風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究

李剛

摘要：風能作為可再生能源投入發(fā)電產(chǎn)業(yè)可以形成綠色可持續(xù)發(fā)展。風能發(fā)電存在波動性和間接性等問題，需要研究儲能技術(shù)實現(xiàn)風力發(fā)電可控性。本文闡述了風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析儲能技術(shù)應(yīng)用成果在風電并網(wǎng)中的重要作用，以期為風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究 提供可行建議。

關(guān)鍵詞：風電并網(wǎng);儲能技術(shù);經(jīng)濟性

引言：隨著落實綠色可持續(xù)發(fā)展的國家政策，對電力行業(yè)的發(fā)展提供了新的發(fā)展要求，類似風能等常見的可再生性清潔能源以逐漸代替煤礦等易消耗、易污染能源。調(diào)整電源結(jié)構(gòu)已成為電力行業(yè)發(fā)展的重點工作內(nèi)容，風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究能解決風力發(fā)電的不穩(wěn)定性問題、提高風能利用效率，具有重要的研究意義。

1.風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1儲能系統(tǒng)的類型與特點

儲能技術(shù)可以具體分為：機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、熱儲能與氫儲能等形式。第一，機械儲能是通過機械能與電能之間的轉(zhuǎn)化形成儲能與釋放。其中抽水儲能是目前技術(shù)較為成熟且使用廣泛的機械儲能方式，具有循環(huán)壽命周期長、儲存容量大等優(yōu)勢。第二，電磁儲能。電磁儲能通過電磁能進行能源儲存，最常見的有超導儲能和超級電容器這兩種方式。具有儲能效率高、使用壽命長等優(yōu)點，但建造成本高制約其使用發(fā)展。第三，電化學儲能。電化學儲能是通過電池電化學反映原理實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為化學能。電化學儲能常用鋰離子電池、液流電池等，具有易于安裝、使用效率高、未來發(fā)展前景良好等特點。但對使用安全性要求較高，制造選材應(yīng)注重經(jīng)濟性和安全性。第四，熱儲能。熱儲能根據(jù)材料特性不同分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱這三種，其中潛熱儲熱發(fā)展技術(shù)領(lǐng)先，成本較低是該方向研究重點。第五，氫儲能。氫能是重要的能源載體，具有方便運輸、成本較低、綠色節(jié)能等優(yōu)點，是國內(nèi)國外理想的儲能技術(shù)，研究還處于摸索階段，市場前景良好[1]。

1.2儲能系統(tǒng)的數(shù)學建模

能源各異特性帶來儲能方式的多樣化，風電場在進行大規(guī)模風電并網(wǎng)過程中，單一的儲能方式不能滿足容量適應(yīng)性問題，所以面對儲能系統(tǒng)的研究必須根據(jù)實際情況在不同場地有針對性的面對控制目標調(diào)節(jié)使用ESS模式，通過建立數(shù)學模型運算分析出不同時空尺度的儲能模式，形成綜合性的儲能方式是解決儲能系統(tǒng)問題的保障。

1.3儲能系統(tǒng)的控制研究

制定科學合理的儲能系統(tǒng)控制策略可以充分提高ESS的使用效率，直接決定了儲能容量和經(jīng)濟性，在研究過程中發(fā)現(xiàn)ESS使用功能發(fā)展方向具有多樣性，因此制定科學有效的儲能系統(tǒng)控制策略變得十分困難。在研究儲能系統(tǒng)的控制時研究重點應(yīng)放在風電儲能的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制問題和多元復合儲能系統(tǒng)的多元協(xié)調(diào)控制問題，這兩個問題將是未來控制策略的研究重點。

1.4儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性研究

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣，可解決風電資產(chǎn)利用率等問題，有重大的現(xiàn)實應(yīng)用意義。但目前市場上對投資回報效益不確定、缺乏相關(guān)政策進行保護引導等問題制約著儲能系統(tǒng)的研究發(fā)展。現(xiàn)階段儲能系統(tǒng)的研究存在著成本高、循環(huán)壽命短、技術(shù)水平有待提高等等問題，為解決以上問題，應(yīng)把經(jīng)濟性研究放在首要位置，加強資金投入促進技術(shù)發(fā)展。

2儲能技術(shù)在風電并網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1增強風電穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指電網(wǎng)在運行過程中受到干擾后是否可以經(jīng)過自我調(diào)節(jié)恢復到之前狀態(tài)或形成新的穩(wěn)定狀態(tài)。風電穩(wěn)定性可具體分為靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性兩種形式，在風電場中靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題比較常見，起因為風電機組構(gòu)成的風電系統(tǒng)負荷變化擾動和系統(tǒng)自身變化帶來的擾動問題，系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障后會造成暫態(tài)性穩(wěn)定問題，面對這兩種成因不同的穩(wěn)定性問題，解決辦法也不相同。在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究中，分析風電機組旋轉(zhuǎn)變化情況切除風電機組故障解決問題，以模糊理論為基礎(chǔ)進行控制[2]。靜態(tài)性穩(wěn)定性問題屬于一瞬間不穩(wěn)定性問題，采用特征分析法計算特征值和系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，將運行點線性化設(shè)計出阻尼控制器使用ESS進行快速調(diào)整。針對以上研究方法能夠很好的解決風電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

