儲能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中的運用

祁佟 朱月堯

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司 江蘇省淮安市 223001）

隨著技術(shù)的發(fā)展，新能源種類變得越來越豐富，如何高效存儲新能源產(chǎn)生的電能，是提高新能源使用效率的有效策略。要充分了解各類新能源技術(shù)中影響儲能效率因素，科學研究提高儲能效率的方法，最終提高綠色能源的占比。

1 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電領(lǐng)域中的意義

儲能技術(shù)是一種通過人為方式來解決能源供求的差異，有效地利用能源，并通過人為的方式將其釋放和存儲的方法。由于科技和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的儲能設(shè)備出現(xiàn)在我們的日常生活中。隨著儲能設(shè)備的成本不斷下降，人們對它的認識也隨之發(fā)生了改變。在我國的電力系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在新能源產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。

儲能技術(shù)可以有效地解決新能源在電網(wǎng)中存在的隨機性、波動性問題，從而有效地降低了分布式電源對電網(wǎng)的沖擊。在電力系統(tǒng)中，它的應(yīng)用范圍主要有：

（1）它既可以作為能量的緩沖器，又可以作為后備電源，可以在一定程度上解決輸變電的不一致性問題，提高電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定。

（2）能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的可調(diào)度能力得到了提高。

（3）它可以有效地抑制可再生能源的并網(wǎng)功率波動，降低電網(wǎng)的影響。

（4）能夠提高電網(wǎng)的經(jīng)濟性，降低了不必要的能源消耗。

2 風電功率波動研究及儲能技術(shù)

2.1 風電功率波動

當前，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)都在不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新。風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風力發(fā)電具有很強的隨機性和波動性，使其在電網(wǎng)中的安全、穩(wěn)定運行成為一個嚴峻的問題。這些影響主要體現(xiàn)在電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率、繼電保護設(shè)備、電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面的影響。風電功率的波動性是風力發(fā)電的內(nèi)在特性，因此，怎樣使風電并網(wǎng)功率平滑，并達到并網(wǎng)的要求，成為人們關(guān)注的問題。本文通過對風功率的波動性和直接并網(wǎng)的風功率波動性的分析，以及風機運行過程中的SCADA 數(shù)據(jù)以及風電并網(wǎng)規(guī)范的分析，證明了采用儲能系統(tǒng)來抑制風功率的重要性。

風電并網(wǎng)風功率波動率：

這一節(jié)根據(jù)風電功率波動的技術(shù)參數(shù)，每1 分鐘的變化幅度在系統(tǒng)額定功率的2%以下，每10 分鐘的變化幅度在系統(tǒng)額定功率20%以下。根據(jù)實際運行的風機SCADA 數(shù)據(jù)，根據(jù)國家有關(guān)的并網(wǎng)規(guī)范，進行了比較和分析。

選取某風電場8 個1.5 MW 的裝機容量為12MW 的機組。將1 分鐘的風機輸出的原始功率用于分析。

風電場每天輸出功率的改變。在0-500 分鐘內(nèi)，風機的輸出功率不斷增大；在500-900 分鐘內(nèi)，風機的輸出功率基本不變；從900-1100 分鐘，風機的輸出功率急劇降低；在1100-1440 分鐘之間，風機的輸出功率出現(xiàn)了較大的波動。通過對數(shù)據(jù)的分析，可以看出，風機的輸出功率并不平穩(wěn)，并且在很大程度上存在著功率的波動。由于風速變化的復(fù)雜性，使得風機的輸出功率具有很大的波動性和隨機性，使其無法維持在一個穩(wěn)定的數(shù)值上。在風機輸出功率高于額定標準值的情況下，其輸出功率將不會增大，并維持在額定功率范圍內(nèi)，以確保其正常運行，提高其可靠性，延長其使用壽命，使其更合理地利用風能。但若將風機的輸出功率與大電網(wǎng)相結(jié)合，將會給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行帶來諸多負面效應(yīng)。

此風場風機的初始功率具有很大的波動性，難以精確地預(yù)報。在1 分鐘波動率下，許多取樣點的波動率都超出了國家并網(wǎng)的波動率規(guī)定。在10 分鐘波動率下，仍有部分采樣點無法達到并網(wǎng)波動要求。

