風(fēng)電并網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的探討

趙燦燦

【摘 要】現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，由于環(huán)境污染和傳統(tǒng)能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，綠色環(huán)保新能源的開(kāi)發(fā)利用已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)對(duì)風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)及控制方案的理論分析，論證了風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，配合風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)和電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量，從而可以提高風(fēng)能的利用率，以及提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。本文探討了風(fēng)電并網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電并網(wǎng)；儲(chǔ)能技術(shù)；應(yīng)用

為了改善風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，在風(fēng)電并網(wǎng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)是十分有效的途徑之一。同時(shí)，對(duì)于多元化復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以有效的響應(yīng)風(fēng)電并網(wǎng)儲(chǔ)能。在今后，多元復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)組成，協(xié)調(diào)運(yùn)行和控制等是儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用研究的重要課題。

1 風(fēng)電并網(wǎng)存在的問(wèn)題

第一，頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，即部分風(fēng)電機(jī)構(gòu)在實(shí)踐生產(chǎn)過(guò)程中為了打造良好的額定功率輸出空間，注重在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中將DFIG 應(yīng)用于其中，但由于DFIG 轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)間存在著完全解耦控制效應(yīng)，由此呈現(xiàn)出無(wú)法及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)頻率的問(wèn)題。同時(shí)，由于DFIG 在運(yùn)行過(guò)程中慣性值處在0 的狀態(tài)下，最終促就了系統(tǒng)損失現(xiàn)象的凸顯。為此，當(dāng)代風(fēng)電并網(wǎng)領(lǐng)域在發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)提高對(duì)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題的重視，并對(duì)其展開(kāi)有效處理，將系統(tǒng)頻率偏移控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

第二，動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，即部分風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)工作開(kāi)展過(guò)程中，均采用ECS 并網(wǎng)形式，促就常規(guī)同步發(fā)電機(jī)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)間呈現(xiàn)出差異性問(wèn)題，最終削弱了系統(tǒng)故障保護(hù)能力。因而電網(wǎng)公司在并網(wǎng)操控過(guò)程中，為了打造良好的系統(tǒng)運(yùn)作空間，應(yīng)注重制定風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范。

第三，低電壓穿越問(wèn)題，即在風(fēng)電比例較高區(qū)域，部分風(fēng)電機(jī)組缺乏LVRT，繼而威脅到了并網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的安全性，且就此誘發(fā)過(guò)電流等故障現(xiàn)象。

2 風(fēng)電并網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

2.1提高風(fēng)電低壓穿透力

LVRT問(wèn)題是風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中最為常見(jiàn)的難題，時(shí)刻影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。要提高系統(tǒng)LVRT 能力，需要從兩個(gè)方面入手。首先，要不斷改進(jìn)系統(tǒng)的控制策略；其次是增加硬件設(shè)備投入來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT的提高。兩種方式各有利弊，后者投入更大，是當(dāng)前主要方法。通常，電力系統(tǒng)會(huì)通過(guò)配置ESS來(lái)提高LVRT能力。由于電網(wǎng)的故障暫態(tài)短，因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要具備快速反應(yīng)能力，同時(shí)能夠在電網(wǎng)故障的情況下有效掛網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 降低風(fēng)電的功率波動(dòng)

風(fēng)電輸出功率波動(dòng)和風(fēng)電的難以控制，是風(fēng)電入網(wǎng)穩(wěn)定性差、風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量不高以及電能調(diào)度的經(jīng)濟(jì)效益不高的重要原因。而在風(fēng)電系統(tǒng)中適當(dāng)配置ESS，并制定出科學(xué)合理的控制制度措施，可以有效平抑風(fēng)電的功率波動(dòng)問(wèn)題，減少風(fēng)速隨機(jī)變更對(duì)電力輸出產(chǎn)生的消極影響。抑制風(fēng)電功率異常波動(dòng)均采用若干單位組合的儲(chǔ)能單元來(lái)構(gòu)成ESS，通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能單元的控制措施，實(shí)現(xiàn)最小化的儲(chǔ)能容量與最大化的使用壽命周期，都是風(fēng)電并網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用研究過(guò)程中值得關(guān)注的問(wèn)題。

2.3 控制風(fēng)電系統(tǒng)的頻率

由于風(fēng)電能輸出過(guò)程中具有較大的隨機(jī)性以及電量爬坡特性，常規(guī)的電力系統(tǒng)控制措施難以對(duì)其做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和有效控制，而且風(fēng)電電網(wǎng)的頻率變化相應(yīng)更加難以捉摸，這就無(wú)限加大了電網(wǎng)調(diào)頻的難度。而ESS擁有快速功率反應(yīng)能力，而且能在正反雙向調(diào)節(jié)功率。

2.4 提高電力系統(tǒng)融入風(fēng)電之后的整體穩(wěn)定性

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在受到一定擾動(dòng)后能較快恢復(fù)原狀，而一旦電網(wǎng)含有風(fēng)電，由于風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)不同，其瞬間功率的平衡性較差，造成穩(wěn)定性較為特殊。而ESS 具有的快速功率反應(yīng)能力，為提高電力系統(tǒng)融入風(fēng)電之后的整體穩(wěn)定性提供了科學(xué)途徑。利用SMES來(lái)優(yōu)化含風(fēng)電的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出SEMS控制器，運(yùn)用槳距角控制和制動(dòng)電阻等方式對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，ESS的控制效果較為出色。

