風儲系統(tǒng)中儲能的應用研究綜述

魏麗麗，晁勤，劉春燕，羅慶

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

風儲系統(tǒng)中儲能的應用研究綜述

魏麗麗，晁勤，劉春燕，羅慶

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

利用儲能技術對負荷削峰填谷，抑制風功率波動幅度，提高風出力預報精度和低電壓穿越能力，不僅可以減少系統(tǒng)旋轉備用容量，確保基于風電出力預報的風電調度計劃被有效執(zhí)行，而且兼顧了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全穩(wěn)定性，所以儲能裝置與風力發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合運行已成為解決大規(guī)模風電并網(wǎng)的有效手段。介紹了儲能在風儲系統(tǒng)中的接入方式、風儲系統(tǒng)中短期調度曲線的確定、涉及儲能的壽命和其充放電控制策略，對儲能的價值評估進行了分析，為儲能技術在清潔能源中的應用推廣提供參考。

儲能技術；接入方式；調度曲線；儲能壽命；控制策略；價值評估

儲能作為新能源發(fā)電必不可少的組成部分，可以有效地實現(xiàn)需求側管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，提高設備利用率，減少旋轉備用容量，改善電能質量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，降低供電成本等，從而帶來較大的收益。國內外學者針對儲能配套風電并網(wǎng)發(fā)電做了大量研究：文獻[1]結合由蓄電池和超級電容器構成的新型混合儲能系統(tǒng)，提出了一種平抑風電波動功率的方法，仿真分析表明，該方法能夠延長系統(tǒng)的使用壽命，平抑后的風電輸出功率可以滿足電力系統(tǒng)實施調度的要求；文獻[2]闡述了儲能在電力系統(tǒng)短期預測中的應用，研究表明儲能系統(tǒng)的應用能減緩風速變化帶來的功率波動，提高風功率預報精度；文獻[3]建立了基于等效電路的電池儲能系統(tǒng)和基于異步風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用電池儲能系統(tǒng)對并網(wǎng)風電場的電能質量和穩(wěn)定性問題進行仿真，結果表明電池儲能很好地改善并網(wǎng)風電場的電能質量和穩(wěn)定性；文獻[4]針對風電功率的間歇和波動導致電場容量可信度低、可調性差及電壓不穩(wěn)、頻率波動等現(xiàn)象，將超級電容器和蓄電池組成快速儲能裝置，以實現(xiàn)風電潮流優(yōu)化控制系統(tǒng)，實驗結果表明，這種快速儲能裝置能平滑調節(jié)風電注入電網(wǎng)的有功功率，并實時補償控制風電接入點的無功功率。由上述研究可知，儲能已在電力系統(tǒng)中廣泛應用，但由于其造價成本較高，所以還沒有普及，但儲能已成為解決大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)的關鍵技術。

1 儲能的接入方式

1.1 直流側儲能接入方式

一般在風機直流側加裝儲能裝置的目的是當故障發(fā)生引起風機端電壓下降時，儲能可以提高風機的低電壓穿越能力，保持風機在短時間內不脫網(wǎng)運行。風機直流側加裝儲能的結構如圖1所示，儲能設備可以選用蓄電池或超級電容器。文獻[5-7]為提高直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的性能，采用直流側加裝儲能裝置的策略，當直流側電壓過高時，把多余的能量存儲在儲能設備中，當直流側電壓不足時，可把儲能設備中存儲的能量釋放出來，同時當風速變化時，可利用儲能設備平抑系統(tǒng)發(fā)電機輸出功率波動及平衡電網(wǎng)需求功率。風機直流側加裝儲能裝置，可以顯著提高風機的低電壓穿越能力，提高風能的利用效率，當電網(wǎng)故障發(fā)生引起電壓跌落時，使風電機組可以保持正常運行，故障消除后能夠快速恢復正常工作。

圖1 直流側儲能結構

1.2 交流側儲能接入方式

儲能根據(jù)接入電網(wǎng)位置的不同可以分為兩種類型，即接在靠近風機出口處和接在靠近負荷區(qū)，每種類型又有兩種接入方式即集中式接入和分散式接入，其結構如圖2～圖5所示。文獻[2]闡述了在短期預測范圍內，儲能有效抑制風功率波動，而且分別針對儲能在風機出口的集中式接入和分散式接入進行了仿真，仿真結果表明儲能的集中式接入產生的效果更好，因為同一個風電場內每個風機的風速變化可能是不同的，導致風機出口母線電壓不能穩(wěn)定在某一特定值，從而儲能不足夠抑制風速變化引起的功率波動；文獻[8]分別針對儲能在風機出口的集中式接入和儲能在負荷側的分散式接入進行了研究，仿真結果表明，儲能在負荷側的分散式接入既能減少風功率波動給電網(wǎng)造成的不利影響，而且也降低了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，相比儲能在風機出口的集中式接入產生的效果更好。但在負荷側集中接入儲能的研究還很少，有待進一步的研究和探討。

