 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(fā)電機組采用鈉硫電池儲能來平滑和穩(wěn)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(fā)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(tǒng)的研制，用于 UPS/EPS，力圖掌握核 心部件制備技術(shù)，建立標準和規(guī)范，并實現(xiàn)模塊化、規(guī)?；a(chǎn)。（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(shù)發(fā)展主流。全釩液流儲能電池（Vanadium RedoxFlow Battery，VRB）是將具有不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負極的活性物質(zhì)，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(huán)分別流經(jīng)電池的正極室和負極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實現(xiàn)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(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)。在日本共有 15 套全釩液流 儲能電池系統(tǒng)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(diào)頻和調(diào)峰?！笆濉逼陂g，中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)出 10 kW 全釩液流儲能電池系統(tǒng)。2008 年，中國電 力科學研究院研發(fā)用于風電場的 100kW 級儲能系統(tǒng)，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(shù) 超級電容器（Supercapacitor）是根據(jù)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(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級電容器儲能系統(tǒng)(SCES)歷經(jīng) 3 代及數(shù) 10 年的發(fā)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(chǎn)品，儲能系統(tǒng)的最大儲能量達到了 30 MJ。在電力系統(tǒng)中多用于短時 間、大功率的負載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合，在電壓跌落和瞬態(tài)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(chǎn)品，幾乎占據(jù)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(fā)電機組 向電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)的 300 Wh/1 kW 超級電容 器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。文獻[16]提出了一種將串、并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)應(yīng)用于基于異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)的新思路，該儲能系統(tǒng)可同時雙向、大范圍、快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，很好地改善了風電的電能質(zhì)量和穩(wěn)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(tǒng)中還應(yīng)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(xiàn)代電網(wǎng)中大多用來調(diào)峰，在集中式發(fā)電中應(yīng)用較多。受地理 條件限制，絕大多數(shù)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(diào)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(guī)燃氣輪機 少 40%。100 MW 級燃氣輪機技術(shù)成熟，利用渠式超導(dǎo)熱管技術(shù)可使系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達到 90%。大容量 和復(fù)合化發(fā)電將進一步降低成本。隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)（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(qū)動壓縮機組，將空氣壓縮至地下含水層，發(fā)電 裝機容量為 200 MW，風能發(fā)電裝機容量為 100 MW。氫燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。為了實現(xiàn)氫氣作為能源載體的應(yīng)用，必須解決氫的 廉價制取、安全高效儲運以及大規(guī)模應(yīng)用這 3 個問題。未來氫能的廣泛應(yīng)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(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。2 各種儲能技術(shù)在風力發(fā)電中的應(yīng)用前景分析 在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)峰； 電池儲能和相變儲能比較適用于中 小規(guī)模儲能和用戶需求側(cè)管理； 超導(dǎo)電磁儲能和飛輪儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)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(jù)美國電力儲能協(xié)會提供的資料給出的各 種儲能技術(shù)的功率、能量和成本比較。

成本過高是限制儲能技術(shù)在風力發(fā)電中大量推廣應(yīng)用的共同問題，提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本是今后儲 能技術(shù)研究的重要方向。隨著風力發(fā)電的不斷發(fā)展和普及，各種儲能技術(shù)的發(fā)展進步，儲能技術(shù)將在風 力發(fā)電系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用。在風力發(fā)電中，儲能方式的選擇需考慮額定功率、橋接時間、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成本、環(huán)境條件等多種因 素。風電場的儲能首先要實現(xiàn)電能質(zhì)量管理功能，超級電容器、高速飛輪、超導(dǎo)、鈉硫和液流電池儲能系 統(tǒng)能使風電場的輸出功率平滑，在外部電網(wǎng)故障時能夠提供電壓支撐，維護電網(wǎng)穩(wěn)定；其次，鉛酸電池、新型鈉硫和液流電池儲能系統(tǒng)具有調(diào)峰功能，比較適合風電的大規(guī)模儲存。采用超級電容器和蓄電池、超導(dǎo)和蓄電池、超級電容器和飛輪組合等混合式儲能系統(tǒng)，能夠兼顧電能質(zhì)量 管理和能量管理，提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性，是比較可行的儲能方案。

國內(nèi)外已經(jīng)開始這方面的研究[18]，[19]。3 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS），是實現(xiàn)儲能單元與負載之間的雙向能量傳遞，將儲能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)的重要設(shè) 備。根據(jù)儲能裝置所處位置的不同，PCS 主要有以下的結(jié)構(gòu)形式和拓撲結(jié)構(gòu)（圖 3）[20]。

3.1 單臺風機直流側(cè)并聯(lián) PCS 單臺風機直流側(cè)并聯(lián) PCS 的優(yōu)點是可以利用風電機組現(xiàn)有的功率單元（圖 3a）。對于直驅(qū)型的永磁同步發(fā)電機，交流電通過全功率變流后接入電網(wǎng)，儲能單元通過 PCS 并聯(lián)于直流母線側(cè)，可以與發(fā)電機共用 DC/AC 逆變單元，實現(xiàn)與電網(wǎng)的聯(lián)接。對于雙饋風力發(fā)電機，PCS 也可以并聯(lián)在轉(zhuǎn)子 直流母線側(cè)，這時需要加大網(wǎng)側(cè)變流器（DC/AC）的功率，以便于儲能單元的功率回饋到電網(wǎng)。

