新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用探索

摘 要：【目的】針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電出力的波動(dòng)性和間歇性給電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，探索儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)電系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，以提高風(fēng)電的消納水平和經(jīng)濟(jì)性。【方法】在分析風(fēng)力發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)能在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與集成優(yōu)化，包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)原則、功率管理與能量調(diào)度策略及儲(chǔ)能控制和優(yōu)化算法?！窘Y(jié)果】通過(guò)合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，優(yōu)化其控制和調(diào)度策略，能有效平滑風(fēng)電出力波動(dòng)，提高風(fēng)電的利用效率，減少棄風(fēng)限電，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納能力?！窘Y(jié)論】將儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，對(duì)促進(jìn)風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用、提高其經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性具有重要意義。該研究為風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化提供有益參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；儲(chǔ)能技術(shù)；波動(dòng)性；系統(tǒng)集成；消納能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TK82" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0012-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.003

Exploration of Practical Applications of Energy Storage Technology in New Energy Wind Power Generation Systems

Abstract： [Purposes] In response to the challenges posed by the fluctuation and intermittency of wind power output to the dispatch and operation of power grid in wind power generation systems， this paper explores the solution of integrating energy storage technology with wind power systems to improve the level of wind power consumption and its economic efficiency. [Methods] Based on the analysis of the characteristics of wind power generation and energy storage technology， this study focuses on the application and integration optimization of energy storage in wind power systems， including the principles of energy storage system integration design， power management and energy scheduling strategies， as well as energy storage control and optimization algorithms. [Findings] By rationally configuring energy storage systems and optimizing their control and scheduling strategies， wind power output fluctuations can be effectively smoothed， wind power utilization efficiency can be improved， wind abandonment and power curtailment can be reduced， and the grid's capacity to absorb wind power can be enhanced. [Conclusions] The deep integration of energy storage technology with wind power generation systems is of great significance for promoting the large-scale development of wind power， improving its economic efficiency and power supply reliability. This study provides useful references for the planning， design， and operation optimization of wind farms.

Keywords： wind power generation; energy storage technology; fluctuation; system integration; absorptive capacity

0 引言

化石能源的大量開(kāi)采和利用已影響到人類(lèi)的生存環(huán)境，可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)利用已成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和解決環(huán)境污染的關(guān)鍵舉措。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，近年來(lái)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，但風(fēng)能資源的間歇性和波動(dòng)性給風(fēng)電并網(wǎng)和消納帶來(lái)了挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行和電能質(zhì)量［1］。為了克服這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)引入儲(chǔ)能單元，能平滑風(fēng)電出力，提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和可靠性，緩解風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電能量的優(yōu)化配置，提高風(fēng)電利用效率和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究?jī)?chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 風(fēng)力發(fā)電原理與關(guān)鍵組件

風(fēng)力發(fā)電通過(guò)風(fēng)輪葉片捕獲風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成。其中，風(fēng)輪負(fù)責(zé)高效捕獲風(fēng)能，傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)增速齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換，控制系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，確保其能安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)與特性

儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能緩解風(fēng)電出力波動(dòng)，提高并網(wǎng)性能和電能質(zhì)量。不同儲(chǔ)能技術(shù)在技術(shù)原理、性能特征和適用場(chǎng)景等方面存在差異［2］。機(jī)械儲(chǔ)能（如抽水蓄能）容量大、壽命長(zhǎng)、成本低，但響應(yīng)慢；電化學(xué)儲(chǔ)能（如鋰離子電池）能量密度高、響應(yīng)快，但成本高、安全性有待提升；化學(xué)儲(chǔ)能（如氫儲(chǔ)能）可長(zhǎng)時(shí)間、大容量?jī)?chǔ)能，但轉(zhuǎn)化效率低；電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)磁儲(chǔ)能）功率密度和響應(yīng)速度超高，但容量和成本限制其大規(guī)模應(yīng)用。

