電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制

中國電建集團貴州工程有限公司 陳 璽 趙張濤 王 慶 陶光明

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和對可再生能源的需求不斷增加，風能作為一種清潔、可再生的能源，得到了越來越多的關(guān)注。然而，風電的隨機性和間歇性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，電池儲能系統(tǒng)作為一種有效的調(diào)節(jié)手段被廣泛應(yīng)用于風電場，以改善風電的并網(wǎng)特性，提高風能利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。目前電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制仍面臨一些挑戰(zhàn)，如控制策略的優(yōu)化與適應(yīng)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障以及控制實現(xiàn)方法的高效性等。因此，本文將針對這些挑戰(zhàn)展開研究，進一步優(yōu)化電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制策略。

1 風電場及電池儲能系統(tǒng)概述

1.1 風電場概述

風電場是一種利用風能發(fā)電的裝置，通過風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換為電能。風電場通常由多個風力發(fā)電機組成，形成一個具有一定規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)。

1.1.1 風電場的組成

風電場主要由以下幾個部分組成。

風力發(fā)電機：是風電場的核心部件，負責將風能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，風力發(fā)電機可分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。塔筒：用于支撐風力發(fā)電機，使其位于一定高度以獲取更穩(wěn)定的風速。塔筒通常采用鋼結(jié)構(gòu)，需要具備一定的抗風能力和剛度。變速器和發(fā)電機：變速器負責將風力發(fā)電機的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機所需的高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機則將機械能轉(zhuǎn)換為電能?？刂葡到y(tǒng)：負責對風電場進行監(jiān)控和控制，包括對風力發(fā)電機的啟動、停機和運行狀態(tài)的監(jiān)測，以及對并網(wǎng)運行的控制。并網(wǎng)設(shè)備：包括變壓器、斷路器、保護裝置等，負責將風電場產(chǎn)生的電能輸送至電網(wǎng)。

1.1.2 風電并網(wǎng)技術(shù)

風電并網(wǎng)技術(shù)是指將風電場產(chǎn)生的電能接入電力系統(tǒng)，實現(xiàn)風能與其他能源的共同供電，如圖1所示。風電并網(wǎng)技術(shù)主要包括以下內(nèi)容。并網(wǎng)接口技術(shù)包括：并網(wǎng)點的選擇、并網(wǎng)方式的確定、并網(wǎng)裝置的設(shè)計等，確保風電場產(chǎn)生的電能順利接入電力系統(tǒng)。并網(wǎng)運行控制技術(shù)：通過對風電場的實時監(jiān)控和調(diào)度，實現(xiàn)風電場與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和供電可靠性。風電功率預測技術(shù)：根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)，對風電場的功率輸出進行預測，為調(diào)度和控制提供依據(jù)。

1.2 電池儲能系統(tǒng)概述

電池儲能系統(tǒng)是一種將電能存儲于電池中，按需釋放的系統(tǒng)，如圖2所示。電池儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，因此在風電場中具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

圖2 電池儲能系統(tǒng)模型

1.2.1 電池儲能技術(shù)類型

電池儲能技術(shù)可以分為以下幾類。

鉛酸電池：鉛酸電池具有成熟的技術(shù)、較低的成本以及可回收性等優(yōu)點，但其循環(huán)壽命較短，能量密度較低。鋰離子電池：鋰離子電池具有較高的能量密度、較長的循環(huán)壽命以及較低的自放電率等優(yōu)點，但其成本相對較高，且存在安全隱患。鈉硫電池：鈉硫電池具有較高的能量密度、較低的成本以及較長的循環(huán)壽命等優(yōu)點，但其工作溫度較高，需要較復雜的溫控系統(tǒng)。流電池：流電池具有較長的循環(huán)壽命、較低的成本以及能量和功率獨立調(diào)節(jié)的能力等優(yōu)點，但其能量密度較低，且技術(shù)成熟度相對較低，見表1。

表1 電池儲能技術(shù)類型

1.2.2 電池儲能系統(tǒng)的作用

電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中具有以下作用。平滑風電功率波動：通過將風電場的瞬時功率波動存儲于電池中，降低風電場的輸出功率波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。提高風能利用率：在風速較低時，電池儲能系統(tǒng)可以釋放儲存的電能以滿足負荷需求；在風速較高時，電池儲能系統(tǒng)可以將多余的電能進行儲存，從而提高風能利用率。無功功率支持：電池儲能系統(tǒng)可以提供無功功率支持，有助于維持電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，提高供電可靠性。頻率調(diào)節(jié)：電池儲能系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)有功功率輸出，參與電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中具有重要作用，有助于提高風能利用率、降低系統(tǒng)運行風險和減少設(shè)備損耗。為了實現(xiàn)這些目標，本文將研究電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制策略[3]。

2 電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

2.1 控制目標與約束條件

2.1.1 控制目標

電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場中的協(xié)調(diào)控制目標主要包括以下內(nèi)容。

