風(fēng)電并網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究與分析

江卓璿（中海油大同煤制氣項(xiàng)目籌備組，山西 大同 037100）

?

風(fēng)電并網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究與分析

江卓璿
（中海油大同煤制氣項(xiàng)目籌備組，山西 大同 037100）

摘要：風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題主要就是儲(chǔ)能技術(shù)，怎樣去提升在風(fēng)電并網(wǎng)的過程中儲(chǔ)能問題是目前面臨的關(guān)鍵問題之一。本文簡要的總結(jié)了風(fēng)電并網(wǎng)中各儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，并分析了當(dāng)前情況下各種儲(chǔ)能技術(shù)存在的相關(guān)問題和原因，同時(shí)也對各儲(chǔ)能技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中問題展開了分析；其次本文重點(diǎn)闡述了儲(chǔ)能技術(shù)在低電壓穿越、功率波動(dòng)等方面最新的技術(shù)發(fā)展情況，這將為風(fēng)電并網(wǎng)在儲(chǔ)能技術(shù)方面的應(yīng)用及提升提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；儲(chǔ)能技術(shù)；并網(wǎng)運(yùn)行；有功控制；無功控制

在全球發(fā)展的背景下，能源、環(huán)境已經(jīng)成為世界性的難題，如何高效利用可再生年能源，提高可再生能源在整個(gè)能源消耗中的比重，是全球范圍內(nèi)各個(gè)國家的共同愿望，而風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種較為成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，它具有無污染、低消耗等特點(diǎn)，當(dāng)前雖然風(fēng)電已經(jīng)大規(guī)模的開始應(yīng)用，但它在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給整個(gè)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)帶來了安全方面的問題，隨著風(fēng)電機(jī)組在單機(jī)容量的提高、風(fēng)電傳統(tǒng)率的提高，相當(dāng)規(guī)模的風(fēng)電開始直接進(jìn)入傳統(tǒng)的輸電系統(tǒng)，這對整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全的運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。而儲(chǔ)能技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵，國外將這一些列問題統(tǒng)稱為ESS，即儲(chǔ)能系統(tǒng)，是一種如何將電能轉(zhuǎn)化為其他能儲(chǔ)存的能量，如化學(xué)能、電磁能等形態(tài)，在需要時(shí)再將這些能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸送。其中儲(chǔ)能介質(zhì)和能量轉(zhuǎn)接口是ESS的主要組成部分， 通過相應(yīng)的控制技術(shù)，ESS可以實(shí)現(xiàn)輸電功率的實(shí)時(shí)控制，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)的收集能量同時(shí)也可以做到合理的釋放。同時(shí)，ESS也可以進(jìn)行有功、無功的調(diào)節(jié)，如果在風(fēng)電系統(tǒng)中結(jié)合ESS，則可以顯著的提高對電功率的控制，從而進(jìn)一步的提升整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，改善及優(yōu)化整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率等。

1　風(fēng)電并網(wǎng)存在的問題

風(fēng)電自身的輸出功率有著不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，特別是在國內(nèi)，風(fēng)電的規(guī)模大，集中度高，相近的風(fēng)電場的輸出力有著很強(qiáng)的相關(guān)性，所以風(fēng)電出力的波動(dòng)會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)帶來很大的影響。其次，現(xiàn)有的風(fēng)電控制設(shè)計(jì)一般是假設(shè)接入強(qiáng)電網(wǎng)而設(shè)計(jì)，而風(fēng)電機(jī)組在遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的特點(diǎn)下，就與電網(wǎng)系統(tǒng)之間有著相對較弱的鏈接，另一點(diǎn)就是，國內(nèi)大多的風(fēng)電機(jī)組是通過電子結(jié)構(gòu)并網(wǎng)的，它的特點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這也傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)有著較大差別，所以以上情況也導(dǎo)致了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在穩(wěn)定控制、故障保護(hù)等方面的問題難以維護(hù)，對整個(gè)電力系統(tǒng)的安全也構(gòu)成了威脅。為了保證大范圍的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)公司對風(fēng)電場在出力波動(dòng)、無功調(diào)節(jié)等方面做出了嚴(yán)格的規(guī)定，這也導(dǎo)致了很多風(fēng)電場達(dá)不到入網(wǎng)條件，致使風(fēng)電機(jī)的閑置運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

