儲能技術在風電并網中的應用研究進展

趙 龍,汪寧渤,何世恩,劉光途,張金平,王定美,周 強,黃 蓉,王明松

（甘肅省電力公司風電技術中心,甘肅蘭州,730050）

儲能技術在風電并網中的應用研究進展

趙 龍,汪寧渤,何世恩,劉光途,張金平,王定美,周 強,黃 蓉,王明松

（甘肅省電力公司風電技術中心,甘肅蘭州,730050）

風電是一種清潔環保的可再生能源，在能源短缺和環境污染日益嚴重的今天，風電在全球得到了迅猛發展。但風電比傳統火電和水電更難控制，具有很強的波動性，需要利用儲能技術來降低其對電力系統的沖擊。本文就儲能技術在風電并網中的應用研究現狀進行了探討，有一定的參考價值。

風電并網；儲能技術；低壓穿透；電壓穩定

Voltage stability

0 引言

近年來，能源短缺和環境污染現象越來越為嚴重，已經成為影響人類生存和發展的重要問題。風力發電無污染、可再生、投資少效益高，是一種具有極高利用價值的發電技術之一，被全球各個國家所推崇，在全球范圍內得到了迅猛發展。據統計，目前我國風電裝機容量已達四千多KW，預計2015年達到九千KW，在2020年將達1.5億KW，是國家能源結構的重要補充。不過風力發電波動性大，具有很明顯的不確定性和不穩定性，大規模的風電并網會給電力系統的安全穩定帶來構成威脅，必須利用儲能系統來避免風電波動性、不穩定性的影響，提高風電場輸出功率的穩定性和可控性，改善電能質量。

1 風電并網需要解決的問題

1.1 提高頻率穩定性

風力發電是利用風資源發電的一種技術，由于風資源具有隨機波動性和間歇性，使得風力發電的輸出功率出現隨機波動性和間歇性。風電并網會由于這種隨機波動性和間歇性而給電網的穩定性造成負面影響，包括電壓穩定和頻率穩定。風電并網對電網電壓穩定和頻率穩定的影響，隨著風電比例的增高而增大，最終使電壓和頻率的波動超出允許范圍，巨大的擾動造成電網電壓、頻率崩潰。

1.2 減弱低電壓穿越的影響

風電并網中，由于PCC電壓跌落，會使風電機組產生過電壓、過電流問題。PCC電壓跌落造成的過電壓、過電流會給風電機組帶來沖擊，造成風電機組損壞。通常情況下，當電網發生故障時，風電機組從電網中自動解列，此時電網將失去支撐而帶來連鎖反應，給電網安全帶來影響，尤其在風電比例較高的電網中，電網故障將會造成大量風電機組的解列而威脅電網安全，因此需要利用LVRT技術來確定風電機組在PCC電壓跌落時，還能保持并網狀態向電網提供無功功率，用以支撐電網電壓。

1.3 提高電能質量

風電系統利用風資源發電，由于風速的隨機波動性和間歇性影響，再加上風電機組自身的塔影效應、風剪切、偏航誤差等原因，會造成電壓波動、閃變、諧波污染等電能質量問題。在實際應用中，小規模的風電接入并不會對電網電能質量造成嚴重影響，但大規模的風電并網，將會給電網電能質量帶來嚴重影響，造成嚴重的電壓波動、閃變、諧波污染問題。如果系統對電能質量要求較高，這種影響所帶來的后果將會極為巨大。

2 儲能技術在風電并網中的應用研究進展

2.1 常用儲能技術分類

經過數十年的發展， 儲能技術已經演變出物理、化學、電磁、相變四大類型的儲能技術。物理儲能技術有抽水蓄能、飛輪儲能等，電磁儲能技術有超導磁儲能、超級電容儲能等，化學儲能技術有鉛酸電池、鋰離子電池儲能等，相變儲能技術有冰蓄冷儲能、相變建筑材料儲能等。目前，國內研究與應用較多的儲能技術有抽水蓄能、鉛酸電池儲能、鋰電池儲能、超導儲能幾種，不同的儲能技術在功率等級、響應速度等方面各有優缺點，可應用于風電并網的不同場合。其中抽水蓄能容量大，應用成本低，相關技術較為成熟，在國內有不少應用項目，據統計已那建成22座，主要應用于調峰/調頻之中。