3.2 風電場交流側(cè)并聯(lián) PCS PCS 的安裝位置一般在風電場出口處的低壓側(cè)（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(cè)并聯(lián) PCS 結(jié) 構(gòu)，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(cè)并聯(lián) PCS 風電場通過電壓源高壓直流(VSC-HVDC)輸電并網(wǎng)。由于 VSC-HVDC 系統(tǒng)具有立即導(dǎo)通和立即關(guān)斷的控制閥，通過對控制閥的開和關(guān)，實現(xiàn)對交流側(cè)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(shù)在連接風電場并 網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)越性，特別適用于需要長距離傳輸?shù)暮Ｉ巷L電場的并網(wǎng)[21]。PCS 并聯(lián)在 VSC-HVDC 系 統(tǒng)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(wǎng)的功率穩(wěn)定。3.4 混合儲能系統(tǒng) PCS 拓撲結(jié)構(gòu) 采用超級電容器和蓄電池混合儲能系統(tǒng)的 PCS 主要有 2 種結(jié)構(gòu)： 一種是兩者都通過 DC/DC 并聯(lián)于直流母 線側(cè)； 另一種是通過蓄電池單元的適當串并聯(lián)，蓄電池直接并聯(lián)在直流母線上，節(jié)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(cè)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(shù) 8%，延長了電池壽命，減低電池損耗 15%，提高了系統(tǒng)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(jié)束語 研發(fā)高效儲能裝置及其配套設(shè)備，使之與風電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。隨著風力發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各種儲能 技術(shù)的發(fā)展進步，第二代高溫超導(dǎo)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(shù)將得 到更加廣泛的應(yīng)用。

目前，電力儲能系統(tǒng)推廣應(yīng)用的最大障礙在于國外少數(shù)企業(yè)的技術(shù)壟斷，由此造成其價格高企。要推動 電力儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，一靠掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，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(xiàn)電力儲能系統(tǒng)國產(chǎn)化，使其成本達到或接近應(yīng)用水平，那么風電場對電力儲能系 統(tǒng)的需求將迅速加大?；旌鲜絻δ芗夹g(shù)將在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，同時，先進的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)也將得到發(fā)展 與應(yīng)用。參考文獻： [1] 張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9.[2] 張宇，俞國勤，施明融，等.電力儲能技術(shù)應(yīng)用前景分析[J].華東電力，2008，36（4）：91-93.[3] 阮軍鵬，張建成，汪娟華.飛輪儲能系統(tǒng)改善并網(wǎng)風電場穩(wěn)定性的研究[J].電力科學與工程，2008，24（3）：5-8.[4] R CARDENAS, R PENA, J CLRE.Control strategy forpower smoothing vector controlled induction machineand flywheel [J].Electronics Letters，2000，36（8）：765-766.[5] 吳俊玲，吳畏，周雙喜.超導(dǎo)儲能改善并網(wǎng)風電場穩(wěn)定性的研究[J].電工電能新技術(shù)，2004，23（3）： 59-63.[6] 石晶，唐躍進，陳磊，等.基于超導(dǎo)磁儲能的變速恒頻風力發(fā)電機勵磁系統(tǒng)[J].科技導(dǎo)報，2007，26（1）：43-46.[7] 劉昌金，胡長生，李霄，等.基于超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的風電場功率控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（16）：83-88.[8] 桂長清.風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能電

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第二篇：風力發(fā)電技術(shù)

風力發(fā)電技術(shù)和風能利用方式

1973年發(fā)生石油危機以后，西方發(fā)達國家為尋求替代石化燃料的能源，在風力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當大的人力和資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術(shù)、計算機、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開創(chuàng)了風能利用的新時期。

德國、美國、丹麥等國開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變槳距控制及失速控制的風力機設(shè)計理論，采用了新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺和多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風力發(fā)電的效率和可靠性。

風電場是大規(guī)模利用風能的有效方式，20世紀80年代初在美國加利福尼亞州興起。而海岸線附近的海域風能資源豐富，風力強，風速均勻，可大面積采獲能量，適合大規(guī)模開發(fā)風電。然而在海上建造難度也大：巨大的基座必須固定入海底30m深度，才能使裝置經(jīng)受得住狂風惡浪的沖擊；水下的驅(qū)動裝置和電子部件必須得能防止高鹽度海水的腐蝕；與陸地連接還得需要幾公里長的海底電纜。

2.2風電裝機容量

德國的風力發(fā)電裝機容量已達610.7萬kW，占德國發(fā)電裝機容量的33%，居世界第1位。西班牙風電裝機容量283.6萬kW，居世界第2位。美國風力發(fā)電裝機容量已達261萬kW，居世界第3位。丹麥風電技術(shù)也很先進，裝機容量234.1萬kW。印度風電增長很快，到2000年累積裝機容量已達到122萬kW。日本的風電裝機容量46萬kW，運行較穩(wěn)定的是海岸線或島上的風力發(fā)電站，已達576臺風電設(shè)備。

2.3各國的風力發(fā)電政策

目前風電機組成本仍比較高，但隨著生產(chǎn)批量的增大和技術(shù)的進一步改進，成本將會繼續(xù)下降(見表1)。許多國家建立了眾多的中型和大型風力發(fā)電場，并形成了一整套有關(guān)風力發(fā)電場的規(guī)劃方法、運行管理和維護方式、投融資方式、國家扶持的優(yōu)惠政策及規(guī)范、法規(guī)等。

表1世界風電裝機容量（萬kW）和發(fā)電成本（美分/kW·h）

年份******97199819992000

容量******1393184

5成本15.310.97.26.66.15.65.35.15.04.94.8

數(shù)據(jù)來源：丹麥BTM咨詢公司

歐洲發(fā)展風電的動力主要來自于改善環(huán)境的壓力，將風電的發(fā)展作為減少二氧化碳等氣體排放的措施。德國、丹麥、西班牙等國都制定了比較高的風電收購電價，保持了穩(wěn)定高速的增長，1996年以后年增長率超過30%，使風電成為發(fā)展最快的清潔電能。丹麥風電技術(shù)的發(fā)展策略是政府不直接支持制造廠商，而是對購買風電機組的用戶提供補貼。英國的《可再生能源責任法規(guī)》要求到2010年，每個電力供應(yīng)商必須使可再生能源的電力供應(yīng)量達到總電量的10%。