綜上所述，風(fēng)電功率的可控性、ECS動(dòng)態(tài)響應(yīng)這兩方面的問題是風(fēng)電并網(wǎng)存在的主要問題，其中風(fēng)電功率缺乏可控性是導(dǎo)致供電穩(wěn)定性和充足性等問題的關(guān)鍵原因。而有功、無功功率是風(fēng)電對功率的控制主要方面。從傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)來看，有功功率的控制是保障整個(gè)電力系統(tǒng)和輸出功率穩(wěn)定的主要因素，對無功功率的控制主要體現(xiàn)在對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定方面。但由于風(fēng)電機(jī)組的特殊機(jī)構(gòu)，風(fēng)力的無規(guī)則變化等，風(fēng)電的電功率有著較差的可控性。目前還有很多亟待解決的問題，如風(fēng)速的極端變化引起的有功的巨大波動(dòng)等，從而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，引起功率振蕩，另外還有風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越等相關(guān)問題。

所以，對風(fēng)電系統(tǒng)功率的控制性問題顯得越來越重要，急需引進(jìn)、創(chuàng)新新的技術(shù)來提高對風(fēng)電的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制，使其對傳統(tǒng)的電網(wǎng)有著更好的兼容性。

2　儲(chǔ)能技術(shù)概況

目前的主要儲(chǔ)能技術(shù)有化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及相變儲(chǔ)能等?；瘜W(xué)儲(chǔ)能包括各種電池的技術(shù)等；物理儲(chǔ)能主要有抽水、壓縮空氣等儲(chǔ)能方式；電磁儲(chǔ)能有吵到磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能等。而箱變儲(chǔ)能則與上述儲(chǔ)能方式有著本質(zhì)的不同，其在功率、能量等涉及較多的復(fù)雜因素，對此本論文不予討論。但隨著智能電網(wǎng)的快速推進(jìn)，相變儲(chǔ)能將在DSM（需求側(cè)管理）方面發(fā)揮越來越重要的作用。

3　儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3.1提高風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力

低電壓穿越（LVRT）能力是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素之一，也是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中急需解決的困難。對LVRT能力的提高對風(fēng)電系統(tǒng)而言可以從兩個(gè)方面展開，一是單機(jī)電組，另一個(gè)是風(fēng)電場。對風(fēng)電機(jī)組來說，一方面是控制策略的改進(jìn)。無需添加額外的硬件設(shè)施，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。但這種方法無法從根本上解決電力系統(tǒng)過程中能力過剩的問題，因?yàn)殡娋W(wǎng)系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的暫態(tài)電壓和電流都過剩，使整個(gè)電力系統(tǒng)的瞬時(shí)能量達(dá)不到平衡。所以這種策略很難產(chǎn)生理想效果，并且只在故障過程中電壓變化不明顯的時(shí)候才有效果；另一方面就是增加額外的硬件設(shè)備。對風(fēng)電場來說，使用哭訴儲(chǔ)能系統(tǒng)，把它作為一個(gè)特殊的FACTS設(shè)備，這是在單機(jī)層面和風(fēng)電場方面都有著較好的效果。

對于單機(jī)層面來說，一般情況下，將ESS和風(fēng)電機(jī)組ECS的直流母線并聯(lián)，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，則儲(chǔ)能系統(tǒng)將迅速響應(yīng)，把瞬時(shí)的過剩能量儲(chǔ)存，從而提高風(fēng)電機(jī)組對故障的應(yīng)對。相關(guān)文獻(xiàn)也對DFIG風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了研究，將機(jī)組中間直流母線并入超級(jí)電容的方法，進(jìn)而改善機(jī)組的LVRT能量，同時(shí)也分析了其在滿足電網(wǎng)規(guī)定的狀態(tài)下的儲(chǔ)能能力，文獻(xiàn)中也提出了利用飛輪儲(chǔ)能的相關(guān)控制策略，將飛輪儲(chǔ)能和風(fēng)電機(jī)組的功率進(jìn)行相互調(diào)節(jié)控制，在電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，利用飛輪儲(chǔ)能在有功調(diào)節(jié)方面的迅速響應(yīng)，來保障風(fēng)電機(jī)組在母線上的電壓穩(wěn)定，另一方面在風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變換器上，向電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出一定的無功，使電壓穩(wěn)定，進(jìn)而提高風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力。