圖2 風電場側集中式儲能結構

圖3 風電場側分散式儲能結構

圖4 負荷側分散式儲能結構

圖5 負荷側集中式儲能結構

2 儲能的壽命及充放電控制策略與短期調度曲線的關系

圖6為短期電網(wǎng)調度風儲系統(tǒng)工作示意圖，圖中為風電場實際出力曲線，為短期電網(wǎng)調度出力曲線，風電場要按照此曲線發(fā)電。B-C淺灰色區(qū)域表示儲能系統(tǒng)充電，因為在此時間段內風電場實際出力比按照電網(wǎng)調度曲線出力多，儲能充電吸收多余的風能，避免過多的風電給系統(tǒng)帶來不利影響，也避免了“棄風”的發(fā)生，防止風資源的浪費。C-F深灰色區(qū)域表示儲能系統(tǒng)放電，因為在此時間段內風電場實際出力比按照電網(wǎng)調度曲線出力少，缺少的能量只能通過儲能放電來補充，防止系統(tǒng)切負荷給電網(wǎng)帶來巨大沖擊，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖6 短期電網(wǎng)調度風儲系統(tǒng)工作示意圖

儲能的壽命與其充放電次數(shù)密切相關，充放電周期越短，在一定時間內充放電次數(shù)越多，儲能的壽命就越短。為了延長儲能的壽命，其充放電時間的控制至關重要，即短期調度曲線的確定成為關鍵。如圖6所示，充電階段短期調度功率應為實際風功率的最小值，才能使儲能達到充分的充電狀態(tài)(=1)，圖中面積ABCD為充電周期的能量。放電階段短期調度功率應為實際風功率的最大值，使儲能達到深度放電即儲能充電容量的最小值，圖中面積DEFG為放電周期的能量。一個周期內儲能的充放電通過曲線BC、EF調度，這樣才能使儲能的充放電次數(shù)最小，從而儲能的壽命達到最大。

3 儲能的價值評估

3.1 儲能容量評估

儲能的造價成本昂貴，開展儲能容量優(yōu)化配置的研究，以充分發(fā)揮儲能的優(yōu)勢，可有效降低儲能系統(tǒng)成本，簡化運行維護，促使儲能的大規(guī)模應用。儲能容量配置的選擇，對風力發(fā)電的技術、經(jīng)濟指標影響很大。儲能容量選得太大，會增加投資，而且儲能可能會長期處于充電不足狀態(tài)，影響儲能的使用效果和壽命；如果儲能容量選擇偏小，那么風大時發(fā)電機組發(fā)出的多余電量不能充分儲存，而無風時用電負荷得不到足夠的輸出功率，會影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。針對儲能容量優(yōu)化配置的問題，國內外學者做了大量研究：文獻[9]提出了基于機會約束規(guī)劃的混合儲能容量配置方法，以混合儲能裝置的功率出力和荷電狀態(tài)為約束，以裝置成本最低為目標，采用遺傳算法求解，并依據(jù)荷電狀態(tài)限制設計了模糊控制策略，修正儲能裝置的功率參考值，已達到延長儲能使用壽命的效果；文獻[10]基于給定的負荷特性，分析了儲能系統(tǒng)配置容量與其改善負荷波動水平之間的關系，以儲能系統(tǒng)投資成本、經(jīng)濟收益為約束，以儲能系統(tǒng)綜合效益最大為目標，提出了一種用于松弛電網(wǎng)調峰瓶頸的大規(guī)模儲能系統(tǒng)容量配置方法；文獻[11]基于儲能成本和儲能壽命之間的關系，需要找到一個最佳儲能容量，使其壽命和成本都達到最優(yōu)，定義了一個評估參數(shù)，其表達式如下：

式中：()為表示儲能壽命與其容量之間關系的函數(shù)，分母表示儲能總費用；代表儲能的固定投資成本費用；×代表的費用是與儲能容量成線性關系的函數(shù)；用來衡量單位成本的儲能壽命，越大表示單位成本儲能的壽命越長，即得到最經(jīng)濟的儲能容量配比。

3.2 儲能效益評估

儲能系統(tǒng)應用于電網(wǎng)中，可以延緩電網(wǎng)升級、減少輸電阻塞、提供輔助服務、提高供電可靠性，從而帶來相應的收益，同時在峰谷電價機制下，儲能系統(tǒng)可以通過低儲高發(fā)實現(xiàn)套利。但儲能的造價成本較高，與儲能加入所帶來的效益相比，總體不一定獲益，所以有必要對儲能系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析即效益評估。

