微网风电系统的储能模型与经济研究

2020-07-23温彩凤高祥雨苏文涛谢婉冰汪建文

可再生能源 2020年7期

温彩凤，曹阳，高祥雨，苏文涛，谢婉冰，汪建文

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.风能太阳能利用技术教育部重点实验室，内蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

微网风电系统加装储能装置运行时，可以有效地抑制风电出力的波动，提高微网能量利用率和稳定性[1]～[6]。

目前。针对微网风储系统的研究主要侧重于容量配置、经济调度和可靠性评估等3 个方面，对系统综合性评估的研究不多[7]～[10]。文献[11]，[12]基于分析方法对风电系统进行了分析，对系统各单元的损进行了定量和定性分析，但并未考虑系统经济性因素。经济学是兼顾热力学与经济学的理论，该理论研究已涉及风电领域。文献[13] 采用经济分析法分析了风电-压缩空气储能系统中风电存储能耗特性和经济性，并通过算例验证该方法的有效性；然而，并未建立合理的评估指标。

只有对风电系统热力学特性和经济性进行全面研究，才能获取系统的实际特性及规律。本文针对微网风储系统性能评价困难问题，将及经济概念引入到微网风储系统中，分别建立了风轮、发电机、储能电池平衡及成本守恒的数学模型。基于所建模型确立系统评估指标，进而对系统进行热力学评估和经济性分析，指明系统效率优化的方向。

1 风电系统分析

1.1 系统特性

图1 风电储能系统流分布图Fig.1 Flow distribution of wind energy storage system

2 风电系统经济分析模型

2.1 风轮

2.2 永磁同步发电机

2.3 储能电池

储能电池被用作电能存储媒介，电池组在满足负载电能需求的基础上，将盈裕电能存储到储能系统中，在发电机输出能量不足时向负载供能。储能功率由风力发电机提供。电池能量计算式为[18]式中：EP，3为蓄电池输出的电能；ED，3为蓄电池内部损；Im为蓄电池充放电电流；R0为蓄电池内阻。

3.1 基本假设条件

兼顾热力学特性及经济学性质，在考察时域内对风电系统进行经济分析。为了确定不同输入变量条件下系统的热力学性质，本文对系统作以下假设： ①系统处于稳定状态； ②满足风电出力、供电可靠性要求；③忽略线损及变流器压降；④假设储能电池内阻为定值。

式中：ηi，max为i 单元效率理论极大值。

3.3 经济性指标

为了量化系统能量转化所付出的成本代价，

4 算例分析

本文以如图2 所示的某微网风电储能系统为研究对象。该系统包含风力发电机、铅酸电池组、监控与控制系统及交流负载。算例中，当风电输出功率大于交流负荷时，储能电池充电，反之放电。为了使储能电池安全、经济运行，在储能系统过度充放电时，将其切出系统。蓄电池初始SOC 为0.5，允许最大SOC 为0.8。

图2 系统示意图Fig. 2 System diagram

由于风轮的转速直接影响系统出力，在考察时域内，以图3 所示的风轮转速为参考值。系统功率特性如图4 所示。

图3 风轮转速曲线Fig.3 Speed curve of wind turbine

图4 系统功率特性曲线Fig.4 System power characteristic curve

从图3、图4 可以看出，风电功率随风轮转速变化呈现波动状态。风电功率于1：00-4：00 时段、5：00-7：00 时段及9：00-12：00 时段的波动相对较大，其极大值位于10：30 左右。从整个统计时域内观察，风电功率波动较大，而系统负荷波动相对较小，说明风电功率是系统不平衡功率增加的主要原因。对于风储微网系统而言，储能电池用来补偿这部分不平衡功率。

图5 为整个考察时域内蓄电池电流变化情况，最大充电电流约为12.5 A，最大放电电流为11.8 A。

图5 储能电池电流特性Fig.5 Current characteristics of energy storage battery

由图5 可以看出，通过电池充放电可以补偿独立微网的不平衡功率。当系统负荷缺额时，电池放电，此时储能电池进行负荷补偿；当负荷盈裕时，电池充电，储能电池进行负荷承担。 19：00-21：00 时间段内，电池电流为零，说明系统出现了短暂的功率平衡状态。相反，10：00-10：30 时间段内系统不平衡功率波动最严重，此时间段内电池SOC 变化最为明显（图6）。

由图4、图6 可以看出，在风电输出功率激增时，电池SOC 从0.58 逐渐增加至0.75 后趋于稳定。这说明电池存储了高于系统负荷的电能，从而减小了风电输出功率的波动。