引言

根據(jù)新能源振興規(guī)劃，預(yù)計(jì)到 2020 年我國風(fēng)力裝機(jī)容量將達(dá)到 1.5 億 kW，將超過電力總裝機(jī)容量的 10%。

從電網(wǎng)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)及大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的長遠(yuǎn)利益考慮，提高風(fēng)電場輸出功率的可控性，是目前風(fēng)力發(fā)電技 術(shù)的重要發(fā)展方向。把風(fēng)力發(fā)電技術(shù)引入儲能系統(tǒng)，能有效地抑制風(fēng)電功率波動，平滑輸出電壓，提高電能質(zhì)量，是保證風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行、促進(jìn)風(fēng)能利用的關(guān)鍵技術(shù)和主流方式。

隨著電力電子學(xué)、材料學(xué)等學(xué)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(jìn)步， 拓寬了儲能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域， 特別是在風(fēng)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(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放;PCS 主要實(shí)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(xué)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(xué)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(jī)械儲能方式，其基本原理是將電能轉(zhuǎn)換成飛輪運(yùn)動的動能， 并長期蓄存起來， 需要時再將飛輪運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)換成電能，供電力用戶使用。

高強(qiáng)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(jìn)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(dá) 20 a，工作溫區(qū)為-40~50 ℃，無噪聲，無污染，維護(hù)簡單，可連續(xù)工作。若通過積木式組合后，飛輪 儲能可以達(dá)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(jī)構(gòu)已將儲能飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3]。

文獻(xiàn)[4]利用飛輪儲能電池取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池來充當(dāng)孤島型風(fēng)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(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一方法能有效地改善電能質(zhì)量， 解決 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與負(fù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)全程調(diào)峰， 飛輪機(jī)組的發(fā)電功率為 300kW，大容量 儲能飛輪的儲能為 277 kWh，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出性能及經(jīng)濟(jì)性能良好。

中國科學(xué)院電工研究所已經(jīng)研制出飛輪儲能用高速電機(jī); 華北電力大學(xué)研制出儲能 2 MJ、最高發(fā)電功率 10 kW 的準(zhǔn)磁懸浮飛輪儲能裝置。

飛輪儲能技術(shù)正在向大型機(jī)發(fā)展， 其難點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)、低功耗磁軸承、安全防護(hù)等方面。