對儲能進行效益評估，目的是建立其多方面價值的評估模型，通過優(yōu)化運行對其經(jīng)濟性進行分析，進而確定其最佳應用規(guī)模。應用于電網(wǎng)中不同的場合，其主要的價值方面是不同的，所以所建評估模型各異：文獻[12]在開放的電力市場中建立一個包含儲能價格套利、降低傳輸費用、推遲設備投資以及投資成本、運行和維護費用的儲能經(jīng)濟分析模型，采用遺傳算法結合線性規(guī)劃確定儲能最大效益和最佳配比，但沒有考慮其環(huán)境效益；文獻[13]基于風儲聯(lián)合運行系統(tǒng)特性分析，構建了風儲聯(lián)合運行系統(tǒng)收益評估模型，確定現(xiàn)貨市場的電量交易，以使售電商的預期效益最大化，該評估模型是在負荷預測和實時電價預測的準確度為100%的理想條件下建立的，但在現(xiàn)有的技術條件下，這種前提條件是不可能存在的，所以所建的模型具有一定的不準確性。

關于儲能的效益評估，國內相關研究還很少，而國外的研究文獻計及的儲能價值方面不夠全面，多數(shù)研究文獻都是以收益最大為目標函數(shù)建模[14-15]，如式(2)所示。式中：為儲能系統(tǒng)通過低儲高發(fā)套利獲得的收益；為儲能系統(tǒng)提供輔助服務獲得的收益；為儲能系統(tǒng)減少輸電阻塞獲得的收益；為儲能系統(tǒng)延緩電網(wǎng)升級所獲得的收益；為儲能系統(tǒng)的投資成本為儲能系統(tǒng)的運行維護費用。該目標函數(shù)雖然能夠對儲能進行效益評估，但由于模型中沒有考慮儲能加入系統(tǒng)后，系統(tǒng)總的旋轉備用會相應減少，從而排放的污染物也會相應減少，環(huán)境效益也會增加；另外未計及降低網(wǎng)損費用和減少缺電損失等所帶來的效益，如果把這部分效益也考慮進去，對儲能的評估會更全面，更具說服力，避免了由于忽略這些隱性收益而得出儲能不經(jīng)濟的結論。

4 結論

儲能技術與風電場相結合，根據(jù)風電功率的波動情況和功率平抑目標，控制儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，準確快速地補償系統(tǒng)所需的有功功率和無功功率，平滑風電功率波動對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運行的安全性、可靠性和可控性，降低發(fā)電成本，改善并網(wǎng)風電場的電能質量、增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增加風電功率的穿透極限和優(yōu)化電網(wǎng)的電源結構，促進風力發(fā)電更好、更快地健康發(fā)展，所以電力系統(tǒng)中儲能應作為未來支持新能源開發(fā)的一項重要技術和經(jīng)濟手段。

面對未來風電的大規(guī)模發(fā)展趨勢，應結合我國實際，在充分借鑒國外先進經(jīng)驗和研究成果的基礎上，加大對大規(guī)模風電并網(wǎng)經(jīng)濟技術評價、政策法規(guī)、運行機制、市場體系等問題的研究，建立風電與電網(wǎng)之間、風電與其他形式電源之間長期和諧的發(fā)展關系。這對于正確認識我國風電開發(fā)的特點，對于實現(xiàn)我國風電的長期、可持續(xù)、健康發(fā)展，是十分有益的。

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Research review of energy storage in joint system of energy storage and wind power

WEI Li-li,CHAO Qin,LIU Chun-yan,LUO Qing

The fluctuation of wind power could be restrained and the forecast accuracy and low voltage ride through capability(LVRT)could be improved through using energy storage technology for load shifting and peak smoothing. Not only the spinning reserve capacity but also ensure dispatching plan of wind power could be reduced by ESS to be effectively performed based on the prediction of wind power,and the economic and security of the system operation were taken into account.So the integration operation of energy storage device and wind power system was an effective means to solve the integration of large-scale wind power.Accessing way of energy storage in joint operation system of energy storage and wind power was mainly introduced.The determination of short-term scheduling curve in joint system,involving the life of ESS and the control strategy of charge and discharge.Finally, the value evaluation of the ESS was carried on,and some reference for the application and popularization of energy storage technology was provided.

energy storage technology;the way of accessing;scheduling curve;the life of ESS;control strategy; value evaluation

TM 614

A

1002-087 X(2015)03-0637-03

2014-08-20

國家自然科學基金資助(51267020)；教育部2012年高等學校博士學科點專項科研基金博導類聯(lián)合資助課題(20126501110003)；人事部2011中國留學人員科技活動項目擇優(yōu)資助啟動類(《儲能—風電并網(wǎng)關鍵技術研究》)

魏麗麗(1987—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為潔凈能源與并網(wǎng)技術。