從以上分析可以看出，當某一日的風機輸出功率被直接納入大電網(wǎng)時，在1 分鐘、10 分鐘時，其功率波動不能滿足并網(wǎng)的需要。因此，通過對風電機組的分析，認為在風電中再增設(shè)一套儲能系統(tǒng)，可以有效降低“棄風限電”的情況，節(jié)省能源，同時還可以有效地平抑風功率，從而達到國家并網(wǎng)的要求。

2.2 蓄電池的等效電路模型

在日常使用中，蓄電池因其電源穩(wěn)定，輸出功率可靠，價格低廉，適用范圍廣，可回收利用率高，被廣泛應(yīng)用于手機、電動車、手表等行業(yè)。從1950 年代起，對蓄電池進行了建模研究。但是，蓄電池充電和放電是一種非常復(fù)雜的電化學反應(yīng)。目前尚無一種較為精確的仿真與建模方法，因蓄電池類型的不同，其差別及復(fù)雜性也各不相同。

當前對蓄電池進行等效電路模型仿真的方法有以下幾種：

2.2.1 Rint 等效模型

Rint 模型屬于較為常見的蓄電池模型。此模型包括理想電壓源Uoc 和等效內(nèi)阻R，如圖1。Uoc 表示蓄電池末端的電壓，I 表示通過蓄電池的電流。從歐姆定理可以看出：

圖1： 蓄電池Rint 模型等效電路圖

蓄電池Thevenin 模型等效電路如圖2。此模型能更精確地反映出蓄電池的性能。它設(shè)置的電池等效內(nèi)阻是一個恒定值，但在實際應(yīng)用中，它卻是一個不斷變化的變量。

圖2： 蓄屯池Thevenin 模型等效電路

2.2.3 PNGV 等效模型

PNGV 等效模型是對Thevenin 等效模型的一種優(yōu)化。此模式主要包括：理想電壓源Uoc、內(nèi)阻R、過壓電阻器Ro、Co 電容器。C1 代表當負載電流累積時的開路電壓改變情況，蓄電池PNGV 模型等效電路。蓄電池在充電和放電和需要較大容量時，PNGV 模型對精度的要求很高。從電路的等效定理可以看出：

2.3 超級電容器的等效電路模型

超級電容器被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，它是一種功率型儲能元器件。超級電容在儲能過程中不會產(chǎn)生電化學上的改變，這種儲能過程可以進行反向轉(zhuǎn)換。這樣，超級電容器就可以在不影響其使用壽命的情況下，重復(fù)充電和放電幾十萬次。

超級電容器的優(yōu)點：

（1）在極小體積的情況下，可以獲得更大的電容量；

（2）過度充電和過度放電都會對電容的使用壽命造成不利的影響，而超級電容則基本不受影響；

（3）不需要特殊的充電器，也不需要控制放電；

（4）從環(huán)境保護的觀點來看，超級電容器是無污染的；

（5）超級電容可以進行焊接，所以沒有任何像電池的接觸不良的問題。

超級電容器的缺點：

（1）如果不正確的使用，會導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏等問題；

（2）超級電容器內(nèi)部電阻高，在使用交流線路時容易發(fā)生故障。

為了對超級電容器的工作特性進行建模和分析，采用了一些基本的電路元件來模擬。現(xiàn)有的超級電容器等效電路模型有：經(jīng)典等效電路模型、梯形電路模型、多分支 RC 模型。傳統(tǒng)的等效電路模型由于其結(jié)構(gòu)簡單而被廣泛應(yīng)用，這里只針對傳統(tǒng)的等效電路模型進行了研究。其中，ESR 屬于等效串聯(lián)內(nèi)阻，EPR 屬于等效并聯(lián)內(nèi)阻，L 表示電容感抗，C 表示等效容抗。在需要進行快速充電和放電的情況下，采用傳統(tǒng)的電路建模方法可以獲得高精度的結(jié)果。

圖3： 蓄電池PNGV 模型等效電路

2.4 儲能裝置容量計算

蓄電池是一種能夠?qū)⒒瘜W能轉(zhuǎn)化為電能，將電能轉(zhuǎn)換成化學能的儲能設(shè)備。蓄電池被廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活。其特點是電壓穩(wěn)定，安全性高，儲能容量靈活。因此，本論文將蓄電池用作儲能元器件，用于平抑風功率波動。

額定容量：

在整個取樣期間內(nèi)，與起始時刻相比，儲能系統(tǒng)的充放電量：

3 混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置

3.1 小波分解

采用了基于滑動窗口的微粒群算法來平抑風電并網(wǎng)功率，這樣就可以得到所需要的儲能功率數(shù)據(jù)。利用混合儲能系統(tǒng)，可以吸收并釋放需要平抑的風功率。

