儲能技術在風力發電中的應用

張飛，楊雨薇

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

近年來，風電在全世界范圍內發展迅速，風電裝機容量大幅增長。作為新能源，風電具有資源巨大、易開發、低碳環保等優點。然而，風力的波動性和隨機性是卻是制約風電企業發展和并網的技術難題。隨著風電并網規模的日益增大，風力機組并網對電力系統的安全穩定運行等方面產生的不利影響更加顯著［1－2］。與此同時，風電消納能力受到極大限制，高比例的棄風現象普遍存在，造成了資源浪費和風電企業的經濟損失。

在電力系統中，利用儲能技術可以將電能轉換為其他形式的能量儲存起來［3］，并在需要時利用發電裝置重新轉換為電能。常見的儲能技術主要有抽水蓄能技術、飛輪儲能技術、壓縮空氣儲能技術和超導儲能技術等。其中，抽水蓄能電站具有儲能容量大、對負荷跟蹤能力強、運行方式靈活和水電效益高等特點，可在電力系統中承擔調頻、調相、調峰和事故備用的任務［4－5］。在風電系統中配置適當容量的儲能系統(ESS)，可以有效平滑風力輸出，在提高風電功率輸出的可控性的同時，大大提高了風電的消納能力，保證了電網運行穩定性和可靠性。作為應用范圍最廣、利用效率的最高的聯合運行系統，國內外專家學者已經對風儲聯合運行進行了大量研究。

文獻［6］介紹了大容量風電場并網對系統電壓和頻率的產生的影響，并進行了運行特性分析。仿真表明，接入風電場后，由風速變化引起風機輸出功率的波動會對系統產生沖擊。當有功功率的大范圍變化時，運行區間上的電壓也相應產生較大偏差。文獻［7］建立了SVC模型，發現使用補償裝置可改善異步發電機組恒速風電機組的暫態穩定性。文獻［8］指出運用飛輪儲能技術能夠提高永磁直驅風電系統的低電壓穿越能力。通過控制飛輪電機變換器和風電機組側變換器，穩定系統直流鏈電壓，從而維持系統輸出無功功率水平，提高風電機組低電壓穿越能力(LVRT)。文獻［9］考慮了風電并網對電壓波動與閃變的影響，算例表明，電壓波動、閃變和系統短路容量、線路電抗與電阻比有關。因此，在線路設計時，選取合適的線路電抗與電阻比可以有效抑制電壓波動。同時，選取合適的并網點和電壓等級對抑制電壓波動也有幫助。

本文對大規模風電并網對電力系統運行穩定性和可靠性的影響進行了分析，發現儲能裝置能夠解決風電并網過程中出現的下列技術難題。

2 大規模風電并網帶來的問題

2.1 系統穩定性問題

由于風力發電受到氣候和季節的影響很大，相較于傳統發電，風電出力的可控性較差。由此引起的系統運行穩定性問題是亟待解決的問題。在傳統電力系統中，穩定性是指電力系統在運行過程中受到擾動后，保持原運行平衡狀態的能力。根據擾動的大小，可分為靜態穩定性(小干擾穩定性)和暫態穩定性(大干擾穩定性)［10］。顧名思義，靜態穩定性(小干擾穩定性)是指電力系統受到小擾動后，系統電壓保持在允許的偏差范圍內，保持漸進穩定運行。

對于含有風電機組的電力系統而言，除來自于負荷變化引起的擾動外，還有自身出力隨機變化對系統的擾動，因此對風電系統穩定性問題的研究十分必要。風電場運行過程中，通常需要吸收大量無功功率。一般來說，系統的無功裕度隨風電場的發電容量的增大而減小，由此造成靜態電壓穩定問題也就越突出。在風電系統中，通常使用電壓穩定裕度衡量靜態電壓穩定的能力。暫態穩定性的衡量標準則是在系統發生嚴重故障的情況下，風電機組在切除故障后恢復機端電壓并逐漸穩定運行的能力。在電網基礎比較薄弱的地區，發生故障后，風機無法重建機端電壓，進而導致運行超速失去穩定，將會對地區電網產生破壞性的沖擊。且由于風電機組的可控性比傳統的同步發電機差，系統頻繁出現瞬間功率不平衡。儲能系統(ESS)的功率響應迅速，體現出其和風電系統的互補特性，能顯著提高含風電電力系統的穩定性。因此，風電機組必須配備儲能裝置。

