风电并网储能技术研究与分析

江卓璿（中海油大同煤制气项目筹备组，山西 大同 037100）



风电并网储能技术研究与分析

江卓璿
（中海油大同煤制气项目筹备组，山西 大同 037100）

摘要：风电并网的关键技术问题主要就是储能技术，怎样去提升在风电并网的过程中储能问题是目前面临的关键问题之一。本文简要的总结了风电并网中各储能技术的特点，并分析了当前情况下各种储能技术存在的相关问题和原因，同时也对各储能技术在实际运用中问题展开了分析；其次本文重点阐述了储能技术在低电压穿越、功率波动等方面最新的技术发展情况，这将为风电并网在储能技术方面的应用及提升提供一定的借鉴。

关键词：风力发电；储能技术；并网运行；有功控制；无功控制

在全球发展的背景下，能源、环境已经成为世界性的难题，如何高效利用可再生年能源，提高可再生能源在整个能源消耗中的比重，是全球范围内各个国家的共同愿望，而风力发电经过几十年的发展，已经成为一种较为成熟的可再生能源发电技术，它具有无污染、低消耗等特点，当前虽然风电已经大规模的开始应用，但它在带来巨大经济效益的同时也给整个传统的电力系统带来了安全方面的问题，随着风电机组在单机容量的提高、风电传统率的提高，相当规模的风电开始直接进入传统的输电系统，这对整个电力系统的稳定、安全的运行带来了挑战。而储能技术是解决这些问题的关键，国外将这一些列问题统称为ESS，即储能系统，是一种如何将电能转化为其他能储存的能量，如化学能、电磁能等形态，在需要时再将这些能量转化为电能进行输送。其中储能介质和能量转接口是ESS的主要组成部分， 通过相应的控制技术，ESS可以实现输电功率的实时控制，在进行动态的收集能量同时也可以做到合理的释放。同时，ESS也可以进行有功、无功的调节，如果在风电系统中结合ESS，则可以显著的提高对电功率的控制，从而进一步的提升整个电力系统的安全稳定性，改善及优化整个电力系统的运行效率等。

1　风电并网存在的问题

风电自身的输出功率有着不稳定性的特点，特别是在国内，风电的规模大，集中度高，相近的风电场的输出力有着很强的相关性，所以风电出力的波动会给整个电力系统带来很大的影响。其次，现有的风电控制设计一般是假设接入强电网而设计，而风电机组在远距离、大规模的特点下，就与电网系统之间有着相对较弱的链接，另一点就是，国内大多的风电机组是通过电子结构并网的，它的特点就是动态响应，这也传统的同步发电机有着较大差别，所以以上情况也导致了传统电力系统在稳定控制、故障保护等方面的问题难以维护，对整个电力系统的安全也构成了威胁。为了保证大范围的电力系统安全稳定运行，电网公司对风电场在出力波动、无功调节等方面做出了严格的规定，这也导致了很多风电场达不到入网条件，致使风电机的闲置运转的现象出现。

综上所述，风电功率的可控性、ECS动态响应这两方面的问题是风电并网存在的主要问题，其中风电功率缺乏可控性是导致供电稳定性和充足性等问题的关键原因。而有功、无功功率是风电对功率的控制主要方面。从传统的电网系统来看，有功功率的控制是保障整个电力系统和输出功率稳定的主要因素，对无功功率的控制主要体现在对电力系统的电压稳定方面。但由于风电机组的特殊机构，风力的无规则变化等，风电的电功率有着较差的可控性。目前还有很多亟待解决的问题，如风速的极端变化引起的有功的巨大波动等，从而导致整个电力系统的不稳定性增强，引起功率振荡，另外还有风电系统的低电压穿越等相关问题。

所以，对风电系统功率的控制性问题显得越来越重要，急需引进、创新新的技术来提高对风电的动态响应控制，使其对传统的电网有着更好的兼容性。

2　储能技术概况

目前的主要储能技术有化学储能、物理储能、电磁储能及相变储能等。化学储能包括各种电池的技术等；物理储能主要有抽水、压缩空气等储能方式；电磁储能有吵到磁储能和超级电容储能等。而箱变储能则与上述储能方式有着本质的不同，其在功率、能量等涉及较多的复杂因素，对此本论文不予讨论。但随着智能电网的快速推进，相变储能将在DSM（需求侧管理）方面发挥越来越重要的作用。