利用db5 小波，5 層多尺度分解混合儲能充放電功率的數(shù)據(jù)，得到了低、高頻細節(jié)數(shù)據(jù)?？稍谛〔ǚ纸膺^程中，清楚地觀察到風功率的低頻變化。使曲線變得越來越光滑，得到了風功率的低頻?？梢郧宄乜吹剑看畏纸獾母哳l功率數(shù)據(jù)分量。小波分解的頻率越高，其高頻分量越少。由此，可以確定小波分析法對混合儲能功率的充電和放電數(shù)據(jù)進行多尺度分解的層數(shù)。

利用小波分析算法的基本理論，對采集到的高頻信號和低頻信號進行了重建和恢復(fù)。要解決單個儲能設(shè)備存在的不足，必須充分發(fā)揮其優(yōu)勢，并進行功率分配。在混合儲能系統(tǒng)中，通過蓄電池組來吸收或釋放儲能信號的低頻分量，并通過超級電容對儲能信號的高頻分量進行吸收和釋放。從而得到蓄電池充放電功率和超級電容充放電功率。圖4 為小波分解低頻和高頻細節(jié)。

圖4： 小波分解低頻和高頻細節(jié)

通過計算公式，得出了蓄電池和超級電容器之間的能量變化。

在取樣周期中，超級電容器的充放電次數(shù)比蓄電池充電和放電要多得多。若單一地使用蓄電池來進行儲能功率的吸收與釋放，則需要蓄電池不斷地進行充電與放電，以保證風功率的穩(wěn)定。但是，對蓄電池的損傷增大，縮短了電池的使用壽命。在風電場中，配置混合儲能系統(tǒng)，利用超級電容器快速充放電、容量大、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。通過這種方式，可以將不同的儲能設(shè)備的優(yōu)勢發(fā)揮到最大，從而有效地平抑風功率的波動。

3.2 總結(jié)

從目前的生產(chǎn)經(jīng)濟條件來看，單靠一種儲能系統(tǒng)無法適應(yīng)風電并網(wǎng)功率波動需求。與單一的儲能系統(tǒng)比較，混合儲能系統(tǒng)在可靠性、安全性、穩(wěn)定性等方面都有較大的改善。降低了安裝和維修全系統(tǒng)的費用。

（1）針對蓄電池及超級電容特性，進行了電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)的設(shè)計。該方法采用蓄電池來吸收低頻率的功率信號，而超級電容則能吸收高頻的功率信號。使每個儲能設(shè)備都能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，使其在大規(guī)模風電并網(wǎng)時對風電功率的波動率具有良好的平滑作用。

（2）本文簡單地介紹了小波分析，利用了小波分析的快速和簡單。通過儲能功率信號分解高低頻，充分發(fā)揮了混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢。蓄電池可以吸收或釋放儲能功率的低頻分量，而超級電容則可以吸收或釋放儲能功率中的高頻分量。

（3）證明了蓄電池-超級電容混合儲能的可行性，并通過與單個儲能系統(tǒng)的比較可知，采用混合儲能系統(tǒng)，既可提高蓄電池的壽命，又可降低電力系統(tǒng)的費用。

4 風電功率平抑策略

4.1 分布式儲能系統(tǒng)的運用

分布式儲能系統(tǒng)具有很大的靈活性，從幾千瓦到數(shù)萬瓦不等。多點接入用戶端及低功耗的中低壓配電網(wǎng)。分布式儲能系統(tǒng)在接入配電網(wǎng)絡(luò)時，可以與分布式電源并聯(lián)，也可以與低壓配電網(wǎng)絡(luò)進行單獨的連接。

分布式儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)的各個環(huán)節(jié)，可以有效地提高系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，減少大規(guī)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，從而改善電網(wǎng)的供電品質(zhì)，增強風力發(fā)電的容量，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了強有力的保證。與集中式儲能系統(tǒng)相比，它不需要太高的接入環(huán)境，也不需要太多的自然條件，而在接入電網(wǎng)時，它具有更大的靈活性。然而，它的建造和維修費用要比集中式儲能系統(tǒng)高得多。