美國政府為鼓勵開發(fā)可再生能源，在20世紀80年代初出臺了一系列優(yōu)惠政策。聯(lián)邦政府和加利福尼亞州政府對可再生能源的投資者分別減免了25%的稅賦，規(guī)定有效期到198

5年底，另外立法還規(guī)定電力公司必須得收購風電，并且價格應(yīng)是長期穩(wěn)定的。這些政策吸引了大量的資金采購風電機組，使剛剛建立起來的丹麥風電機組制造業(yè)獲得了大批量生產(chǎn)和改進質(zhì)量的機會。到1986年這3個風電場的總裝機容量達到160萬kW。2002年美國德州的風電容量為118萬kW。德州政府規(guī)定，到2009年可再生能源的發(fā)電容量至少應(yīng)達到200萬kW，并擬訂了110.4萬kW的風電建設(shè)計劃。

印度是一個缺電的發(fā)展中國家，政府制定了許多鼓勵風電的政策，如投資風電的企業(yè)，可將風電的電量儲蓄，在電網(wǎng)拉閘限電時，使有儲蓄的企業(yè)能夠得到優(yōu)先供電。

澳大利亞的發(fā)電能源主要依靠煤炭。政府為改善電能結(jié)構(gòu)，制定了一項強制性的可再生能源發(fā)電計劃，太陽能——風力電站將成為可再生能源利用的重要組成部分。

3我國風力發(fā)電的開發(fā)現(xiàn)況

我國擁有豐富的風能資源，若采用10m高度的風速測算，陸地風能資源理論儲量為32.26億kW，可開發(fā)的風能資源儲量為2.53億kW。我國近海風能資源約為陸地的3倍，由此可算出我國可開發(fā)的風能資源約為10億kW。

風能資源富集區(qū)主要在西北、華北北部、東北及東南沿海地區(qū)。20世紀70年代末80年代初，我國通過自主開發(fā)研制，額定容量低于10kW小型風力發(fā)電機實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，在解決居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的用電方面有著重要意義。在國家有關(guān)部委的支持下，額定功率為200、250、300、600 kW的風力發(fā)電機組已研制出來，并在全國11個省區(qū)建立了27個風電場，浙江、福建、廣東沿海及新疆、內(nèi)蒙古自治區(qū)都有較大功率的風力發(fā)電場。東部沿海有豐富的風能資源，距離電力負荷中心又近，海上風電場將成為新興的能源基地。國家計委在20世紀90年代中期制定了“光明工程”和“乘風計劃”, 1997年當年裝機超過10萬kW，到2001年底總裝機容量約40萬kW。

我國風電技術(shù)還處于發(fā)展初期，較歐美落后，關(guān)鍵原材料或零部件主要依靠進口。風電機組是風電場的核心設(shè)備，主要依靠進口機組，在風電場的建設(shè)投資中是主要部分，占總投資的60%～80%。為鼓勵風電的開發(fā)，我國對300kW以上機組免征進口稅。風電隨著技術(shù)的發(fā)展和批量生產(chǎn)，成本會繼續(xù)下降。

第三篇：玻璃鋼材料在風力發(fā)電的應(yīng)用

玻璃鋼復(fù)合材料在風力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘要：本文簡單介紹了玻璃鋼復(fù)合材料的特點,以及玻璃鋼制品在風力發(fā)電領(lǐng)域常用的成型工藝；重點敘述了玻璃鋼復(fù)合材料在風機葉片、機艙罩、整流罩及其他附件中的應(yīng)用；提出了目前玻璃鋼復(fù)合材料在風電發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題。具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

關(guān)鍵字：玻璃鋼復(fù)合材料、風機葉片、機艙罩、整流罩

來自世界權(quán)威機構(gòu)的統(tǒng)計：石油、天然氣、煤炭等儲量的開采年限分別僅有41、61.9、230。日益萎縮的燃料能源使得新能源的發(fā)展前景喜人，而新能源的清潔、環(huán)保和可再生的突出特點使得其利用與發(fā)展在全球經(jīng)濟的發(fā)展大局中不斷升溫。上世紀70年代以來，新能源開發(fā)利用受到世界各國的普遍重視，許多國家都將開發(fā)利用新能源作為提高能源安全、應(yīng)對氣候變化和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑。最近幾年，隨著國際石油價格的大幅攀升以及《京都議定書》的生效，新能源發(fā)展愈加成為國際能源領(lǐng)域的熱點。

從目前新能源的資源狀況和技術(shù)發(fā)展水平來看，水能、風能、生物能和太陽能已經(jīng)成為發(fā)展重點。其中，風電技術(shù)已基本成熟，開發(fā)成本接近常規(guī)能源，未來將會繼續(xù)保持較快的發(fā)展速度。到2006年底，世界風電裝機總?cè)萘窟_到了7500萬千瓦，過去10年中年均增長28%，已成為繼火電、水電和核電之后的第四大主要發(fā)電電源。

在風力發(fā)電領(lǐng)域玻璃鋼復(fù)合材料扮演著重要角色，它是風力發(fā)電機葉片、機艙罩、整流罩等部件的主要制作材料，它的性能好壞直接決定著風機的工作效率和使用壽命。因此，研究玻璃鋼復(fù)合材料的特點、性能、制作工藝、常用制品并能在風力發(fā)電領(lǐng)域有效的加以利用具有一定的使用價值和重要的現(xiàn)實意義。1.玻璃鋼復(fù)合材料 1)玻璃鋼復(fù)合材料簡介