2.2 低電壓穿透問題(LVRT)

風電機組的LVRT問題是指風電機組接入公共連接點(PCC)產生電壓跌落時能夠保持并網狀態，且向電網提供一定的無功功率，維持供電電壓，直至電網恢復正常，穿越低電壓區域［11］。PCC點的電壓跌落時，風電機組會產生過電壓、過電流，對風力機組運行安全造成威脅。若風電并網容量所占比例較低，在電網出現故障時，風電機組會啟動自我保護機制實施自動解列。此時，風電機組幾乎不受到損壞，因此可忽略故障的對風機的影響。但當風電并網容量所占比例較高時，若在系統發生故障時仍實施自動解列，電網將失去支撐，可能引起其他機組全部解列，嚴重時會使電網崩潰。

2.3 穿透功率極限問題

在我國風電場運行規程中，風電穿透功率極限fwpp為系統所能接受的風電場最大容量與系統統一調度容量的比值［12］。即:

式中:Cmax為系統所能接受的風電場最大容量;Lmax為系統統一調度容量。

當系統中風電所占比例較低時，風電穿透功率較小，電力系統可以減弱和克服風電并網負面效應。隨著風電所占比例的增大，傳統發電機組的容量相應的減少，系統中風電穿透功率增大。系統中傳統發電機組應能跟隨風電功率變化，及時相應調整，從而使系統始終保持運行平衡狀態。若風電大規模并網后電能質量無法滿足要求，會降低系統能接受的風電場并網容量。影響風電穿透功率極限的因素同時也會影響系統供電的電能質量。除此之外，風電穿透功率極限問題還會對系統運行的穩定性產生影響。

2.4 供電充裕性問題

在電力系統中，負荷靜態特性是供電充裕性的研究基礎。為保持靜態電力負荷的實時平衡，研究目標主要有負荷預測、電源和電網規劃、電源運行調度等。由于負荷波動及機組啟停會對傳統電力系統的平衡產生破壞，因此在運行調度過程中，要求系統能夠提供足夠的備用電源。

風電并網后，系統負荷將由風電機組和傳統發電機組共同承擔。除負荷波動和機組啟停問題外，大規模的風電并網將對供電充裕性產生新的影響。主要體現在以下2個方面:

(1)凈負荷波動速率和范圍增加;

(2)凈負荷波動速率及范圍的不確定性增加。

研究表明:當風電在電網中所占比例較低時，凈負荷特性隨之改變，系統對負荷跟蹤電源的需求增多;與此對應的是，當風電所占比例較高時，系統對基荷電源的需求減少。此時，常規電源的載荷水平降低、機組啟停愈加頻繁，供電裕度不夠，將會大大降低整個電力系統的運行效率。

3 儲能技術在風電并網過程中的應用

3.1 提高系統穩定性

電力系統穩定性的根本問題是功率平衡問題。電力系統的有功功率、無功功率交換可以借助儲能系統的快速功率響應來實現，進而能夠保障系統的運行穩定。風電場從系統中吸收的無功功率會隨著風電并網容量增大而增大，引起系統電壓上升。為應對這種情況，風電場應配置合理容量的儲能裝置來保障系統的靜態穩定性。同時，儲能系統的快速響應能力可在在系統發生故障時進行快速、高效的補償，降低諧波畸變率，提高系統抗擾動、保持功率平衡的能力，保證系統的暫態穩定性。

綜上所述，為風力發電系統配置一定容量的具有快速響應能力的儲能系統，可以靈活有效地提高風電系統的穩定性。

3.2 提高風電系統的低電壓穿越能力(LVRT)

LVRT問題是影響系統穩定性的關鍵問題，風電大規模并網中時，LVRT問題尤為突出。實現LVRT功能的途徑主要有［13］:

