风电并网中的储能技术研究

李刚

摘要：风能作为可再生能源投入发电产业可以形成绿色可持续发展。风能发电存在波动性和间接性等问题，需要研究储能技术实现风力发电可控性。本文阐述了风电并网中的储能技术研究现状，分析储能技术应用成果在风电并网中的重要作用，以期为风电并网中的储能技术研究 提供可行建议。

关键词：风电并网;储能技术;经济性

引言：随着落实绿色可持续发展的国家政策，对电力行业的发展提供了新的发展要求，类似风能等常见的可再生性清洁能源以逐渐代替煤矿等易消耗、易污染能源。调整电源结构已成为电力行业发展的重点工作内容，风电并网中的储能技术研究能解决风力发电的不稳定性问题、提高风能利用效率，具有重要的研究意义。

1.风电并网中的储能技术研究现状

1.1储能系统的类型与特点

储能技术可以具体分为：机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能与氢储能等形式。第一，机械储能是通过机械能与电能之间的转化形成储能与释放。其中抽水储能是目前技术较为成熟且使用广泛的机械储能方式，具有循环寿命周期长、储存容量大等优势。第二，电磁储能。电磁储能通过电磁能进行能源储存，最常见的有超导储能和超级电容器这两种方式。具有储能效率高、使用寿命长等优点，但建造成本高制约其使用发展。第三，电化学储能。电化学储能是通过电池电化学反映原理实现电能转换为化学能。电化学储能常用锂离子电池、液流电池等，具有易于安装、使用效率高、未来发展前景良好等特点。但对使用安全性要求较高，制造选材应注重经济性和安全性。第四，热储能。热储能根据材料特性不同分为显热储热、潜热储热和热化学储热这三种，其中潜热储热发展技术领先，成本较低是该方向研究重点。第五，氢储能。氢能是重要的能源载体，具有方便运输、成本较低、绿色节能等优点，是国内国外理想的储能技术，研究还处于摸索阶段，市场前景良好[1]。

1.2储能系统的数学建模

能源各异特性带来储能方式的多样化，风电场在进行大规模风电并网过程中，单一的储能方式不能满足容量适应性问题，所以面对储能系统的研究必须根据实际情况在不同场地有针对性的面对控制目标调节使用ESS模式，通过建立数学模型运算分析出不同时空尺度的储能模式，形成综合性的储能方式是解决储能系统问题的保障。

1.3储能系统的控制研究

制定科学合理的储能系统控制策略可以充分提高ESS的使用效率，直接决定了储能容量和经济性，在研究过程中发现ESS使用功能发展方向具有多样性，因此制定科学有效的储能系统控制策略变得十分困难。在研究储能系统的控制时研究重点应放在风电储能的联合协调控制问题和多元复合储能系统的多元协调控制问题，这两个问题将是未来控制策略的研究重点。

1.4储能系统的经济性研究

储能系统的应用领域范围广，可解决风电资产利用率等问题，有重大的现实应用意义。但目前市场上对投资回报效益不确定、缺乏相关政策进行保护引导等问题制约着储能系统的研究发展。现阶段储能系统的研究存在着成本高、循环寿命短、技术水平有待提高等等问题，为解决以上问题，应把经济性研究放在首要位置，加强资金投入促进技术发展。

2储能技术在风电并网中的应用

2.1增强风电稳定性

电力系统的稳定性是指电网在运行过程中受到干扰后是否可以经过自我调节恢复到之前状态或形成新的稳定状态。风电稳定性可具体分为静态稳定性和暂态稳定性两种形式，在风电场中静态电压稳定性问题比较常见，起因为风电机组构成的风电系统负荷变化扰动和系统自身变化带来的扰动问题，系统发生严重故障后会造成暂态性稳定问题，面对这两种成因不同的稳定性问题，解决办法也不相同。在电力系统暂态稳定性的研究中，分析风电机组旋转变化情况切除风电机组故障解决问题，以模糊理论为基础进行控制[2]。静态性稳定性问题属于一瞬间不稳定性问题，采用特征分析法计算特征值和系统的状态矩阵，将运行点线性化设计出阻尼控制器使用ESS进行快速调整。针对以上研究方法能够很好的解决风电系统的稳定性问题。