玻璃鋼學名玻璃纖維增強塑料。它是以玻璃纖維及其制品作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。玻璃纖維是由不同成分的玻璃為原料，經(jīng)熔融后拉絲制得的，其直徑為0.1～30微米不等,它是應(yīng)用很廣的一種無機材料。

用于玻璃鋼的玻璃纖維主要是玻璃布、玻璃帶、玻璃纖維合股紗和攻璃纖維表面氈等。在玻璃鋼中，樹脂則是基體材料。通常樹脂合顯約為玻璃鋼制品重量的20～80％。樹脂的性能對玻璃鋼的性能有著直接的影響。常用的熱固性樹脂中，主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。而目前用得最多的是不飽和聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂及酚醛樹脂次之。不同的樹脂對應(yīng)不同的玻璃鋼制品，其性能有著明顯的差異。相對聚酯玻璃鋼來說，環(huán)氧玻璃鋼機械性能、耐腐蝕性都比較優(yōu)越，但其成型較為困難，價格昂貴，毒性大。在風電領(lǐng)域環(huán)氧玻璃鋼主要用于葉片的制作，聚酯玻璃鋼用于機艙罩、整流罩等其他玻璃鋼零部件的制作。2)玻璃鋼復(fù)合材料的特點

a)輕質(zhì)高強 相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，可是拉伸強度卻接近，甚至超過碳素鋼，而比強度可以和高級合金鋼相比。

b)耐腐蝕性能好 FRP是良好的耐腐材料，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。是優(yōu)良的絕緣材料，用來制造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。FRP熱導(dǎo)率低，是優(yōu)良的絕熱材料,室溫下為1.25～1.67kJ /(m·h·k)，只有金屬的1/100～1/1000。

c)可設(shè)計性好 可以根據(jù)需要，靈活地設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，也可以充分選擇材料來滿足產(chǎn)品的性能。

d)工藝性能優(yōu)良 以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來靈活地選擇成型工藝。工藝簡單，可以一次成型，經(jīng)濟效果突出，尤其對形狀復(fù)雜、不易成型的數(shù)量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性。3)風力發(fā)電中的玻璃鋼制品主要成型方法

a)手糊法 操作簡單、成本低，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，主要用于整體制品和機械強度不高的大型制品。目前手糊法是制作葉片、機艙罩、整流罩的主要成型方法。

b)真空導(dǎo)入法

真空導(dǎo)入法的原理是：一個真空袋與模具形成的耐壓密閉腔內(nèi)先填滿纖維增強材料，再用壓力將液態(tài)樹脂注入模腔使其浸透增強纖維，然后固化成型。密閉成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件；制品表在光潔度高；成型效率高，環(huán)境污染小。工藝屬于半機械化的復(fù)合材料成型工藝，工人只需將設(shè)計好的纖維制品按照工藝要求鋪好，然后表面鋪設(shè)真空袋，與模具形成密閉腔，然后用空壓機抽真空并保持恒定壓力，使真空袋緊貼纖維制品，隨后注射已配比好的樹脂，注射樹脂時通過壓力表密切注意密閉腔內(nèi)壓力的變化，出現(xiàn)大的變化時應(yīng)立即停止注射樹脂，檢查密閉性并修復(fù)，這樣形成的產(chǎn)品氣泡少、樹脂淤積少、纖維得到了充分浸潤。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備，而且節(jié)約了工作時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復(fù)合材料的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

c)夾層結(jié)構(gòu) 夾層結(jié)構(gòu)一般是由三層材料制成的復(fù)合材料，采用夾層構(gòu)方式是為了提高材料的有效利用率和減輕結(jié)構(gòu)重量、增加基體剛度。根據(jù)所用的芯材種類和形式的不同，分為泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、梯形和矩形帶頭作用層結(jié)構(gòu)、圓環(huán)形夾層結(jié)構(gòu)。2.玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用

a)葉片 葉片是整個風力發(fā)電機的關(guān)鍵部件,它的性能優(yōu)劣、設(shè)計好壞直接影響到配套的齒輪箱和發(fā)電機的設(shè)計和正常運行。風力發(fā)電機葉片是一個復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上分3個部分：第一部分為根部：材質(zhì)一般為金屬。第二部分為外殼：一般為玻璃鋼，通常是使用雙、多軸向織物為增強體與基體樹脂復(fù)合而成。織物可以具有不同的結(jié)構(gòu)，與不同的材料進行復(fù)合，再用樹脂進行連結(jié)，模塑成半個外殼。一對半個外殼粘在一起形成一個承載外殼，第三部分為龍骨，即加強筋或加強框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強復(fù)合材料，雙軸向經(jīng)編織物和多軸向經(jīng)編織物增強復(fù)合材料的基布比經(jīng)緯交織的機織物具有更明顯的優(yōu)勢。這類軸向織物承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起，因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。目前，大型風機葉片主要采用玻璃纖維、玻璃纖維/碳纖維混雜、碳纖維等增強體的復(fù)合材料。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的1/10左右，而玻璃纖維增強復(fù)合材料葉片因為其質(zhì)量輕比強度高、可設(shè)計性強、價格比較便宜等因素，還是大中型風機葉片材料的主流。

b)機艙罩、整流罩 機艙罩、整流罩是風力發(fā)電機抵抗惡劣環(huán)境的外殼，同時也給風機維護人員提供了安全閉合的操作空間，它能防沙、防雨、防雷和保溫，起到保護風力發(fā)電機整機、輪轂及其電器元件的作用，它的性能好壞直接決

