基于風電波動平抑的儲能技術與控制策略研究

(福州大學電氣工程與自動化學院 福建 閩侯 350108)

引言

21世紀是新能源的時代，可再生能源替代傳統(tǒng)煤炭石油的不可再生能源，是構建可持續(xù)發(fā)展體系至關重要的一步。風電能源在世界上受到推廣，且風電技術在世界上相對比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模風電群發(fā)展，我國海上和陸上風能資源豐富，充分利用好可再生能源，可以實現(xiàn)我國經(jīng)濟能源的重大轉(zhuǎn)型。然而風電具有隨機性和間歇性的特點，這會導致風電系統(tǒng)出力的波動，從而對電力系統(tǒng)造成頻率的波動和電壓功率的波動，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

平抑風電波動的辦法有兩種，一種是從高載能負荷平抑，另外一種則是使用儲能系統(tǒng)平抑。高載能負荷平抑風電波動的辦法，要求風電系統(tǒng)必須安設相應的電力能源為有功出力提供補償[1]。當風電波動較大的時候，電網(wǎng)自身的調(diào)節(jié)能力無法正常處理風電的波動，可以通過短時間中斷高載能負荷來平抑風電波動。該種手段只是針對風電的控制，能夠應對較短時間的風電波動，對于長時間的波動束手無策，而且使用不當會對電力系統(tǒng)的繼電保護造成損耗，電力系統(tǒng)功率損耗也會曾大。另外一種方法儲能系統(tǒng)平抑風電波動，隨著風氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，還有超級電容和超導儲能的發(fā)展，新型儲能技術實現(xiàn)了規(guī)?；骄_化的發(fā)展，儲能系統(tǒng)平抑風電波動成為了當下最具發(fā)展前景的模式。儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電，電能轉(zhuǎn)化效率最高能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上，能夠更加靈活平抑風電的波動[2]。然而不同的儲能系統(tǒng)控制手段和目標也不僅相同，相同的應用領域，不同的儲能系統(tǒng)實現(xiàn)的結果也不同。

目前我國風電系統(tǒng)容量，并網(wǎng)量都是世界領先水平，但是我國的“棄風量”也是特別高，說明我們的風能利用率還是不足，2015年我國的棄風率為15%，2016年1—6月棄風率達21%，其中新疆為43.9%。棄風的最主要的原因就是由于風能的隨機性，造成了風電系統(tǒng)頻率、功率和電壓的波動。我國“三北地區(qū)”棄風量始終維持在高位，不僅是由于用電負荷較低和用電增速較緩慢，還是由于風電送出線路架設尚未完工。因此，儲能系統(tǒng)可以有效配合電力網(wǎng)絡進行峰調(diào)和頻率調(diào)制，加強風電的消納能力，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

一、風電儲能系統(tǒng)應用基本構架

青海省發(fā)改委制定的《青海省2017年風電開發(fā)建設方案》中項目規(guī)模合計3.3GW，要求各項目按照建設規(guī)模的10%配套儲電裝置。而在實際的運用中，風電儲能系統(tǒng)的配置主要是根據(jù)當?shù)氐南揠娗闆r而進行不同調(diào)整，沒有一個確定的標準。根據(jù)我國的風電場構建國家標準，參考河北建投沽源風電制氫綜合利用示范項目制氫站工程，大致依據(jù)風氫耦合發(fā)電系統(tǒng)構建風電系統(tǒng)：