對與風(fēng)電場層面來說，一般情況下在風(fēng)電場出口的母線上連接ESS，這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)就能及時(shí)吸收在電網(wǎng)故障過程中無法輸送的有功，使瞬時(shí)故障電流穩(wěn)定，同時(shí)穩(wěn)定的向電網(wǎng)輸送一定的無功從而是電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，減少連鎖故障的可能性，進(jìn)一步提高風(fēng)電場的LVRT能力。再者就是用電電容儲(chǔ)能來提高風(fēng)電機(jī)組電場的LVRT能力，在電壓不同的跌程度、持續(xù)時(shí)間等對稱故障，以及有關(guān)永久性故障等情況下，對電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了全面的仿真和分析，先關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電容儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)故障過程中，可以有效的提高風(fēng)電場的LVRT能力。

由以上兩點(diǎn)來看，合理的在風(fēng)電系統(tǒng)中配備ESS可以顯著的提高風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT能力。另一方由于電網(wǎng)故障往往具有瞬時(shí)性，這就對儲(chǔ)能系統(tǒng)在有功、無功方面的快速響應(yīng)有著較高的要求，這樣也能夠使風(fēng)電系統(tǒng)自身能夠在電網(wǎng)系統(tǒng)故障中穩(wěn)定的掛網(wǎng)運(yùn)行。

3.2平抑功率波動(dòng)

風(fēng)電系統(tǒng)造成電網(wǎng)穩(wěn)定性差、電能質(zhì)量低的根本原因就在于出力波動(dòng)及不易控制。通過有效的引入ESS，并提供控制策略，這樣在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)就可以減小隨機(jī)變化的風(fēng)速對風(fēng)電出力的影響，從而減弱風(fēng)電出力波動(dòng)。近幾年以來，在利用ESS來抑制風(fēng)電功率波動(dòng)方面有了較多的研究，從效果來說產(chǎn)生了很多有價(jià)值的信息。研究的方面可以分為單機(jī)層面的應(yīng)用，風(fēng)電場方面的應(yīng)用。從單機(jī)角度來說，相關(guān)研究提出了在DFIG的母線上并聯(lián)超級(jí)電容，通過相關(guān)控制策略，用來減弱風(fēng)電機(jī)組的功率波動(dòng)。相關(guān)文獻(xiàn)不僅對其進(jìn)行了驗(yàn)證，還對儲(chǔ)能容量進(jìn)行了研究，指出儲(chǔ)能對與波動(dòng)的有效改善主要還取決于風(fēng)電機(jī)組的出力情況。對于風(fēng)電場里的單機(jī)組來說，由于受諸多因素的影響如尾流效應(yīng)等，及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測出出力情況很難，在實(shí)際情況中也難以實(shí)現(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)提出了通過模糊控制，利用飛輪儲(chǔ)能裝置并聯(lián)母線上永磁風(fēng)電同步機(jī)組，來實(shí)現(xiàn)抑制風(fēng)電機(jī)組的功率輸出波動(dòng)。相關(guān)文獻(xiàn)中在進(jìn)行理論分析的同時(shí)也進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證，驗(yàn)證了控制策略的可實(shí)施性，同時(shí)也研究了飛輪儲(chǔ)能的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李俊峰. 2012 中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[2] 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S]. 北京: 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005.

[3] 丁明，徐寧舟, 畢銳. 用于平抑可再生能源功率波動(dòng)的儲(chǔ)能電站建模及評價(jià)[J]. 電系統(tǒng)自動(dòng)化，2011,35(2):66～72.

(P-01)

Research and analysis of wind power grid energy storage technology

中圖分類號(hào)：TM614

文章編號(hào)：1009-797X(2016)12-0013-02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.005

作者簡介：江卓璿（1982－），男，本科學(xué)歷，畢業(yè)于天津理工大學(xué)，測控技術(shù)與儀器方向。

收稿日期：2016-05-16