定著風機的使用壽命。從材料角度分為兩部分玻璃鋼部分和非玻璃鋼部分（主要是金屬附件），玻璃鋼部分結(jié)構(gòu)又分為兩種：夾層結(jié)構(gòu)和全玻璃鋼結(jié)構(gòu)，罩體主要采用的是夾層結(jié)構(gòu)，夾芯以泡沫為主，在需要打孔來安裝附件的區(qū)域泡沫夾芯用密度較大、硬度較高的材料替代，常用的有木材或聚亞安酯材料。全玻璃鋼結(jié)構(gòu)主要用于強度要求比較高的連接法蘭和開口翻遍處。機艙罩、整流罩內(nèi)部布有 縱、橫加強筋，以增加罩體的強度和剛度，保證風機能經(jīng)受住風載、雪載、冰載等綜合載荷。

風機排風口罩、風機高速軸護罩等小部件 小部件結(jié)構(gòu)簡單、量小、載荷要求不高，基本采用手糊法制作。3.存在的問題

雖然玻璃鋼復(fù)合材料在風電領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用，但個人認為以下的問題還是制約著其發(fā)展：(1)機艙罩、整流罩制作

目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的國家標準，在材料性能、載荷分析、制品要求等大多參考國內(nèi)外船級社的規(guī)定，嚴重制約著新產(chǎn)品的設(shè)計，加上國內(nèi)同行業(yè)間的技術(shù)壁壘，先進的技術(shù)得不到廣泛推廣。(2)玻璃鋼制品最大的特點是易變形

如何能有效的控制大型制品的變形量并加以量化，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的一個難點。4.結(jié)論

玻璃鋼作為一種新型的工程材料擁有突出的性能，在風電發(fā)電領(lǐng)域起著舉足輕重的作用；相信在不遠的將來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，玻璃鋼產(chǎn)業(yè)會成為我國一種新型的支柱產(chǎn)業(yè)。

第四篇：風力發(fā)電技術(shù)綜述

風力發(fā)電技術(shù)綜述

摘要：風能是目前全球發(fā)展最快的可再生綠色能源，風力發(fā)電系統(tǒng)是將風能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵系統(tǒng)，它直接關(guān)系到風力發(fā)電的性能與效率。它主要對風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和前景、風電系統(tǒng)的控制技術(shù)、風力發(fā)電機及其風電系統(tǒng)和風力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)作了簡單的介紹。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；控制技術(shù)；并網(wǎng)技術(shù)；低電壓穿越

引言

在全球生態(tài)環(huán)境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下，對新能源的研究和利用已成為全球各國關(guān)注的焦點。風能作為一種可再生的清潔能源，受世界各國的重視程度越來越高，也越來越多的被應(yīng)用到風力發(fā)電中。除水力發(fā)電技術(shù)外，風力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。由于它可以在改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面有非常突出的作用，目前世界各國都在大力發(fā)展和研究風力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)。

1.國內(nèi)外風力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景

1.1 國外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀世紀80 ～90 年代，風力發(fā)電技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并且逐漸成熟。風力發(fā)電憑借它自身的優(yōu)點，已經(jīng)延伸到了電網(wǎng)難以達到的地方，給他們帶來了很多方便。據(jù)全球風能理事會(GWEC)發(fā)布的全球風電市場裝機數(shù)據(jù)顯示，全球風電產(chǎn)業(yè) 2011 年新增風電裝機容量達四萬一千兆瓦。這一新增容量使全球累計風電裝機達到二十三萬八千兆瓦。這一數(shù)據(jù)表明全球累計裝機實現(xiàn)了兩成多的年增長，新增裝機增長達到6%。到目前為止，全球七十多個國家有商業(yè)運營的風電裝機，其中二十二個國家的裝機容量超過 1GW。據(jù)估計到 2030 年，歐洲風電裝機可達三百億瓦，可滿足歐洲百分之二十的電力需求。

1.2國內(nèi)風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國風力資源儲量豐富，分布廣泛。陸上可開發(fā)的儲量為2.53億kW，海上可開發(fā)的儲量為7.5億kW?！按笠?guī)模、高集中開發(fā)，遠距離和高電壓輸送”是我國風電發(fā)展的重要特征。近年來，我國風電發(fā)展迅猛，2006～2010 年風電總裝機容量從260萬kW增長到4 182.7萬kW，2010年新增風電裝機1 600萬kW，累計裝機容量和新增裝機容量均居世界第一。預(yù)計2020年我國風電累計裝機可以達到2.3億kW。這意味著未來十年中，風電總裝機容量

平均每年需新增1 800萬kW。預(yù)計每年需新增機組及其配套變流器約9 000臺。

2.風電系統(tǒng)的控制技術(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)的運行方式有三種：獨立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型。并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力機控制器、風力機、傳動裝置、勵磁調(diào)節(jié)器、發(fā)動機、變頻器和變壓器等組成。

風力發(fā)電機組包括風力機、發(fā)電機、變速傳動裝置及相應(yīng)的控制器等，用來實現(xiàn)風能與電能的能量轉(zhuǎn)換。風力發(fā)電的關(guān)鍵問題是風力機和發(fā)電機的功率和速度控制。

風電機組中將風能轉(zhuǎn)換成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置是風力機，它由風輪、迎風裝置和塔架等組成。按結(jié)構(gòu)不同，風力機可分為水平軸式和立軸式兩種；按功率調(diào)節(jié)方式不同，風力機可分為定槳距失速、變槳距和主動失速 3 種。

風電機組中的發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機在并入電網(wǎng)時必須輸出恒定頻率(一般為 50 Hz)的電能。按照發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)電機可分為恒速和變速兩類，其中變速需要通過變頻器來實現(xiàn)。變頻器采用電力電子變流技術(shù)和控制技術(shù)，將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同、能與電網(wǎng)柔性連接的交流電，并且能實現(xiàn)最大風能跟蹤控制。按照拓撲結(jié)構(gòu)的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型三種；按照變頻器容量的不同可將變頻器分為部分容量和全部容量(全額)兩種。