圖 1-1

根據(jù)上述的風電系統(tǒng)模型，大型風電場利用豐富的風能資源，產(chǎn)生一定的風電場輸出功率Pw，當風電出力比較充足的時候，一部分輸出功率Pw1作為風電場的并網(wǎng)功率，通過電力系統(tǒng)的并網(wǎng)送入大電網(wǎng)(電力系統(tǒng))，另外一部分的輸出功率Pw2則進入到儲能系統(tǒng)當中，此時儲能系統(tǒng)處于電能存儲的狀態(tài)，發(fā)送信號至儲能管理系統(tǒng)，進而實現(xiàn)相應的功率波動平抑算法。當風電出力處于波動較大的時候，此時中央控制CPU就根據(jù)此時的情況，發(fā)送相應的信號至風電波動平抑算法，通過計算將信號傳送回儲能控制中央管理系統(tǒng)，進而發(fā)送信號至儲能系統(tǒng)提供平抑波動相應的功率Pc1，以平衡風電場輸出的功率，使電力系統(tǒng)的上網(wǎng)出力處于穩(wěn)定狀態(tài)。

二、儲能系統(tǒng)分類與原理

儲能技術路徑繁多，各自具有不同的特點和應用場景，但不存在一種技術能覆蓋全方位的場合。需要綜合比較儲能技術在風電系統(tǒng)中的優(yōu)缺點，全面地對儲能系統(tǒng)進行分析，以達到最大限度平抑風電功率波動對電力系統(tǒng)造成的影響。

(一)鋰電池儲能技術

根據(jù)張北地區(qū)風光儲輸示范項目，我國青海地區(qū)施行“風電+10%儲電裝置”是探索儲能系統(tǒng)促進風電并網(wǎng)的示范項目，但是尚未實現(xiàn)規(guī)劃化發(fā)展，其中蓄電池儲能技術為核心關鍵，蓄電池采用磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長和綠色環(huán)保的優(yōu)點。

磷酸鐵鋰電池的儲能系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)化原理如下：充電階段，大電網(wǎng)或電力系統(tǒng)為蓄電池儲能系統(tǒng)進行充電，由于蓄電池使用直流電進行能量的轉(zhuǎn)化，因此從大電網(wǎng)輸出的交流電經(jīng)過整流器后整流為直流電，接著向儲能電池模塊充電并儲存能量；放電階段，儲能系統(tǒng)輸出的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，向大電網(wǎng)或電力系統(tǒng)負載進行放電，直流電經(jīng)過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^電力系統(tǒng)的中央監(jiān)控系統(tǒng)控制逆變輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)儲能系統(tǒng)向大電網(wǎng)或電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定功率輸出。然而，鋰電池儲能技術的成本比較高，對電力系統(tǒng)經(jīng)濟性進行考慮，不適合大規(guī)模采用鋰電池儲能技術。

圖2-1

(二)空氣壓縮儲能技術

壓縮空氣儲能，是指在電力系統(tǒng)用電負荷低谷時期，將電能用于空氣壓縮，將能量存儲起來，在電力系統(tǒng)負荷高峰時期釋放壓縮的空氣，推動汽輪機或飛輪機組發(fā)電?？諝鈮嚎s儲能，能夠?qū)⒏呙芏鹊目諝獯鎯υ谀透邏涸O備中，能夠存儲較高的電能，同時空氣壓縮儲能能夠保持電能質(zhì)量和穩(wěn)定。目前世界上已經(jīng)有兩座大型傳統(tǒng)空氣壓縮儲能電站在運行，第一座是1978 年投入商業(yè)運行的德國Huntorf 電站。壓縮機組采用的是兩級壓縮兩級膨脹，壓縮空氣存儲在地下600 米的廢棄礦洞中，機組可連續(xù)充氣8 小時，連續(xù)發(fā)電2 小時。機組從靜止到滿負荷需要11 分鐘，冷態(tài)啟動至滿負荷約需6 分鐘，電站效率為42%。第二座是于1991 年投入商業(yè)運行的美國McIntosh 電站。其儲氣洞穴在地下450 米，可實現(xiàn)連續(xù)41 小時充氣和26 小時發(fā)電，機組從啟動到滿負荷約需9 分鐘，系統(tǒng)效率為54%。

將風氣壓縮床技術運用到運用到風電系統(tǒng)，是最早運用于電力系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻的手段，因此壓縮空氣是主要的大規(guī)模容量型儲能技術之一，可以將電能在用電低谷時期存儲起來，實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，提升電力系統(tǒng)運行效率和電力行業(yè)的經(jīng)濟性。然而，目前世界上能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)?？諝鈮嚎s儲能技術的仍是只有幾座發(fā)電站，對其的相關技術研究還是比較缺乏。