2.5 優(yōu)化風(fēng)電的調(diào)度配置

利用ESS 增強(qiáng)風(fēng)電輸出的可調(diào)度性，重點(diǎn)對(duì)其控制措施、配置容量以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益等方面的研究可以看出，采用蓄電池控制法，可使風(fēng)電基地能夠在短期內(nèi)具有良好的功率可調(diào)控性能。不過(guò)該方法充放電頻繁，不利于蓄電池的使用壽命保護(hù)。而風(fēng)電與柴油機(jī)聯(lián)合的系統(tǒng)也面臨著儲(chǔ)能容量的問(wèn)題亟待解決。但E SS的應(yīng)用則是供電成本最低的，而且能有效提高電網(wǎng)的可靠性。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)在LVRT 問(wèn)題中的應(yīng)用

為了提高風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT 能力，目前通常從單機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)兩個(gè)方面入手進(jìn)行，有改進(jìn)控制策略和增加硬件設(shè)備兩種方案。改進(jìn)控制策略不需要增加額外硬件設(shè)備，不過(guò)改進(jìn)控制策略無(wú)法從根本上來(lái)解決瞬時(shí)能量不平衡帶來(lái)的風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流問(wèn)題，只在故障電壓變化不明顯的情況下有較好的效果，當(dāng)故障電壓變化明顯時(shí)無(wú)法達(dá)到預(yù)期目的。增加硬件設(shè)備需要增加額外的成本，但效果明顯，能有效提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的LVRT 能力，是目前最常用的一種方法。在單機(jī)層面，通常將ESS 并聯(lián)在風(fēng)電機(jī)組ECS 直流母線上，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)利用ESS 的快速有功響應(yīng)能力來(lái)存儲(chǔ)瞬時(shí)過(guò)乘能量，從而通過(guò)單機(jī)層面來(lái)保障機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定，超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等技術(shù)在單機(jī)層面提高LVRT 能力都有所應(yīng)用。在風(fēng)電場(chǎng)層面，通常在風(fēng)電場(chǎng)出口母線上接入ESS，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)吸收系統(tǒng)無(wú)法送出的有功，以抑制電網(wǎng)故障時(shí)的瞬時(shí)故障過(guò)電流，并向電網(wǎng)連續(xù)、穩(wěn)定的輸出無(wú)功幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常，用以降低電網(wǎng)電壓崩潰的可能性，電容儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)層面都有所應(yīng)用。

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)在改善系統(tǒng)功率波動(dòng)中的應(yīng)用

風(fēng)電系統(tǒng)的波動(dòng)性會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)不良影響，同時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)的不易控制性還會(huì)增加電網(wǎng)調(diào)度難度。在風(fēng)電并網(wǎng)中，引入儲(chǔ)能技術(shù)利用相應(yīng)的控制策略，能有效的降低風(fēng)電出力波動(dòng)的影響，抑制風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)。如在機(jī)組直流母線上并聯(lián)超級(jí)電容器，利用模糊理論來(lái)協(xié)調(diào)控制，從而平抑風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)，這種方法需要準(zhǔn)確的對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，但對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)中的單機(jī)來(lái)說(shuō)，受到尾流效應(yīng)、塔影效應(yīng)等多方面的影響，要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的出力進(jìn)行預(yù)測(cè)有一定困難。在風(fēng)電場(chǎng)層面，目前常用兩級(jí)ESS來(lái)協(xié)調(diào)控制，即短期儲(chǔ)能和中期儲(chǔ)能協(xié)調(diào)的方法，可能很好的適用于在線控制，能有效解決容量、響應(yīng)速度等方面的問(wèn)題。此外，也有采用能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能混合的方法，這種方法也具有較好的平抑功率波動(dòng)能力。

3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的應(yīng)用

電力系統(tǒng)需要有較高的穩(wěn)定性，當(dāng)受到大的或小的擾動(dòng)時(shí)，要能迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，包括大干擾穩(wěn)定和小干擾穩(wěn)定。風(fēng)電并網(wǎng)中，風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)不同，造成其穩(wěn)定性的根本原因主要是由于系統(tǒng)瞬間功率的不平衡。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，能有效提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在大干擾穩(wěn)定控制方面，主要針對(duì)同步發(fā)電機(jī)功角和風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)根據(jù)槳距角、制動(dòng)電阻進(jìn)行控制。對(duì)于小干擾穩(wěn)定，則主要采用特征分析法，考慮風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定影響較小，這方面的應(yīng)用目前還相對(duì)較少。整體上，雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)能很好的提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但受風(fēng)電系統(tǒng)非線性運(yùn)行的影響，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)配置上還存在很大困難，整體應(yīng)用水平還較低。

總之，風(fēng)電是典型的隨機(jī)性、間歇性電能，其并網(wǎng)后將在一定程度上造成電網(wǎng)電壓、頻率不穩(wěn)定等負(fù)面影響，致使電能質(zhì)量下降，影響電網(wǎng)健康工作。如果這些問(wèn)題處理不當(dāng)，不僅危害電網(wǎng)負(fù)載，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)崩潰，給生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響風(fēng)電的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐勤，孫欣，于東.基于風(fēng)電不確定出力的風(fēng)電并網(wǎng)機(jī)組組合優(yōu)化[J].信息技術(shù).2017（03）

[2] 江卓璿.風(fēng)電并網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究與分析[J].橡塑技術(shù)與裝備.2016（12）

[3] 張飛，楊雨薇.儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用[J].電氣開(kāi)關(guān).2015（06）

（作者單位：新疆新能鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司）