平滑風電場輸出功率波動：通過電池儲能系統(tǒng)的有功協(xié)調(diào)控制，減小風電場輸出功率的波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。提高風能利用率：通過電池儲能系統(tǒng)的儲能與釋放，有效利用多余的風能，提高風能利用率。支持電網(wǎng)無功功率和電壓穩(wěn)定：通過電池儲能系統(tǒng)的無功協(xié)調(diào)控制，為電網(wǎng)提供無功功率支持，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。參與頻率調(diào)節(jié)：通過電池儲能系統(tǒng)的有功協(xié)調(diào)控制，參與電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

2.1.2 約束條

電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制需要考慮以下約束條件。

電池充放電功率限制：電池儲能系統(tǒng)在充放電過程中，需要滿足其充放電功率限制。電池荷電狀態(tài)（SOC）限制：電池儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)需要保持在允許的范圍內(nèi)，防止過充或過放。設(shè)備安全與壽命要求：電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略需要滿足設(shè)備的安全與壽命要求，避免設(shè)備損壞，見表2。

表2 控制目標與約束條件

2.2 協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計

2.2.1 有功協(xié)調(diào)控制策略

有功協(xié)調(diào)控制策略主要包括以下內(nèi)容?；陲L電功率預測的儲能充放電控制：根據(jù)風電場的功率預測結(jié)果，調(diào)整電池儲能系統(tǒng)的充放電功率，實現(xiàn)風電場輸出功率的平滑?；陬l率調(diào)節(jié)需求的有功控制：根據(jù)電力系統(tǒng)的頻率偏差，調(diào)整電池儲能系統(tǒng)的有功功率輸出，參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。

2.2.2 無功協(xié)調(diào)控制策略

無功協(xié)調(diào)控制策略主要包括以下內(nèi)容?；陔妷赫{(diào)節(jié)需求的無功控制：根據(jù)電力系統(tǒng)的電壓偏差，調(diào)整電池儲能系統(tǒng)的無功功率輸出，支持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。基于無功優(yōu)化分配的無功控制：結(jié)合其他無功補償設(shè)備，通過優(yōu)化算法分配電池儲能系統(tǒng)的無功輸出，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化分配，降低系統(tǒng)損耗[5]。

2.3 控制策略實現(xiàn)方法

2.3.1 基于模型預測控制的方法

模型預測控制（MPC）是一種基于模型的優(yōu)化控制方法，通過預測系統(tǒng)未來的行為，實時優(yōu)化控制輸入以滿足控制目標的需求。

在電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中，可以采用MPC方法，利用風電場和電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)模型，預測未來的風電功率和電網(wǎng)需求，實時調(diào)整電池儲能系統(tǒng)的有功和無功輸出，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制目標。MPC方法具有較強的實時性和適應(yīng)性，能夠有效應(yīng)對風電場輸出功率和電網(wǎng)需求的不確定性。

2.3.2 基于人工智能的方法

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于人工智能的方法在電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中也得到了廣泛應(yīng)用。常見的人工智能方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等。這些方法可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時信息，自適應(yīng)地調(diào)整控制策略，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。相比傳統(tǒng)控制方法，人工智能方法具有更強的非線性處理能力和更高的控制精度，能夠在風電場輸出功率波動較大和電網(wǎng)需求變化不確定的情況下，實現(xiàn)更好的協(xié)調(diào)效果。

3 結(jié)語

本文針對電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制進行了研究，電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中具有重要作用，包括平滑風電場輸出功率波動、提高風能利用率、支持電網(wǎng)無功功率和電壓穩(wěn)定以及參與頻率調(diào)節(jié)等。電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制需要考慮控制目標與約束條件，如電池充放電功率限制、荷電狀態(tài)限制以及設(shè)備安全與壽命要求等。電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略包括有功協(xié)調(diào)控制策略和無功協(xié)調(diào)控制策略，可采用基于模型預測控制的方法和基于人工智能的方法實現(xiàn)。

未來電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制研究將繼續(xù)深入，例如研究更先進、高效的協(xié)調(diào)控制策略和算法，進一步提高控制精度和適應(yīng)性；研究電池儲能系統(tǒng)與其他儲能技術(shù)、可再生能源及電力系統(tǒng)設(shè)備的綜合協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)更高效的能源利用和系統(tǒng)優(yōu)化；關(guān)注電池儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢，探討新型電池儲能技術(shù)在并網(wǎng)風電場運行中的協(xié)調(diào)控制問題。

未來研究可在以下幾個方面進行拓展：深入研究多種可再生能源（如太陽能、水能等）與電池儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制問題，實現(xiàn)更高效的能源利用和系統(tǒng)優(yōu)化；探討其他先進控制方法（如自適應(yīng)控制、滑?？刂频龋┰陔姵貎δ芟到y(tǒng)協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用，提高控制策略的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。