應(yīng)用儲能技術(shù)對風(fēng)電場低電壓穿越的分析

白俊文 太原理工大學(xué)/山西漳澤電力股份有限公司新能源管理部

隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，風(fēng)電作為一種清潔可再生資源，也被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。然而一旦發(fā)生電網(wǎng)事故，就會對風(fēng)電造成沖擊，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)、機(jī)組解列情況，究其原因還是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力，一旦發(fā)生電網(wǎng)故障，網(wǎng)點(diǎn)電壓就會不斷下降，最終促使風(fēng)機(jī)迫停。為確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，就需要風(fēng)電場具備低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)故障情況下，可以在低電壓一段時(shí)間內(nèi)保證并網(wǎng)運(yùn)行。在本文中，結(jié)合儲能技術(shù)，對其應(yīng)用于風(fēng)電場低電壓穿越進(jìn)行詳細(xì)分析和探討。

1 基于儲能技術(shù)的低電壓穿越技術(shù)分析

現(xiàn)目前，應(yīng)用到低電壓穿越技術(shù)中的儲能技術(shù)，又包含了飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等內(nèi)容。其主要技術(shù)原理為：充分借助儲能裝置，達(dá)到快速去磁和削減風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過電流的目的。同時(shí)在故障狀態(tài)下快速吸收能量，以降低風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)過電壓，還能夠密切配合網(wǎng)側(cè)變換器對無功功率進(jìn)行有效控制，在保障并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，促進(jìn)風(fēng)電機(jī)組快速恢復(fù)。

1.1 飛輪儲能

飛輪儲能主要是利用大規(guī)模轉(zhuǎn)盤的慣性實(shí)現(xiàn)儲能，其中涉及到的技術(shù)有電磁懸浮軸承、電力電子技術(shù)等。通過與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)連接，可以實(shí)現(xiàn)儲存和釋放能量，當(dāng)處于發(fā)電機(jī)飛輪減速模式時(shí)，就可以釋放電能，若是處于電動機(jī)飛輪加速模式，就可以實(shí)現(xiàn)電能儲存，如下圖1所示。對飛輪儲能進(jìn)行應(yīng)用具有響應(yīng)速度快、能量密度高等優(yōu)勢特點(diǎn)，可以極大的改善系統(tǒng)穩(wěn)定性情況。但是由于該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，所耗費(fèi)的成本也比較高，使其在實(shí)際應(yīng)用中遭受到諸多限制。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)配置

1.2 蓄電池儲能

蓄電池作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于海洋探測、無線網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)穩(wěn)定等當(dāng)中，它可以以補(bǔ)償元件的方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換，還可以通過改變變換器觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)無功源使用。但是該項(xiàng)技術(shù)在風(fēng)電接入下進(jìn)行使用，其充電和放電都會遭受到限制，并且使用壽命比較短，所需維護(hù)費(fèi)用比較高。將蓄電池應(yīng)用到低電壓穿越中，多是與其他高功率密度儲能技術(shù)相聯(lián)合進(jìn)行使用，可以增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)抵御電網(wǎng)故障能力，配合Crowbar裝置，還能夠保障風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)電壓穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 超導(dǎo)儲能

超導(dǎo)儲能作為現(xiàn)代比較新穎的一種儲能技術(shù)，主要是通過超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)電能儲存，進(jìn)而滿足電能補(bǔ)償需要。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在能量密度高、損耗小、轉(zhuǎn)換效率高等方面，劣勢則表現(xiàn)為需要冷卻裝置在其中發(fā)揮作用，最終使得應(yīng)用成本提升。將超導(dǎo)儲能技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電中，主要是通過變換器實(shí)現(xiàn)，將之接入到風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)，在與風(fēng)電機(jī)組側(cè)、網(wǎng)測變換器相互協(xié)同下，保障和提高電壓穩(wěn)定性和可靠性。再加上超導(dǎo)儲能的功率密度比較高，也較適合應(yīng)用到低電壓穿越中，可以快速的滿足充電和放電需求，但是想要取得理想應(yīng)用效果，還需要在做出進(jìn)一步努力，改善成本高、受電磁環(huán)境影響等問題。