4.2 集中式儲能系統(tǒng)的運用

集中式儲能系統(tǒng)的容量很大，從幾兆瓦到幾百兆瓦，可以長期連續(xù)釋放。與大型風電并網(wǎng)運行，能夠有效地增加新能源的容量。集中式儲能系統(tǒng)不僅可以在新能源側(cè)接入大規(guī)模的電力供應(yīng)，還可以獨立接入。在接入模式的選取上，必須同時兼顧輸電線路及變壓器容量。

集中式儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用于大規(guī)模的新能源發(fā)電，可以平抑電網(wǎng)接入帶來的波動，從而改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。還可在電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、應(yīng)急備用等場合使用。相對于分布式儲能系統(tǒng)，當風機發(fā)生故障時，可以使儲能系統(tǒng)得到充分地利用，保證風電并網(wǎng)過程中不會發(fā)生突變。

隨著科技水平的不斷提高，各種電子器件的性能、儲能元件的性能不斷提高，大規(guī)模的儲能技術(shù)也日趨成熟。集中式儲能系統(tǒng)的配置比分布式的配置要好得多。因此，本文選取了風電場儲能系統(tǒng)作為研究對象。

風電功率與風電并網(wǎng)功率的差距要求儲能系統(tǒng)可以迅速進行補償，以改善電能品質(zhì)。從風電場儲能系統(tǒng)的能量平衡可以看出：

式中Pess(t)為t 時刻儲能吸收或釋放的功率，Po(t)為t時刻的并網(wǎng)功率，Pw(t)為t 時刻的所選風機輸出風功率。

如果P＞0，則代表儲能系統(tǒng)充電；當P＜0，則代表儲能系統(tǒng)放電。通過對控制算法的設(shè)計，可以減小儲能設(shè)備的容量，在取樣時間內(nèi)減少充電和放電的總量，從而節(jié)省了系統(tǒng)的運行費用。

功率的波動率是由風電場輸出的初始功率曲線的斜率來反映的。此定義的波動系數(shù)為w，若將Δt 作為采樣的時間間隔，t ～(t+Δt)時刻的斜率越大，則表示在這段時間內(nèi)，風電場輸出初始功率變化率也會隨之增大，波動情況也會改變。因此可以得到風電并網(wǎng)功率。

從式中可以看出，較低的波動系數(shù)對風電功率的平抑作用會更好，而風電場的并網(wǎng)能力也會更穩(wěn)定，但會造成風電場的過度平抑。

4.3 算例分析

本文以我國某風電場2015 年某一日的實際輸出功率為例，對其進行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于滑動窗口和粒子群算法相結(jié)合的控制策略。

利用該方法，可以得到風電場的實際輸出功率，與采用一階低通濾算法得到的并網(wǎng)功率。通過比較表明，本文提出的方法可以有效地平抑風電并網(wǎng)功率，降低風功率波動。從而使功率曲線變得更平滑。

通過對風電場實測數(shù)據(jù)的分析，利用一階低通濾波算法和基于滑動窗口的粒子群算法，比較了兩種算法的風功率平抑效果。

與一階低通濾波算法相比，采用滑動窗口的粒子群算法，其波動率有較大的下降。結(jié)果表明，本文的控制策略是可行、有效的。

比較結(jié)果表明，為保證風電并網(wǎng)功率達到1 分鐘和10分鐘的波動需求，當固定波動系數(shù)為0.1 時，其波動幅度基本達到了2 個時標的要求，其額定功率和額定容量分別為2.5501 兆瓦和31192 兆瓦/小時。而使用本文算法的控制策略，需要配置的額定功率和額定容量分別是22347 兆瓦和23359 兆瓦/小時，盡管10 分鐘的波動率有所提高，但它完全符合風電并網(wǎng)的需求。與傳統(tǒng)的固定波動系數(shù)相比，該算法可顯著地減少取樣時段的總充放電量，降低所需儲能設(shè)備的儲存能力，延長儲能設(shè)備的壽命，降低系統(tǒng)初始成本及維修費用。

通過上述分析，我們可以看出，采用本文所述的控制策略平抑風功率波動，其功率能夠達到國家規(guī)定的波動標準。因此，該算法可以有效地降低儲能容量，從而實現(xiàn)更好地平抑。

5 結(jié)束語

在新能源并網(wǎng)應(yīng)用中，要平抑并網(wǎng)功率波動，充分利用蓄電池、電容等部分的特點，發(fā)揮各種儲能方式的優(yōu)點，延長儲能設(shè)備的整體使用壽命，降低設(shè)備成本，總結(jié)經(jīng)驗，不斷突破。