1.3 風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置與優(yōu)化

風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多維度綜合考量。儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量要與風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和負(fù)荷特性匹配，并兼顧平滑風(fēng)電波動(dòng)和成本效益平衡［3］。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)特性、充放電效率和環(huán)境影響也是關(guān)鍵因素。為滿(mǎn)足風(fēng)電系統(tǒng)的多元化需求，以多種儲(chǔ)能技術(shù)互補(bǔ)組合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸成為主流，如抽水蓄能與電池儲(chǔ)能、飛輪與超級(jí)電容器的組合等，在風(fēng)電并網(wǎng)中提供更可靠的功率支撐和頻率調(diào)節(jié)能力。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與集成

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)原則與方法

儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、靈活可控的原則。要確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能避免故障和事故的發(fā)生；要合理配置儲(chǔ)能容量、降低投資和運(yùn)維成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；要具備靈活的控制能力，以適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)和需求。在設(shè)計(jì)方法上，可采用集中式或分布式。集中式儲(chǔ)能通過(guò)配置大容量集中儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)集中控制和規(guī)模效應(yīng)，但投資大、故障風(fēng)險(xiǎn)高；分布式儲(chǔ)能是在每臺(tái)或每組風(fēng)電機(jī)組中配置小容量?jī)?chǔ)能單元，通過(guò)分散控制就地平衡調(diào)節(jié)風(fēng)電出力，提高可靠性和靈活性，但投資和維護(hù)成本較高。此外，還要考慮儲(chǔ)能裝置與風(fēng)電機(jī)組及電網(wǎng)之間的接口和控制方式，采用分層協(xié)調(diào)控制的方式，在風(fēng)電機(jī)組控制基礎(chǔ)上，增加儲(chǔ)能功率控制和能量管理策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電出力平滑調(diào)節(jié)和能量?jī)?yōu)化配置。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的功率管理與能量調(diào)度

儲(chǔ)能技術(shù)可通過(guò)功率管理和能量調(diào)度策略來(lái)平滑風(fēng)電功率波動(dòng)，提高風(fēng)電出力的可預(yù)測(cè)性和可控性，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的友好接納能力［4］。儲(chǔ)能功率管理包括功率變換器控制和儲(chǔ)能充放電管理。功率變換器采用雙向DC/AC變流器拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與風(fēng)電機(jī)組或電網(wǎng)之間雙向功率流動(dòng)；變流器控制采用矢量控制或雙閉環(huán)控制，即內(nèi)環(huán)電流控制、外環(huán)直流電壓或有功/無(wú)功功率控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能有功/無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)，維持直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。儲(chǔ)能充放電管理根據(jù)風(fēng)電出力、儲(chǔ)能SOC和電網(wǎng)調(diào)度指令等，優(yōu)化儲(chǔ)能充放電功率，吸收風(fēng)電剩余功率，避免儲(chǔ)能過(guò)充過(guò)放。儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度是在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上優(yōu)化儲(chǔ)能 充放電策略，平衡風(fēng)電出力的波動(dòng)，跟蹤電網(wǎng)調(diào)度曲線(xiàn)，從而最大化風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)收益。設(shè)風(fēng)電場(chǎng)某時(shí)段內(nèi)的預(yù)測(cè)出力為[Pwt]、電網(wǎng)調(diào)度曲線(xiàn)為[Pdt]、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率為Ps（t）、輸出功率為Po（t），則儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量平衡方程為式（1）、式（2）。

[Et=Et?1+ηc·Pst·Δt]

當(dāng)[Ps]gt;0時(shí) （充電） （1）

[Et=Et?1?Pst/ηd·Δt]

當(dāng)[Ps]lt;0時(shí)（放電）" （2）

式中：[Pst] =[Pwt] -[Pdt]，表示儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的充放電功率。當(dāng)[Pwt]gt;[Pdt]時(shí)，[Pst]gt;0，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；當(dāng)[Pwt]lt;[Pdt]時(shí)，[Pst]lt;0，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際輸出功率[Pot]的表示見(jiàn)式（3）。

