應用儲能技術對風電場低電壓穿越的分析

白俊文 太原理工大學/山西漳澤電力股份有限公司新能源管理部

隨著我國科學技術不斷發展，風電作為一種清潔可再生資源，也被廣泛應用于電力系統中。然而一旦發生電網事故，就會對風電造成沖擊，甚至會出現風電機組脫網、機組解列情況，究其原因還是因為風機不具備低電壓穿越能力，一旦發生電網故障，網點電壓就會不斷下降，最終促使風機迫停。為確保電網系統穩定性，就需要風電場具備低電壓穿越能力，確保電網故障情況下，可以在低電壓一段時間內保證并網運行。在本文中，結合儲能技術，對其應用于風電場低電壓穿越進行詳細分析和探討。

1 基于儲能技術的低電壓穿越技術分析

現目前，應用到低電壓穿越技術中的儲能技術，又包含了飛輪儲能、超導儲能、超級電容器儲能等內容。其主要技術原理為：充分借助儲能裝置，達到快速去磁和削減風電機組轉子過電流的目的。同時在故障狀態下快速吸收能量，以降低風電機組直流側過電壓，還能夠密切配合網側變換器對無功功率進行有效控制，在保障并網點電壓穩定的基礎上，促進風電機組快速恢復。

1.1 飛輪儲能

飛輪儲能主要是利用大規模轉盤的慣性實現儲能，其中涉及到的技術有電磁懸浮軸承、電力電子技術等。通過與發電機系統連接，可以實現儲存和釋放能量，當處于發電機飛輪減速模式時，就可以釋放電能，若是處于電動機飛輪加速模式，就可以實現電能儲存，如下圖1所示。對飛輪儲能進行應用具有響應速度快、能量密度高等優勢特點，可以極大的改善系統穩定性情況。但是由于該項技術在應用時結構和控制比較復雜，所耗費的成本也比較高，使其在實際應用中遭受到諸多限制。

圖1 飛輪儲能系統配置

1.2 蓄電池儲能

蓄電池作為當前應用最為廣泛的儲能技術，被廣泛應用于海洋探測、無線網絡、電網穩定等當中，它可以以補償元件的方式實現電網能量轉換，還可以通過改變變換器觸發角實現無功源使用。但是該項技術在風電接入下進行使用，其充電和放電都會遭受到限制，并且使用壽命比較短，所需維護費用比較高。將蓄電池應用到低電壓穿越中，多是與其他高功率密度儲能技術相聯合進行使用，可以增強風電機抵御電網故障能力，配合Crowbar裝置，還能夠保障風電機組直流側電壓穩定性和可靠性。

1.3 超導儲能

超導儲能作為現代比較新穎的一種儲能技術，主要是通過超導線圈實現電能儲存，進而滿足電能補償需要。該項技術的應用優勢主要體現在能量密度高、損耗小、轉換效率高等方面，劣勢則表現為需要冷卻裝置在其中發揮作用，最終使得應用成本提升。將超導儲能技術應用到風電中，主要是通過變換器實現，將之接入到風電機組直流側，在與風電機組側、網測變換器相互協同下，保障和提高電壓穩定性和可靠性。再加上超導儲能的功率密度比較高，也較適合應用到低電壓穿越中，可以快速的滿足充電和放電需求，但是想要取得理想應用效果，還需要在做出進一步努力，改善成本高、受電磁環境影響等問題。

1.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能又可以稱之為超大容量電容器，其主要是通過電荷分離實現儲能，也具有充放電迅速、使用壽命長、安全性高等應用優勢。在實際應用時可以直接通過控制變換器實現充電和放電，與上述提到的飛輪儲能和超導儲能相比較，超級電容器儲能在控制上更加簡單，也無需進行維護和移動，將其應用到低電壓穿越中，可以充分起到提高穿越能力、保障電壓穩定和提高電能質量的作用。

2 儲能技術應用于風電場低電壓穿越分析

2.1 DC-DC變換器拓撲結構

應用儲能技術提升風電場低電壓穿越能力，可以通過變換器直接接入到風電系統中，這時候變換器需要滿足雙向能量流動、高效率、可以承受高峰功率和占地小要求。若是需要將儲能系統連接到高電壓直流母線上，儲能就需要位于低壓側，反之位于高壓側，如果是采用高頻控制的變換器，就可以采用隔離式DC-DC拓撲結構。總之，儲能系統拓撲結構的選擇，需要根據實際使用場合進行恰當選擇。

2.2 基于儲能的拓撲結構

通過儲能系統提升低電壓穿越能力主要有以下方式：（1）通過換流器直流側直接接入，如下圖2所示，采取該種方式主要是借助較為穩定的直流側電壓避免換流器觸發到保護動作；（2）從公共耦合點進行接入，涉及到的復合儲能系統則可以由蓄電池、超導儲能等組合而成，通過無功補償方式保障電壓穩定，避免風機脫網情況發生。

圖2 直流側接入儲能系統

2.3 混合儲能拓撲結構

從滿足能量密度、使用壽命、成本等角度出發，將儲能技術應用到低電壓穿越中還能夠通過多種儲能技術聯合應用實現。通常情況下，混合儲能系統構成可以是蓄電池+超級電容器、蓄電池+飛輪混合和蓄電池+超導混合儲能三種方式，再通過交流側并聯、共用變換器、單變換器和兩變換器拓撲結構方式，使之構成混合儲能系統。其中，飛輪、超導和超級電容器功率密度雖然比較高，但是能量密度較小，但是蓄電池正好相反，通過混合儲能的方式，可以更好滿足低電壓穿越需求，實現優勢互補，充分發揮出提高效率、延長壽命等作用。

3 儲能技術應用于低電壓穿越中的展望

儲能技術應用到風電場低電壓穿越中，具有十分廣闊的應用前景。但是想要進一步提升儲能技術在低電壓穿越中的應用能力，還需要深入研究和分析以下問題：（1）儲能關鍵技術難點問題，盡管蓄電池和超級電容器儲能技術已經成為現代密切關注的低電壓穿越技術，但是對其他低電壓穿越技術研究還有待加強，尤其是飛輪儲能技術存在得磁懸浮軸承溫度過高、超導儲能冷卻、電磁敏感等問題；（2）明確應用到低電壓穿越技術的儲能容量及其類型，即結合風電機組位置、接入規模等的確定所需儲能容量和類型，進而充分發揮不同儲能方式應用優勢；（3）確定儲能技術應用配置方案及其協調控制，簡單來說就是需要根據風電分布及其機組的類型，保障儲能系統接入和組合方案科學、合理，同時針對混合儲能系統的應用，也要采取有效協調控制策略，保障其發揮相互協調和優勢互補作用。

結語：在本文中，對儲能技術應用于風電場低電壓穿越進行分析，主要是從基于儲能技術的低電壓穿越技術分析展開，對儲能技術中飛輪儲能、蓄電池儲能、超導儲能等技術進行詳細闡釋，同時對儲能技術應用于低電壓穿越中的拓撲結構進行探討，最后也對儲能技術應用于低電壓穿越中的應用進行展望，通過對儲能技術加大研究，并對儲能技術在低電壓穿越中應用存在的問題進行妥善解決，也將進一步提高儲能技術應用效果。