3　储能技术在风电中的应用研究现状

3.1提高风电系统的低电压穿越能力

低电压穿越（LVRT）能力是影响电力系统稳定的主要因素之一，也是风力发电技术中急需解决的困难。对LVRT能力的提高对风电系统而言可以从两个方面展开，一是单机电组，另一个是风电场。对风电机组来说，一方面是控制策略的改进。无需添加额外的硬件设施，具有较好的经济效益。但这种方法无法从根本上解决电力系统过程中能力过剩的问题，因为电网系统故障时，风电机组产生的暂态电压和电流都过剩，使整个电力系统的瞬时能量达不到平衡。所以这种策略很难产生理想效果，并且只在故障过程中电压变化不明显的时候才有效果；另一方面就是增加额外的硬件设备。对风电场来说，使用哭诉储能系统，把它作为一个特殊的FACTS设备，这是在单机层面和风电场方面都有着较好的效果。

对于单机层面来说，一般情况下，将ESS和风电机组ECS的直流母线并联，如果电网出现故障，则储能系统将迅速响应，把瞬时的过剩能量储存，从而提高风电机组对故障的应对。相关文献也对DFIG风电机组进行了研究，将机组中间直流母线并入超级电容的方法，进而改善机组的LVRT能量，同时也分析了其在满足电网规定的状态下的储能能力，文献中也提出了利用飞轮储能的相关控制策略，将飞轮储能和风电机组的功率进行相互调节控制，在电网系统出现故障时，利用飞轮储能在有功调节方面的迅速响应，来保障风电机组在母线上的电压稳定，另一方面在风电机组的网侧变换器上，向电网系统发出一定的无功，使电压稳定，进而提高风电机组的LVRT能力。

对与风电场层面来说，一般情况下在风电场出口的母线上连接ESS，这样储能系统就能及时吸收在电网故障过程中无法输送的有功，使瞬时故障电流稳定，同时稳定的向电网输送一定的无功从而是电网电压稳定，减少连锁故障的可能性，进一步提高风电场的LVRT能力。再者就是用电电容储能来提高风电机组电场的LVRT能力，在电压不同的跌程度、持续时间等对称故障，以及有关永久性故障等情况下，对电网系统的运行进行了全面的仿真和分析，先关数据显示，电容储能在电力系统故障过程中，可以有效的提高风电场的LVRT能力。

由以上两点来看，合理的在风电系统中配备ESS可以显著的提高风电系统的LVRT能力。另一方由于电网故障往往具有瞬时性，这就对储能系统在有功、无功方面的快速响应有着较高的要求，这样也能够使风电系统自身能够在电网系统故障中稳定的挂网运行。

3.2平抑功率波动

风电系统造成电网稳定性差、电能质量低的根本原因就在于出力波动及不易控制。通过有效的引入ESS，并提供控制策略，这样在风力发电并网运行时就可以减小随机变化的风速对风电出力的影响，从而减弱风电出力波动。近几年以来，在利用ESS来抑制风电功率波动方面有了较多的研究，从效果来说产生了很多有价值的信息。研究的方面可以分为单机层面的应用，风电场方面的应用。从单机角度来说，相关研究提出了在DFIG的母线上并联超级电容，通过相关控制策略，用来减弱风电机组的功率波动。相关文献不仅对其进行了验证，还对储能容量进行了研究，指出储能对与波动的有效改善主要还取决于风电机组的出力情况。对于风电场里的单机组来说，由于受诸多因素的影响如尾流效应等，及时准确的预测出出力情况很难，在实际情况中也难以实现。相关文献提出了通过模糊控制，利用飞轮储能装置并联母线上永磁风电同步机组，来实现抑制风电机组的功率输出波动。相关文献中在进行理论分析的同时也进行了实践验证，验证了控制策略的可实施性，同时也研究了飞轮储能的工作效率。

参考文献：

[1] 李俊峰. 2012 中国风电发展报告[M]. 北京: 中国环境科学出版社，2012.

[2] 风电场接入电力系统技术规定[S]. 北京: 中国国家标准化管理委员会，2005.

[3] 丁明，徐宁舟, 毕锐. 用于平抑可再生能源功率波动的储能电站建模及评价[J]. 电系统自动化，2011,35(2):66～72.

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Research and analysis of wind power grid energy storage technology

中图分类号：TM614

文章编号：1009-797X(2016)12-0013-02

文献标识码：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.005

作者简介：江卓璿（1982－），男，本科学历，毕业于天津理工大学，测控技术与仪器方向。

收稿日期：2016-05-16