[Pot] = [Pwt]- [Pst]" "（3）

式中：[Et]為儲(chǔ)能系統(tǒng)[t]時(shí)刻的剩余電量；[ηc]和[ηd]分別為儲(chǔ)能充電和放電效率；[Δt]為時(shí)間步長(zhǎng)。同時(shí)，還要滿(mǎn)足儲(chǔ)能容量和功率的約束條件，見(jiàn)式（4）。

Emin≤E（t）≤ Emax ，Pmax≤Ps（t）≤Pmax" "（4）

式中：Emin和Emax分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)允許的最小和最大剩余電量；Pmax為儲(chǔ)能變流器額定功率。

在實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度通常采用基于預(yù)測(cè)的滾動(dòng)優(yōu)化策略，即根據(jù)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速和負(fù)荷的預(yù)測(cè)值，提前優(yōu)化儲(chǔ)能的充放電計(jì)劃，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)校正［5］。優(yōu)化目標(biāo)可以是最小化風(fēng)電削減量、最大化風(fēng)電收益或最小化運(yùn)行成本等，同時(shí)考慮電價(jià)等外部因素的影響。此外，還可引入模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能算法，自適應(yīng)調(diào)整儲(chǔ)能充放電策略，進(jìn)一步提高風(fēng)電消納和運(yùn)行效益。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略與優(yōu)化算法

儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中的優(yōu)化控制是一個(gè)涉及多時(shí)間尺度、多約束條件的復(fù)雜問(wèn)題。為了最大限度發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)在平滑風(fēng)電波動(dòng)、跟蹤調(diào)度曲線(xiàn)、提高風(fēng)電消納等中的作用，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，設(shè)計(jì)出合理的控制策略和優(yōu)化算法。

在儲(chǔ)能變流器的控制方面，常用的控制方法有雙閉環(huán)控制和模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control， MPC）。雙閉環(huán)控制采用內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓/功率控制的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的解耦控制。其控制律見(jiàn)式（5）、式（6）。

[ud=kp（i?d?id）+ki∫（i?d?id）dt?ωLfiq]" （5）

[uq=kp（i?q?iq）+ki∫（i?q?iq）dt+ωLfid]" （6）

式中：[ud]和[uq]分別為變流器輸出電壓的d、q軸分量；[id]和[iq]分別為電感電流的d、q軸分量；[i?d]和[i?q]分別為 d 軸和 q 軸的參考電流指令；[kp]和[ki]均為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；[Lf]為濾波電感；ω為電網(wǎng)角頻率。

MPC是一種基于系統(tǒng)模型和滾動(dòng)優(yōu)化的控制方法，通過(guò)在每個(gè)采樣時(shí)刻預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并求解優(yōu)化問(wèn)題來(lái)確定當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制量，具有響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。以?xún)?chǔ)能變流器的有功功率控制為例，其狀態(tài)空間模型見(jiàn)式（7）、式（8）。

[xk+1=Axk+Buk]" （7）

[yk=Cxk]" （8）

式中：k為時(shí)間步長(zhǎng)或離散時(shí)刻；x為系統(tǒng)狀態(tài)變量（如電感電流、直流電壓等）；u為控制變量（如調(diào)制波占空比）；y為輸出變量（如有功功率）；A、B、C為系統(tǒng)矩陣。

MPC的優(yōu)化控制問(wèn)題的描述見(jiàn)式（9）至式（13）。

[minJ=∑yk+i?yrefk+i2+]

[∑Δuk+i?12] （9）

[s.t.xk+i+1=Axk+i+Buk+i]

[i=0，1，…，N?1] （10）

[yk+i=Cxk+i" "i=1，2，…， N]" （11）

[umin≤uk+i≤umax" "i=0，1，…， N?1]" （12）

[Δumin≤Δuk+i≤Δumax" "i=0，1，…， N?1]" （13）

式中：J為目標(biāo)函數(shù)；[yref]為參考軌跡；[Δu]為控制增量；N為預(yù)測(cè)時(shí)域；[umin]、[umax]、[Δumin]和[Δumax]分別為控制量和控制增量的約束。