1.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能又可以稱之為超大容量電容器，其主要是通過電荷分離實(shí)現(xiàn)儲能，也具有充放電迅速、使用壽命長、安全性高等應(yīng)用優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以直接通過控制變換器實(shí)現(xiàn)充電和放電，與上述提到的飛輪儲能和超導(dǎo)儲能相比較，超級電容器儲能在控制上更加簡單，也無需進(jìn)行維護(hù)和移動，將其應(yīng)用到低電壓穿越中，可以充分起到提高穿越能力、保障電壓穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量的作用。

2 儲能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場低電壓穿越分析

2.1 DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

應(yīng)用儲能技術(shù)提升風(fēng)電場低電壓穿越能力，可以通過變換器直接接入到風(fēng)電系統(tǒng)中，這時(shí)候變換器需要滿足雙向能量流動、高效率、可以承受高峰功率和占地小要求。若是需要將儲能系統(tǒng)連接到高電壓直流母線上，儲能就需要位于低壓側(cè)，反之位于高壓側(cè)，如果是采用高頻控制的變換器，就可以采用隔離式DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總之，儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，需要根據(jù)實(shí)際使用場合進(jìn)行恰當(dāng)選擇。

2.2 基于儲能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過儲能系統(tǒng)提升低電壓穿越能力主要有以下方式：（1）通過換流器直流側(cè)直接接入，如下圖2所示，采取該種方式主要是借助較為穩(wěn)定的直流側(cè)電壓避免換流器觸發(fā)到保護(hù)動作；（2）從公共耦合點(diǎn)進(jìn)行接入，涉及到的復(fù)合儲能系統(tǒng)則可以由蓄電池、超導(dǎo)儲能等組合而成，通過無功補(bǔ)償方式保障電壓穩(wěn)定，避免風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)情況發(fā)生。

圖2 直流側(cè)接入儲能系統(tǒng)

2.3 混合儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從滿足能量密度、使用壽命、成本等角度出發(fā)，將儲能技術(shù)應(yīng)用到低電壓穿越中還能夠通過多種儲能技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。通常情況下，混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成可以是蓄電池+超級電容器、蓄電池+飛輪混合和蓄電池+超導(dǎo)混合儲能三種方式，再通過交流側(cè)并聯(lián)、共用變換器、單變換器和兩變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式，使之構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)。其中，飛輪、超導(dǎo)和超級電容器功率密度雖然比較高，但是能量密度較小，但是蓄電池正好相反，通過混合儲能的方式，可以更好滿足低電壓穿越需求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，充分發(fā)揮出提高效率、延長壽命等作用。

3 儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的展望

儲能技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電場低電壓穿越中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是想要進(jìn)一步提升儲能技術(shù)在低電壓穿越中的應(yīng)用能力，還需要深入研究和分析以下問題：（1）儲能關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題，盡管蓄電池和超級電容器儲能技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代密切關(guān)注的低電壓穿越技術(shù)，但是對其他低電壓穿越技術(shù)研究還有待加強(qiáng)，尤其是飛輪儲能技術(shù)存在得磁懸浮軸承溫度過高、超導(dǎo)儲能冷卻、電磁敏感等問題；（2）明確應(yīng)用到低電壓穿越技術(shù)的儲能容量及其類型，即結(jié)合風(fēng)電機(jī)組位置、接入規(guī)模等的確定所需儲能容量和類型，進(jìn)而充分發(fā)揮不同儲能方式應(yīng)用優(yōu)勢；（3）確定儲能技術(shù)應(yīng)用配置方案及其協(xié)調(diào)控制，簡單來說就是需要根據(jù)風(fēng)電分布及其機(jī)組的類型，保障儲能系統(tǒng)接入和組合方案科學(xué)、合理，同時(shí)針對混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，也要采取有效協(xié)調(diào)控制策略，保障其發(fā)揮相互協(xié)調(diào)和優(yōu)勢互補(bǔ)作用。

結(jié)語：在本文中，對儲能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場低電壓穿越進(jìn)行分析，主要是從基于儲能技術(shù)的低電壓穿越技術(shù)分析展開，對儲能技術(shù)中飛輪儲能、蓄電池儲能、超導(dǎo)儲能等技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡釋，同時(shí)對儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，最后也對儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的應(yīng)用進(jìn)行展望，通過對儲能技術(shù)加大研究，并對儲能技術(shù)在低電壓穿越中應(yīng)用存在的問題進(jìn)行妥善解決，也將進(jìn)一步提高儲能技術(shù)應(yīng)用效果。