變速傳動裝置可將風輪的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的較高轉(zhuǎn)速，按傳動鏈類型將其分為齒輪箱驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種，其中前者包括單級和多級兩種齒輪箱驅(qū)動。

3.風力發(fā)電機及其風電系統(tǒng)

實現(xiàn)恒速或變速風力發(fā)電系統(tǒng)有許多種方案，所選發(fā)電機的類型主要取決于風電系統(tǒng)的形式。

傳統(tǒng)的恒速/變速風電系統(tǒng)共有四種：基于SCIG 的恒速風電系統(tǒng)[1]、基于WRIG 的受限變速風電系統(tǒng)[2]、基于ESC-SCIG 的變速風電系統(tǒng)[3]和基于MMG 的變速風電系統(tǒng)[4]。

現(xiàn)代風電系統(tǒng)一般采用變速恒頻技術(shù)，這種技術(shù)通過變流裝置或改造發(fā)電機結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。現(xiàn)代變速恒頻風電系統(tǒng)共有六種：基于SCIG 的風電系統(tǒng)[5]、基于DFIG 的風電系統(tǒng)[6]、基于直驅(qū)式EESG 的風電系統(tǒng)[7]、基于直驅(qū)式PMSG 的風電系統(tǒng)[8]、基于半直驅(qū)PMSG 的風電系統(tǒng)[9]和基于PMBDCG 的風電系統(tǒng)[10]。

近年來，一些具有商業(yè)化潛力的新型風力發(fā)電機及其風力發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。新型變速恒頻風電系統(tǒng)主要有以下八種：基于 SRG 的風電系統(tǒng)[11]、基于 BDFIG 的風電系統(tǒng)[12]、基于CPG 的風電系統(tǒng)[13]、基于HVG 的風電系統(tǒng)[14]、基于DWIG 的風電系統(tǒng)[15]、基于

TFPMG 的風電系統(tǒng)[16]、基于DSPMG 的風電系統(tǒng)[17]和基于EVT 的風電系統(tǒng)[18]。

4.風力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1并網(wǎng)技術(shù)的研究和最大風能的捕獲

并網(wǎng)技術(shù)是通過對全功率電力變換器的控制算法來實現(xiàn)控制目的。并網(wǎng)控制方面，文獻

[19]提出了直流側(cè)并網(wǎng)的新方法。在直流電容與 DC/AC 之間安裝并網(wǎng)開關(guān)。并網(wǎng)前并網(wǎng)開關(guān)斷開，DC/AC 通過限流電阻對電容進行充電，此時發(fā)電機在風力機的帶動下轉(zhuǎn)速從 0 上升。當電容充電達到交流電網(wǎng)線電壓幅值時閉合并網(wǎng)開關(guān)，同步風力發(fā)電機并網(wǎng)。正常情況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速從低到高逐漸上升，并在某一轉(zhuǎn)速下并入電網(wǎng)。當由于某種原因，發(fā)電機在高轉(zhuǎn)速下脫網(wǎng)需要重新并網(wǎng)，由于此時電容已經(jīng)充電且直流母線電壓高于網(wǎng)側(cè)交流線電壓幅值，因此只要將并網(wǎng)開關(guān)閉合就可實現(xiàn)并網(wǎng)。

直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機經(jīng)電力電子變換器并入電網(wǎng)以后的控制目標是風速小于額定風速時實現(xiàn)最大風能捕獲，風速超過額定風速時使系統(tǒng)以額定功率輸出[20]。

最大風能捕獲的目的就是通過適當?shù)目刂疲癸L力機轉(zhuǎn)速隨風速變化，始終沿著最佳功率曲線運行，從而使風能轉(zhuǎn)化最大化。最大風能追蹤可以有變槳距調(diào)節(jié)，也可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機功率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持最佳葉尖速比實現(xiàn)。出于可行性、經(jīng)濟性和可靠性的考慮，當前使用的主要是通過控制發(fā)電機輸出功率以調(diào)節(jié)其電磁功率，進而調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

具體實現(xiàn)時，在發(fā)電機有功和無功功率解耦控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)有功功率給定的提取方法的不同，又有有速度傳感器和無速度傳感器的控制方法之分。有速度傳感器的控制方法是根據(jù)風力機最佳功率曲線和風力機轉(zhuǎn)速實時計算發(fā)電機輸出功率給定。而無速度傳感器的控制方法又有擾動法[21,22,23]、參數(shù)估計法、查表法和人工在智能法幾類。

4.2低電壓穿越的研究

電網(wǎng)電壓跌落時，由于受變流器通流能力的限制，網(wǎng)側(cè)逆變器注入電網(wǎng)功率減小。而此刻機側(cè)整流器的功率并沒有改變，造成直流側(cè)的過電壓。如果維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導(dǎo)致電力電子器件的損壞，為了保護變流器不被損壞，風力發(fā)電機組將在電壓跌落時退出運行。電網(wǎng)穿透率小時，風力發(fā)電機組在電壓跌落時退出運行還是可以接受的。

然而，隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，若風電機組在電壓跌落時仍然采取被動保護式脫網(wǎng)，則會增加整個系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至使故障更加嚴重，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其他機組全部解列。目前在風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的一些國家，如丹麥、德國等已相繼制定了新的電網(wǎng)運

行準則, 定量給出了風電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件（如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間），只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力機脫網(wǎng)，當電壓在凹陷部分時,發(fā)電機應(yīng)提供無功功率。這就要求風電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越能力，能方便地為電網(wǎng)提供無功支持。因此必須研究低電壓穿越的措施，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時風力發(fā)電機不脫網(wǎng)運行。