2.2增加风电穿透能力极限

风力发电由于具有间接性和波动性造成了电力系统的电压波动、电压电流波形畸变等电能质量问题，会降低风电穿透能力的极限，强制减少风电并网容量也会造成风电穿透能力的极限降低。面对這一问题有两种针对性解决方法：第一，改进控制策略。这种方式只适用于电压故障不严重的情况使用，具体操作不需要使用其他硬件设备相对简单，电网出现故障时伴随着过电流和暂态过电压，出现暂态电能过剩问题，需要从风电场和单台风机进行维修改进。第二，调整硬件。增加所需硬件设备多使用快速储能系统，可以在风电机组降低电压时保持提供无功功率，使其支撑电网继续运行避免产生过电压、过电流等问题，当过电压、过电流问题严重时会造成风电机组受损带来经济损失，使用快速储能系统可以增加风电穿透能力极限，在实践中取得显著效果。

2.3提高供电电能质量

储能系统能从降低电压波动、电压暂降等方面提高电能质量，采用储能系统快速有功、无功功率交换，利用超级电容与系统的功率交换可以实现改变电压电流波形畸变及闪变等问题，有利于使用平滑风电输出功率平抑电压波动性、串联系统改善电压暂降增加电压可靠性，能有效地提高供电电能质量。储能系统建议选择超级电容储能、超导储能和电池储能系统，都具有ms级功率动态调节能力[3]。例如，河南省2018年已建成16座储能电站，是我国建成投运的首个电网侧分布式百兆瓦级电池储能工程，标志着河南省在电网侧分布式储能电站标准化、规模化建设上迈出重要一步。

2.4优化风电经济性

由于风电并网时具有间接性造成系统备用容量增加降低经济性，目前在市场上，风力发电收益性较低，竞争能力较弱，研究使用储能系统可以增加风力发电利用率提高经济效益。根据西班牙风力发电运行策略的成功案例，可采用压缩空气储能系统以降低容量需求，提高系统运行经济性，储能系统可增加风电利用时长使风电参与电力调峰，优化系统经济性。例如，河南发改委印发《关于组织开展2020年风电、光伏发电项目建设的通知》，指出将实行新增项目与存量项目挂钩，对存量项目并网率低的区域，暂停各类新能源增量项目。在平价风电项目中，优先支持已列入以前年度开发方案的存量风电项目自愿转为平价项目，优先支持配置储能的新增平价项目。

2.5平仰功率波动

风力发电过程中所产生的出力波动是不易人为控制的，功率波动直接影响到风力发电的电能质量、经济效益和电网稳定性。为解决这一问题，可采用储能系统抑制风电输出功率的波动，在一定程度上控制风电出力问题。在风力发电风场中，研究预测时应考虑塔影效应、尾流效应等多种制约因素，研究预测内容主要包括：串联超级电容器的储存装置，使用模糊理论进行控制以实现发电功率波动平抑;使用电池储能系统提高电能质量和系统稳定性;使用SMES控制系统功率补偿，达到抑制毫秒内极快速输出波动。在长时间研究后已取得显著成果，研究结果证明了风力发电系统中加入储能容量可以平滑风电功率曲线，发现和改变电厂负荷曲线的变化，最终做到通过储能技术对风电出力波动起到平抑作用。

结语：国家提升了对可再生清洁性资源发电的重视程度，风电并网在行业占比逐年提高，大规模的风电并网给电力系统安全稳定运行带来了严峻的考验，对于风电并网中的储能技术研究不可忽视，应加大研究力度解决电能质量和传输中稳定性等问题，提高风电系统安全性，助力风力发电行业科学快速发展。

参考文献：

[1]刘文龙.储能提升含高比例可再生能源电力系统频率稳定性研究[D].浙江大学，2019.

[2]苏坤林.储能技术在大规模新能源并网中的运用研究[D].华北电力大学（北京），2019.

[3]白俊文.风电并网中的储能技术研究[J].农村电气化，2018（12）：59-61.