(1)改進控制策略;

(2)增加硬件設備。

改進控制策略可以降低風電機組的暫態過電壓、過電流，但是在發生故障時，由故障引起的過電壓、過電流問題無法通過改進控制策略消除。因此，此方案僅適用于故障電壓變化較小的情形。其他情形則還需要增加硬件電路增強風電機組的LVRT功能。在增加硬件電路眾多實現途徑中，快速儲能系統的作用尤為突出。風電機組運行時，將儲能系統與風電機組能量轉換接口的直流母線并聯。儲能系統的快速響應機制，可在電網發生故障時存儲瞬時過剩能量，緩解電網運行壓力，改善了機組的暫態穩定性。而在風電場中，連接在風電場出口母線上的儲能系統，可在電網發生故障時吸收風電場無法送出的有功功率，抑制產瞬時過電流，保護風機。除此之外，儲能裝置還可以提供持續穩定的無功功率，在故障過程中進行電壓恢復，降低電網電壓崩潰的風險，從而提高風電場的LVRT能力。

在風電系統中配置儲能系統可以相應的提高風電系統的LVRT能力。然而，在配置儲能系統時，一定要充分考慮到電網發生故障時的暫態過程十分短暫，選擇具備快速響應能力的儲能系統尤為重要。

3.3 增加風電穿透功率極限

風電出力的隨機性和波動性是大規模風電并網問題的根本原因，由此產生的電力系統的電壓波動、電壓電流波形畸變、閃變等電能質量問題，會降低風電穿透功率極限。儲能裝置與先進的電力電子裝置相結合可以提高電能質量。影響風電穿透功率極限(WPP)水平的因素因系統而異，因此不同系統配備的儲能技術也不同。風電大規模并網后，若為了保證電能質量而強行降低風電場的并網容量，會降低風電穿透功率。對此，主要靠短時功率的動態補償提高系統的電能質量，這就要求儲能系統具備毫秒級功率動態調節能力。因此，儲能技術可以提高系統的WPP水平。此外，風電場發生出力波動或故障時，其中的異步發電機加速失去穩定，產生電壓崩潰，對風電穿透功率極限的影響十分明顯。此時，借助儲能系統可為系統增加風電穿透功率。

3.4 提高供電充裕性

此外，風電機組出力波動和負荷變化還會引起系統供電充裕性不足。這是由于大規模風電的并網，使得系統中傳統發電機組的出力靜態特性發生變化，導致系統供電不足。此時，儲能技術可作為備用電源進行發電，平滑風電出力曲線。根據儲能電源的響應特性，將備用電源可分為以下3類:

(1)調頻電源(分鐘級)，一般是啟停具有在線快速響應特性的電源;

(2)負荷跟蹤電源(小時級)，一般是啟停具有快速響應特性的電源(如水電等);

(3)基荷電源(日級)，一般是啟停具有慢速響應特性的電源(如火電、核電等)。

當風力發電比例較高時，系統對調頻及負荷跟蹤和事故備用有了更高的要求。這就要求儲能系統的充放電周期應在分鐘級，同時，也提高了系統對基荷機組組合的要求。當風電并網容量較大時，儲能系統的充放電周期可維持在小時至日級。針對風電發力的隨機性和波動性給電網帶來的不適應，儲能裝置的靈活響應特性使得其在電力系統中可以當作一個具有不同時間尺度的電源，為解決大規模風電并網供電充裕性問題提供了思路。

4 結語

隨著國家對低碳發電的推廣以及對風力資源的開發，風電企業蓬勃發展，風電并網容量所占比例逐年增大，風電并網對電網產生的不利影響不容忽視。本文針對大規模風電并網過程中產生的典型問題，結合儲能技術的特點，介紹了其在風電并網過程的具體應用。大規模的風電并網給電力系統安全穩定運行帶來了嚴峻的考驗。若不能解決風電并網時技術瓶頸問題，將會極大限制我國的風電發展和風電消納能力。儲能技術在改善風電并網調峰和電能質量方面的作用，保障了電力系統運行的安全性與穩定性，對于風電健康發展有著借鑒意義。

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