求解該優(yōu)化問(wèn)題，可得到未來(lái)N步的最優(yōu)控制序列，每次只執(zhí)行第一步控制，然后移動(dòng)優(yōu)化時(shí)域，重復(fù)求解。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方面，常用的優(yōu)化算法有動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）、混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed Integer Programming，MIP）等。DP將多階段決策問(wèn)題分解為一系列單階段決策問(wèn)題，遞歸求解每個(gè)階段的最優(yōu)值函數(shù)，得到全局最優(yōu)解。設(shè)第k時(shí)段的系統(tǒng)狀態(tài)為SOC（k），控制變量為P（k），狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為式（14）、式（15）。

[SOCk+1=SOCk+ηc·Pk·Δt/Emax]

當(dāng)[Pk]≥0時(shí) （充電） （14）

[SOCk+1=SOCk?Pk·Δt/ηd·Emax]

當(dāng)P（k）lt;0時(shí) （放電）" （15）

式中：[ηc]和[ηd]分別為儲(chǔ)能充放電效率；Emax為儲(chǔ)能額定容量；[Δt]為時(shí)段長(zhǎng)度。

每個(gè)階段的目標(biāo)函數(shù)可描述為式（16）。

J[kSOCk，Pk=ck·Pk·Δt+]

[J?k+1SOCk+1] （16）

式中：[ck]為第k時(shí)段的電價(jià)；[J?k+1]為下一階段的最優(yōu)值函數(shù)。

DP的求解過(guò)程為式（17）、式（18）。

[JSOCKK=mincK·PK·Δt]" （17）

[JSOCkk][=minck·Pk·Δt+J?k+1SOCk+1]

[k=K?1，…，1]" （18）

MIP適用于含有連續(xù)變量和離散變量的混合優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)引入0-1變量來(lái)描述儲(chǔ)能的運(yùn)行狀態(tài)（充電、放電、閑置），將能量管理問(wèn)題建模為混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃（Mixed Integer Linear Programming，MILP）問(wèn)題，具體見(jiàn)式（19）至式（25）。

[min∑ck·Pk·Δt]" （19）

[s.t.SOCk+1=SOCk+ηc·uck·Pk·Δt/Emax-]

[udk·Pk·Δt/ηd·Emax] （20）

[SOCmin≤SOCk≤SOCmax] （21）

[0≤Pk≤Pmax·uck]" （22）

[?Pmax·udk≤Pk≤0] （23）

[uck+udk≤1] （24）

[uck，udk∈0，1] （25）

式中：[uck]和[udk]分別為表示儲(chǔ)能在第[k]時(shí)段充電和放電狀態(tài)的0-1變量；[SOCmin]和[SOCmax]均為荷電狀態(tài)約束；[Pmax]為儲(chǔ)能額定功率。

該MILP問(wèn)題可用單純形法、分支定界法、切平面法等方法進(jìn)行求解。在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合風(fēng)速和負(fù)荷預(yù)測(cè)、電價(jià)信息等，采用啟發(fā)式算法、智能算法等，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理的經(jīng)濟(jì)性和魯棒性。綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的優(yōu)化控制涉及變流器控制和能量管理這兩個(gè)層面，可分別采用基于反饋或預(yù)測(cè)的控制策略和基于模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化算法。合理的儲(chǔ)能控制能有效抑制風(fēng)電波動(dòng)，提高風(fēng)電出力質(zhì)量，減少棄風(fēng)限電，為風(fēng)電的大規(guī)模消納和高效利用提供技術(shù)支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)深入分析儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的融合應(yīng)用，系統(tǒng)地闡述了儲(chǔ)能在風(fēng)電系統(tǒng)中的集成設(shè)計(jì)原則和方法，重點(diǎn)探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和能量?jī)?yōu)化調(diào)度策略。研究表明，合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化儲(chǔ)能變流器控制和能量管理策略，能顯著提升風(fēng)電場(chǎng)的出力品質(zhì)，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的友好承載能力。希望本研究的成果能為儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和借鑒，推動(dòng)風(fēng)電與儲(chǔ)能的規(guī)模化發(fā)展，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。

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