(三)氫儲能技術

氫儲能技術的基本原理就是在電解槽中電解水制氫氣和氧氣，通過將一定量的水加入電解槽中，然后通過送入的電能，在一定的化學反應下產(chǎn)生我們所需要的氫氣，由于電解水的產(chǎn)物只有氧氣和氫氣，所以是完全清潔無污染的。目前常用的堿性電解槽，通常液體環(huán)境為氫氧化鈉或者是氫氧化鉀，加入穩(wěn)定的催化劑在高溫條件下，通入電后陰極能夠產(chǎn)生高效的氫氣，而且通過該種方法產(chǎn)生的氫氣的純度能夠高達98%以上，是效率非常高非?？煽康闹茪涞倪x擇[3]。

氫儲能的核心原理就是在風電充足但是無法上網(wǎng)的時候，通過電解槽產(chǎn)生氫氣，然后通過壓縮機存儲設備將氫氣作為一個存儲媒介將電能存儲起。當對電能的需求大或者用于其他用途時，將氫氣通過燃料電池、內(nèi)燃機或者其他設備重新轉(zhuǎn)化成電能供使用。通常氫儲能的過程是電能轉(zhuǎn)化成氫存儲后再轉(zhuǎn)化成電能的電-氫-電循環(huán)過程，常見的而是將氫氣轉(zhuǎn)化成為CH類的烷烴氣體，根據(jù)烷烴氣體的理化特性，在一定條件下可以提供高效的電能。可以看出電能和氫之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，兩者之間存在著重要的關系[4]。氫儲能技術能夠?qū)崿F(xiàn)100%的清潔環(huán)保，能量密度高，但是制氫成本高，能夠?qū)崿F(xiàn)風電系統(tǒng)大規(guī)模儲能。

(四)超級電容儲能

超級電容器不同于傳統(tǒng)的電容，是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池器件的具有特殊性能的電源，其中研究較多的是雙電層超級電容器。雙電層超級電容器主要是根據(jù)雙電層和氧化還原假電容電荷存儲電能，當電容器的外加電壓至超級電容器的正負極板上時，正電極開始存儲正電荷，負極板開始存儲負電荷，因此超級電容器內(nèi)部產(chǎn)生一個電場，超級電容內(nèi)部的電解液和正負電極板上會形成一個相反的電荷，以平衡電解液內(nèi)部形成的電場，因此超級電容的電容量非常大[5]。

而雙電層超級電容器儲能的過程是可逆的，因此超級電容器可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的要求。另外一方面超級電容器經(jīng)過測試可是反復使用數(shù)十萬次，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的使用，且使用的效率高達95%以上，是目前儲能系統(tǒng)中效率最高的一種儲能技術，耐高溫的能力強，是除了氫儲能系統(tǒng)外最理想的綠色環(huán)保儲能技術。

三、儲能技術應用展望

通過對四種儲能技術的研究，不同的儲能技術使用的環(huán)境不同，擁有各自的原理。儲能技術能夠很好契合風力發(fā)電系統(tǒng)，由于風電的波動性和隨機性，會導致風電出力電壓頻率的波動，使得風電上網(wǎng)的時候，為了維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，不得已采取大規(guī)模的“棄風”[6]。儲能系統(tǒng)能夠在風電出力低谷的時候，將能量存儲起來，在用電負荷高峰時期，實現(xiàn)大規(guī)模的供電。隨著我國用電需求增加，風電系統(tǒng)的功率和頻率的波動愈加劇烈，單一的儲能系統(tǒng)無法很好的實現(xiàn)效益最大化，根據(jù)電力系統(tǒng)經(jīng)濟效益和儲能系統(tǒng)容量配置，可以采用多級混合儲能技術，以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最優(yōu)。