2.2 儲能技術在LVRT問題中的應用

LVRT問題是大規模風電并網中需要解決的難題之一，是影響風電并網穩定性的關鍵要素。為了提高風電系統的LVRT能力，目前通常從單機和風電場兩個方面入手進行，有改進控制策略和增加硬件設備兩種方案。改進控制策略不需要增加額外硬件設備，不過改進控制策略無法從根本上來解決瞬時能量不平衡帶來的風電機組暫態過電壓和過電流問題，只在故障電壓變化不明顯的情況下有較好的效果，當故障電壓變化明顯時無法達到預期目的。增加硬件設備需要增加額外的成本，但效果明顯，能有效提高整個風電場的LVRT能力，是目前最常用的一種方法。在單機層面，通常將ESS并聯在風電機組ECS直流母線上，當電網故障時利用ESS的快速有功響應能力來存儲瞬時過乘能量，從而通過單機層面來保障機組的暫態穩定，超級電容器儲能、飛輪儲能等技術在單機層面提高LVRT能力都有所應用。在風電場層面，通常在風電場出口母線上接入ESS，利用儲能系統來吸收系統無法送出的有功，以抑制電網故障時的瞬時故障過電流，并向電網連續、穩定的輸出無功幫助電網恢復正常，用以降低電網電壓崩潰的可能性，電容儲能、蓄電池儲能技術在風電場層面都有所應用。

2.3 儲能技術在改善系統功率波動中的應用

風電系統的波動性會給電網穩定性帶來不良影響，同時風電系統的不易控制性還會增加電網調度難度。在風電并網中，引入儲能技術利用相應的控制策略，能有效的降低風電出力波動的影響，抑制風電系統輸出功率波動。在國內，利用儲能技術改善系統功率波動方面的研究較多，取得了很多研究成果，也可以分為單機和風電場兩個層面。如在機組直流母線上并聯超級電容器，利用模糊理論來協調控制，從而平抑風電機組功率波動，這種方法需要準確的對風電機組出力進行預測，但對于大型風電場中的單機來說，受到尾流效應、塔影效應等多方面的影響，要對風電機組的出力進行預測有一定困難。在風電場層面，目前常用兩級ESS來協調控制，即短期儲能和中期儲能協調的方法，可能很好的適用于在線控制，能有效解決容量、響應速度等方面的問題。此外，也有采用能量型儲能和功率型儲能混合的方法，這種方法也具有較好的平抑功率波動能力。

2.4 儲能系統在提高電網電能質量方面的應用

電力系統需要有較高的穩定性，當受到大的或小的擾動時，要能迅速恢復到穩定狀態，包括大干擾穩定和小干擾穩定。風電并網中，風電機組與同步發電機不同，造成其穩定性的根本原因主要是由于系統瞬間功率的不平衡。利用儲能系統的快速響應能力， 能有效提高風電系統的穩定性。在大干擾穩定控制方面，主要針對同步發電機功角和風電機組轉速變化進行，利用儲能系統來根據槳距角、制動電阻進行控制。對于小干擾穩定，則主要采用特征分析法，考慮風電接入對電網系統的小干擾穩定影響較小，這方面的應用目前還相對較少。整體上，雖然儲能系統能很好的提高風電系統的穩定性，但受風電系統非線性運行的影響，在儲能系統的參數配置上還存在很大困難，整體應用水平還較低。

[1] 尚景宏，蔡旭.大型風力發電蓄電池儲能電源系統應用[J].應用科技，2009（10）

[2] 劉艷梅.淺談儲能技術在風電并網中的應用研究[J].華東科技，2013（01）

Progress of application of energy storage technology in wind power grid

Zhao Long,Wang Ningbo,He Shien,Liu Guangtu,Zhang Jinping,Wang Dingmei,Zhou Qiang,Huang Rong, Wang Mingsong
(Gansu power company wind power technology center Lanzhou Gansu,730050)

The wind power is a kind of renewable energy which is clean and environmental protection. In the energy shortage and pollution,the wind power is developing rapidly in the world..However,the wind power is more difficult than the traditional thermal power and hydro power,and it has a strong fluctuation, which need to use energy storage technology to reduce its impact on the power system..This paper discusses the application of energy storage technology in wind power grid, and has some reference value.

wind power grid;Energy storage technology;Low pressure penetration;