风力发电和超级电容器的混合储能系统

全球范围内储存的风能大约有亿兆瓦，在这当中有大约千万兆瓦是可以被开发利用的，其数量比可利用的水能的十倍还多。

我国风力资源居于世界首位，其中陆地储存的风力资源大约有三十万兆瓦，海面上能够储存的风力资源大约有八十万兆瓦，总量为百十万兆瓦。

加快推进风电建设，既能够优化我国的能源消费结构，又能够通过减少二氧化硫等污染气体和二氧化碳等温室气体的排放来减轻环境压力，同时，还可减轻能源进口方面的压力，对于提高我国能源供应的可靠性安全性和多样性方面将作出积极的贡献。

进入世纪以后，相关法律逐渐生效，按累计装机容量计算，风电行业进入黄金发展期，通过近几十年发展，实现了我国风电设备装机总量接近八百万千瓦，跻身全球第四。

由于发展时间较晚技术不够先进，估计在年风电总量也仅为我国电力总量的。

随着科技发展和政府支持，我国各个省份的风电建设快速发展。

从各地区风电建设情况来看，到年底，九个省的风力发电总装机容量高于百万千瓦，而且，其中四个省高于二百万千瓦。

根据我国的计划发展，再经过年发展，全国范围内风力发电累计装机容量最终实现万兆瓦。

根据有风电第纸媒之称的风能世界数据显示，风力发电设备的市场值已经达到到亿元人民币。

风电是个集控制材料力学电力系统等综合性学科的技术，随着风电的迅猛发展，风电方面的技术人才需求量也越来越大。

就风力发电的目前发展阶段来说，由于其低成本的优势，已对火力发电水力发电形成冲击，随着风电机组国产化以及发电的规模化，其成本还有可能再降低，所以风电已经成为投资者的另片热土。

在风电并网运行中，选择高性能电容器作为储能设备能够改善电能质量，同时能够增大电压输出范围，通过高性能电容器并联能够增加其容量来适应不同系统需要。

超级电容器在风电并网运行过程中发挥着重要作用，在用电高峰期超级电容器可以向电网释放储存的能量，而在发电高峰期时超级电容器可以吸收电网能量进行充电储能，如此反复充放电可以调节用电和发电之间的不平衡。

风能资源风能的估算风能的计算假设表示空气密度ν表示空气流动速度表示截面面积，则风能表达式为风能功率的表达式为其单位为，由上式可得，风能功率同空气密度垂直流过截面面积呈正相关关系，同风速ν的三次方也成正相关。

平均风能密度由风能密度定义可得其单位为。

平均风能密度表达式为般情况下，可以忽略空气密度的变化，所以可把上式简化为以上所讲的是在理想情况下的计算方法，但是由于实际计算中风能密度计算比较困难，可以利用测量的数据计算平均风能密度。

通过表达式，首先将每小时内风能密度求解出来，求和，再按照年内小时数进行平均，从而能得到年内平均风能密度。

此外，还可以根据观测的数据，把所有的风速值划分成的许多段，把每段风速大小平均值的立方乘以，然后再乘这个风速每年出现的小时数年，就能得到图的风能分布曲线。

然后，按求取，图风能分布于充放电状态时进行的不够充分。

解决方案采用无源元件的解决方案在高水平电压整流滤波中，超级电容器组可选择并联电阻的方法实现均压，如所示，其中。

当然，该方法也存在局限性，不适于在许多该元件串联的电路中使用。

图阻容均压方式除上述方式以外，我们也可以采用稳压型二极管进行电压均分或者采用定数目普通型二极管先串联然后并联在高性能电容器组两端进行电压均分，但是应用过程中，以上两种方法所涉及到稳压二极管稳压电压和普通二极管的导通电压将因温度不断改变而产生变动，因此不符合均压要求。