2.2增加風電穿透能力極限

風力發(fā)電由于具有間接性和波動性造成了電力系統(tǒng)的電壓波動、電壓電流波形畸變等電能質(zhì)量問題，會降低風電穿透能力的極限，強制減少風電并網(wǎng)容量也會造成風電穿透能力的極限降低。面對這一問題有兩種針對性解決方法：第一，改進控制策略。這種方式只適用于電壓故障不嚴重的情況使用，具體操作不需要使用其他硬件設(shè)備相對簡單，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時伴隨著過電流和暫態(tài)過電壓，出現(xiàn)暫態(tài)電能過剩問題，需要從風電場和單臺風機進行維修改進。第二，調(diào)整硬件。增加所需硬件設(shè)備多使用快速儲能系統(tǒng)，可以在風電機組降低電壓時保持提供無功功率，使其支撐電網(wǎng)繼續(xù)運行避免產(chǎn)生過電壓、過電流等問題，當過電壓、過電流問題嚴重時會造成風電機組受損帶來經(jīng)濟損失，使用快速儲能系統(tǒng)可以增加風電穿透能力極限，在實踐中取得顯著效果。

2.3提高供電電能質(zhì)量

儲能系統(tǒng)能從降低電壓波動、電壓暫降等方面提高電能質(zhì)量，采用儲能系統(tǒng)快速有功、無功功率交換，利用超級電容與系統(tǒng)的功率交換可以實現(xiàn)改變電壓電流波形畸變及閃變等問題，有利于使用平滑風電輸出功率平抑電壓波動性、串聯(lián)系統(tǒng)改善電壓暫降增加電壓可靠性，能有效地提高供電電能質(zhì)量。儲能系統(tǒng)建議選擇超級電容儲能、超導儲能和電池儲能系統(tǒng)，都具有ms級功率動態(tài)調(diào)節(jié)能力[3]。例如，河南省2018年已建成16座儲能電站，是我國建成投運的首個電網(wǎng)側(cè)分布式百兆瓦級電池儲能工程，標志著河南省在電網(wǎng)側(cè)分布式儲能電站標準化、規(guī)?；ㄔO(shè)上邁出重要一步。

2.4優(yōu)化風電經(jīng)濟性

由于風電并網(wǎng)時具有間接性造成系統(tǒng)備用容量增加降低經(jīng)濟性，目前在市場上，風力發(fā)電收益性較低，競爭能力較弱，研究使用儲能系統(tǒng)可以增加風力發(fā)電利用率提高經(jīng)濟效益。根據(jù)西班牙風力發(fā)電運行策略的成功案例，可采用壓縮空氣儲能系統(tǒng)以降低容量需求，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，儲能系統(tǒng)可增加風電利用時長使風電參與電力調(diào)峰，優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟性。例如，河南發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于組織開展2020年風電、光伏發(fā)電項目建設(shè)的通知》，指出將實行新增項目與存量項目掛鉤，對存量項目并網(wǎng)率低的區(qū)域，暫停各類新能源增量項目。在平價風電項目中，優(yōu)先支持已列入以前年度開發(fā)方案的存量風電項目自愿轉(zhuǎn)為平價項目，優(yōu)先支持配置儲能的新增平價項目。

2.5平仰功率波動

風力發(fā)電過程中所產(chǎn)生的出力波動是不易人為控制的，功率波動直接影響到風力發(fā)電的電能質(zhì)量、經(jīng)濟效益和電網(wǎng)穩(wěn)定性。為解決這一問題，可采用儲能系統(tǒng)抑制風電輸出功率的波動，在一定程度上控制風電出力問題。在風力發(fā)電風場中，研究預測時應(yīng)考慮塔影效應(yīng)、尾流效應(yīng)等多種制約因素，研究預測內(nèi)容主要包括：串聯(lián)超級電容器的儲存裝置，使用模糊理論進行控制以實現(xiàn)發(fā)電功率波動平抑;使用電池儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性;使用SMES控制系統(tǒng)功率補償，達到抑制毫秒內(nèi)極快速輸出波動。在長時間研究后已取得顯著成果，研究結(jié)果證明了風力發(fā)電系統(tǒng)中加入儲能容量可以平滑風電功率曲線，發(fā)現(xiàn)和改變電廠負荷曲線的變化，最終做到通過儲能技術(shù)對風電出力波動起到平抑作用。

結(jié)語：國家提升了對可再生清潔性資源發(fā)電的重視程度，風電并網(wǎng)在行業(yè)占比逐年提高，大規(guī)模的風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了嚴峻的考驗，對于風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究不可忽視，應(yīng)加大研究力度解決電能質(zhì)量和傳輸中穩(wěn)定性等問題，提高風電系統(tǒng)安全性，助力風力發(fā)電行業(yè)科學快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]劉文龍.儲能提升含高比例可再生能源電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性研究[D].浙江大學，2019.

[2]蘇坤林.儲能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中的運用研究[D].華北電力大學（北京），2019.

[3]白俊文.風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究[J].農(nóng)村電氣化，2018（12）：59-61.