文獻[24]通過在逆變器交流側(cè)加裝無功補償裝置和低通濾波器來應(yīng)對電網(wǎng)電壓不對稱跌落對系統(tǒng)所造成的影響，使逆變器只能感受到電網(wǎng)的正序電壓，保持其對稱工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)低電壓穿越；文獻[25-28]通過直流側(cè)加卸荷負載以消除電壓跌落時直流側(cè)的功率擁堵，避免直流側(cè)的過電壓和逆變器的過電流，實現(xiàn)低電壓穿越。這些方法都要增加專門的元件，降低了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，使控制變得復(fù)雜。

結(jié)論

風電作為我國今后大力重點發(fā)展的 3 類新能源之一，在今后將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，風力發(fā)電在擺脫對化石能源的過度依賴、緩解中國能源緊缺、改善生態(tài)環(huán)境和擴大社會效益等方面將做出較大的貢獻。本文對風力發(fā)電的發(fā)展狀況，如傳統(tǒng)的恒速/變速風電系統(tǒng)、現(xiàn)代變速恒頻風電系統(tǒng)和新型變速恒頻風電系統(tǒng)進行了簡單介紹。隨著風電技術(shù)的不斷變革以及機組制造工藝的持續(xù)改進，將來風力發(fā)電的競爭力必定逐漸提升，其發(fā)展前景廣闊。

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第五篇：燃料電池材料及其儲能技術(shù)

燃料電池材料及其儲能技術(shù)

姓名：李浩杰

學號：2014050101018

摘要：出于對環(huán)境友好、高轉(zhuǎn)換效率、高功率、高能量密度的能源技術(shù)的需求，世界各國紛紛開展對于性能優(yōu)良的燃料電池的研究。其研究重點主要集中在四個方面：電解質(zhì)膜、電極、燃料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中又以前三個為熱點。目前，由于在燃料大規(guī)模制備上的困難以及其在工作時需要的一些昂貴的貴金屬，燃料電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用受到一定限制。關(guān)鍵字：燃料電池、電解質(zhì)膜、儲能

一、燃料電池原理

燃料電池是一種使用燃料進行化學反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝臵。所用的燃料主要包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣、汽油以及一些含氫有機物。氫氣可以直接作為燃料電池的燃料，其他氣體一般需要處理為含氫氣的重整氣。由于其燃料來源廣泛，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，能量轉(zhuǎn)換效率高達80%~90%，對環(huán)境無污染，所以廣泛受到各國科學家的關(guān)注，被認為是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。

燃料電池的工作原理圖如上所示。在陽極，氫氣與堿中氫氧根的在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子：

電子通過外電路到達陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)：

生成的氫氧根通過多孔石棉膜遷移到氫電極。

為保持電池連續(xù)工作，除需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應(yīng)氫氣和氧氣外，還需連續(xù)、等速地從陽極（氫電極）排出電池反應(yīng)生成的水，以維持電解液濃度的恒定；排除電池反應(yīng)的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。

容易看出，與其他電池相比，燃料電池內(nèi)部并不儲能，它只是高效地將從外部源源不斷通入的燃料轉(zhuǎn)換成電能，所以，它更像是一個微型的發(fā)電站。

二、燃料電池發(fā)展歷程

1、國外

1839年，格羅夫發(fā)表世界上第一篇關(guān)于燃料電池的報告。初期的燃料電池使用氣體為氧化劑和燃料，但因為氣體在電解質(zhì)溶液中溶解度很小，導(dǎo)致電池的工作電流密度極低。后來，多孔氣體擴散電極和電化學反應(yīng)三相界面概念的提出以及實際材料的突破，使燃料電池具備了走向?qū)嵱没谋貍錀l件。

60年代，由于載人航天器對于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池開始引起一些國家與軍工部門的高度重視。其典型成果為阿波羅登月飛船上的主電源—培根型中溫氫氧燃料電池。

70~80 年代，由于出現(xiàn)世界性的能源危機和燃料電池在航天上成功應(yīng)用及其高的能量轉(zhuǎn)化效率，促使世界上以美國為首的發(fā)達國家大力支持民用燃料電池的開發(fā)，進而使磷酸型及熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)展到兆瓦級試驗電站的階段。

20世紀90年代以來，出于可持續(xù)發(fā)展、保護地球、造福子孫后代等目的，基于質(zhì)子交換膜的燃料電池開始高度發(fā)展。特別是在電動車行業(yè)，世界上所有的大汽車公司與石油公司均已介入燃料電池汽車的開發(fā)。

總的來說，燃料電池主要經(jīng)歷了經(jīng)歷了第1代堿性燃料電池（AFC），第2代磷酸燃料電池（PAFC），第3代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）后，在20世紀80年代迅速發(fā)展起了新型固體氧化物燃料電池(SOFC)。

2、國內(nèi)

中國燃料電池的研究始于1958年。

1970年前后,開始了燃料電池產(chǎn)品開發(fā)工作并在70年代形成了燃料電池產(chǎn)品的研制高潮。主要開發(fā)項目是由國家投資的航天用堿性氫氧燃料電池,該產(chǎn)品的研制目標是為了配合中國航天技術(shù)發(fā)展計劃的一個項目。

到70年代末,由于總體計劃的變更而中止。但與該項計劃實施的同時,一些由地方政府投資與使用部門合作的應(yīng)用堿性燃料電池項目也進行了開發(fā)，只是尚未形成應(yīng)用。

80年代初、中期,中國燃料電池的研究及開發(fā)工作處于低潮。

進入90年代以來,在國外先進國家燃料電池技術(shù)取得巨大進展,一些產(chǎn)品已進入準商品化階段的形勢影響下,中國又一次掀起了燃料電池研究開發(fā)熱潮。