图稳压型二极均压图普通型二极管均压实用均压电路图实用均压电路所有电压水平中实现电压均分的思路动态均压方案指使高性能电容器组在充放电状态中使每个元件上电压实现均衡地种方案。

该方案利用先进地高效率双向转换技术，补偿每个高性能电容器的电流，进而能够达到使每个高性能电容器电压都均衡的要求。

风能和超级电容器的混合储能系统近代以来，在传统能源逐渐枯竭大力发展新能源的背景下，风能作为种简单的新能源越来越受到世界上各个国家的关注和广泛应用。

然而风能不同于传统能源，其中，间歇性和不稳定性是最为显著地区别。

这同时就使得利用风能进行发电的设备输出端口功率极其不稳定，跟随风向的变动而变动。

所以，为了解决风力发电的间歇性以及不稳定性等方面不足，可以在风力发电系统中采用超级电容器等储能技术，构建混合储能系统。

储能系统的作用在风力发电系统中，为了保证电能供应的稳定性，必须要采用储能系统，他有如下的作用负荷调节。

储能系统在用电高峰期时将储存的电能释放到电力系统中去，而在风能发电高峰期时，可以将剩余的电能储存储能系统中。

负荷跟踪。

系统稳定。

储能系统可以释放处于快速变动过程中的的有功以及无功功率，这样能够明显地削弱风电系统中的频率以及功率振荡。

功率因数的校正。

黑启动功能。

储能设备储存能量，可以提供处于孤岛运行状态的风电设备启动时所需能量。

可以降低发电设备对发电和输电总容量的调节。

储能设备可以降低负荷的波峰和波谷，也就是降低了系统对调峰容量大小的要求。

其次，在风力发电网络中装设储能设备，在发电高峰期时给储能设备进行充电，可以降低电力网络上负荷的最大容量，也就是升高电力网络的总容量。

可以提升电网对电能的使用。

储能设备在用电高峰期时将储存的电能释放到电力网络中去，也就是相当于增加了电力网络的总容量。

超级电容器储能技术在风电中的应用实际应用中可以通过增加储能系统或采用在亚最佳功率点运行的可变速发电机提高风力发电的电功率。

以上两种方法中，通过增加储能系统可能会提高建设成本，但它有不可替代的优点，如增强低电压的穿透性并增强其瞬态稳定性能还可以不需要机械的操作便可以进去任何种运行工况。

超级电容器作为种电磁储能形式，和风力发电系统配套使用有诸多益处，具有存储能量较大的优点，同时还继承传统电容器释放能量速度快的优点，此外超级电容器还具有对社会发展特别有益的对环境无污染和使用寿命长的优点。

应用过程中，必须选择功率转换器来连接储能设备以及风能发电设备。

功率变换器体积小控制型元件少且易于操控。

我们在实际应用中经常采用结构相对简单的功率转换元件图半桥式功率转换元件电路在用电高峰期时功率变换器可以向电网释放储存的电能，而在风能发电高峰期时，可以吸收电网剩余的电能进行充电储能。

其工作过程可用图表示图功率转换元件工作过程现阶段的风力发电设备内大多选择蓄电池作为存储能量设备，然而蓄电池又存在诸多缺点，所以我们也能够选择高性能电容器和蓄电池混合系统作为存储能量设备，例如，这样就可以优化蓄电池处于的充放电过程中的系列问题，提高系统能量转换效率，提高使用年限。

图电容器和蓄电池混合系统抑制风能随机波动的方式在以上章节的分析中，我们已经知道了风能具有随机性，我们在利用风能时要多加考虑其对风力发电系统的影响。

通过本节，我们可以在实际应用中采用加装超级电容器等措施来抑制风能的随机性。

抑制风力资源随机性可以包括下面的内容计算风能预测值计算储能设备的交换功率以及跟踪储能设备的功率。

其过程流程图如图所示图抑制风能随机性过程流程图第步，计算风能预测值在本篇文章中不考虑具体的计算方法，通过现成的方法来获取预测值。

第二步，由第步中所得数据来计算储能系统交换功率。

此外，还需要考虑超级电容器的最大吸收功率和最大释放功率以及本身的电荷电压状态，以便限定参考功率，使超级电容器工作在规定负荷范围内。

第三步，依据限定的参考功率，计算三相切换系统的电流，以便控制切换系统的开关，从而实现对储能系统功率的跟踪。

变换器调节母线电压，使电压始终在风能预测值储能系统交换功率三相切换系统预测控制直流母线电压变换器控制超级电容器储能系统值统率三相切换系统预测控制额定值附近波动，这样可以使超级电容器及时进行能量交换，同时也可以提高切换系统的精度。

结束语伴随着人民生活水平的进步提升，国家对能源的消耗越来越多，而生活中处处离不开电能的存在，单纯的依靠常规能源进行发电已经不能满足电量和环境保护的双重要求，此时，运用可再生能源风能进行发电的方式逐渐进入人们的视野，并越来越受到重视。

然而，风能具有间歇性和不稳定性，在向电网并网输电时输送的电功率也不稳定。

随着科技的进步以及对风电进行技术创新的要求与日俱增，人们发现需要在风力发电中应安装储能设备，而超级电容器具有诸多优点在发电低峰期，可以将存储的能量输送到电力网络中去而在风能发电高峰期，可以把电力网络中剩余的电能进行充电存储起来。

在本篇论文中，综合考虑了风能发电的影响因素，以及超级电容器的原理与应用等方面的问题，讨论了构建风能和超级电容器混合储能系统的需要和可行性。

由于本人能力有限，在文中只做了简单的介绍和讨论，另外，文中还有诸多不足之处，请各位多加批评指正。

参考文献赵振宙郑源高玉琴陈星莺编著，风力机原理与应用，中国水利水电出版社，吴双群赵丹平主编，风力发电原理，北京大学出版社，陈永珍编著，电容器及其应用，科学出版社，姚兴佳等著，风力发电机组理论与设计，机械工业出版社，翟宇著，超级电容器成组技术在风力发电系统中的应用，北京交通大学硕士论文，吴钢著，超级电容器抑制风能随机波动的建模和预测控制方法研究，浙江大学硕士论文，邓隐北，风力发电中的储能与超级电容器，郑州大学，赵丹平等，风力机设计理论和方法，北京大学出版社，宫靖远等，风电场工程技术手册，机械工业出版社，翟宇等著，北京交通大学，电气工程及其自动化，刘万琨，风能与风力发电技术，化学工业出版社，孟丽囹等，超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案，辽宁工学院学报，刘昌金等，基于超级储能系统的风电场功率控制系统设计，中国学术期刊谢辞经过这次本科毕业论文的学习，我基本完成了本次设计所要求的内容。

通过这次设计不仅使我对所学习得相关专业知识有了更深入的理解，更锻炼了自己思考和解决问题的能力。

在设计过程中，遇到了很多问题，也都通过知道老师的指导以及和周围同学的讨论得到了解决，使得本次毕业设计得以顺利完成。

本论文设计在张传洋老师的悉心指导和严格要求下已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着张传洋老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，张老师丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。

在此向张老师表示深深的感谢和崇高的敬意，另外，伴随毕业论文工作的即将结束，大学四年的生活也即将画上圆满的句号，在此祝愿大学的老师们身体健康，工作顺利，祝愿同学们万事如意，前程似锦，毕业论文风力发电和超级电容器的混合储能系统院部机械与电子工程学院专业班级电气工程及其自动化届次学生姓名学号指导教师日装订线目录摘要前言风能资源风能的估算风能的计算平均风能密度理论可用风能有效可用风能平均有效风能中国范围内的风能分布风力发电机组能量转换和传输理论能量传递理论机电能量转换理论风电设备的工作原理风力发电机的分类风力发电机组的设计基础设计的技术要求