三、幾種燃料電池簡介

1、分類

（1）按燃料電池的運行機理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。

（2）按電解質(zhì)的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池可以冷起動和快起動，可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

（3）按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機液體燃料。有機液體燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。（4）按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200℃；中溫型，工作溫度為200～750℃；高溫型，工作溫度高于750℃。

上圖為幾種常見燃料電池各種性能，應(yīng)用環(huán)境的簡單對比，現(xiàn)主要以電解質(zhì)分類形式介紹幾種常見的燃料電池。

2、質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池是最接近商業(yè)化的一種燃料電池，最有希望作為未來電動汽車的發(fā)動機。在各種燃料電池中，它的工作溫度是最低的，也是目前發(fā)展規(guī)模最大的一種。

上圖為典型的單結(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)。由質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層、密封圈、雙極板等關(guān)鍵部件組成。通常以全氟磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)膜，用Pt/C或者PtRu/C作為催化劑。以陰陽極催化劑層和電解質(zhì)膜所組成的三合一組件統(tǒng)稱為膜電極，是 它的核心部件。

實際應(yīng)用的燃料電池電站是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、電池反應(yīng)、水熱管理等多個子系統(tǒng)。

它的工作原理是是氫氣和氧化劑分別由燃料電池的陽極和陰極流道進入電池內(nèi)部，經(jīng)過氣體擴散層后到達電極催化層。陽極側(cè)的氫氣在催化劑的作用下，解離成氫離子和電子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極側(cè)，電子則經(jīng)過外電路形成電流后到達陰極；在陰極催化劑的作用下，氧氣接受質(zhì)子和電子生成水分子，在整個過程中，外電路的電子流動形成電流。

目前限制質(zhì)子交換膜燃料電池進入商業(yè)化的最主要原因是成本和壽命兩大問題，尋找和開發(fā)新型材料成為解決這兩大問題、推進商業(yè)化進程的必然選擇，也是質(zhì)子交換膜燃料電池近些年來的研究重點和熱點。

3、熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）在高溫下工作（約 650℃），可以利用排氣余熱和燃氣輪機混合發(fā)電，發(fā)電效率通常高達50%以上，,可用多種燃料(如天然氣和煤)，不需要用鉑等貴重金屬作為催化劑，有望應(yīng)用到中心電站，工業(yè)化或商業(yè)化聯(lián)合發(fā)電，是目前燃料電池研究的主流之一，上圖為平板式熔融碳酸鹽燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意。它由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。目前,MCFC的主要技術(shù)問題已經(jīng)基本解決。美國、日本等正在進行十萬瓦和兆瓦級的實用演示試驗,預(yù)計距商業(yè)化為期不遠。

4、固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是20世紀八九十年代燃料電池研究的成果，該燃料電池具有諸多優(yōu)點。比如避免了使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕和電解質(zhì)流失等問題，反應(yīng)迅速，無須貴金屬催化劑，能量利用率高達80%以上，燃料廣泛，可以承受較高濃度的硫化物和CO的毒害，因此對電極的要求大大降低?；诖耍壳笆澜绺鲊荚诜e極投入SOFC技術(shù)的研發(fā)。

上圖為固體氧化物燃料電池的工作原理圖。它主要由陰極、陽極、電解質(zhì)和連接材料組 成。在陽極和陰極分別送入還原、氧化氣體后，氧氣在多孔的陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，生成氧負離子。氧負離子在電解質(zhì)中通過氧離子空位和氧離子之間的換位躍遷達到陽極，然后與燃料反應(yīng)，生成水和二氧化碳，因而形成了帶電離子的定向流動。

四、燃料電池的應(yīng)用

1、航天領(lǐng)域

早在上個世紀60年代，燃料電池就成功地應(yīng)用于航天技術(shù)，這種輕質(zhì)、高效的動力源一直是美國航天技術(shù)的首選。比如，以燃料電池為動力的 Gemini宇宙飛船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飛行。后來在Apollo宇宙飛船采用了堿性電解質(zhì)燃料電池，從此開啟了燃料電池航天應(yīng)用的新紀元。

中國科學院大連化學物理研究所早在70年代就成功研制了以航天應(yīng)用為背景的堿性燃料電池系統(tǒng)。A型額定功率為 500 W，B型額定功率為 300 W，燃料分別采用氫氣和肼在線分解氫，整個系統(tǒng)均經(jīng)過環(huán)境模擬實驗，接近實際應(yīng)用。這一航天用燃料電池研制成果為我國此后燃料電池在航天領(lǐng)域應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、潛艇

燃料電池作為潛艇AIP動力源，從2002年第一艘燃料電池AIP潛艇下水至今已經(jīng)有6艘在役。FC-AIP 潛艇具有續(xù)航時間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點，通常柴油機驅(qū)動的潛艇水下一次潛航時間僅為 2天，而FC-AIP潛艇一次潛航時間可達3周。

3、電動汽車

隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機汽車造成的環(huán)境污染日益加劇，同時，也面臨著對石油的依存度日益增加的嚴重問題．燃料電池作為汽車動力源是解決因汽車而產(chǎn)生的環(huán)境、能源問題的可行方案之一。燃料電池汽車示范在國內(nèi)外不斷興起，較著名的是歐洲城市清潔交通示范項目。

4、固定式分散電站

污染重、能效低一直是困擾火力發(fā)電的核心問題，燃料電池作為低碳、減排的清潔發(fā)電技術(shù)，受到國內(nèi)外的普遍重視。比如PAFC電站的代表性開發(fā)商UTC Power 公司已經(jīng)開發(fā)出了400 k W 磷酸燃料電池發(fā)電系統(tǒng)；PEMFC電站的代表性開發(fā)商Ballard 公司開發(fā)出了 250 k W ～ 1 MW的示范電站。