風力發電系統中儲能容量的優化配置

（江蘇國信臨海風力發電有限公司，江蘇 鹽城 224000）

儲能系統容量配置是否合理對風力發電系統的經濟運行有很大影響。若儲能容量配置小，風機在夜間產生的多余電量無法充分存儲，從而造成風能資源的極大浪費。若容量配置過大，不但會增加初期投資成本，還可能導致儲能系統長時間充電不足，進而影響儲能效果及壽命。因此，合理規劃儲能系統容量對風電行業的長遠發展有著重要的現實意義。

一、風力發電概述

風力發電是指把風的動能轉為電能。風能是一種清潔無公害的可再生能源能源，很早就被人們利用。利用風力發電非常環保，且風能蘊量巨大，因此日益受到世界各國的重視。風力發電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據風車技術，大約是每秒三米的微風速度(微風的程度)，便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因風力發電無需使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

二、儲能的接入方式

（一）直流側儲能接入方式。在風機直流側安裝儲能裝置，通常是為了在故障發生引起風機端電壓下降時，儲能能提高風機的低電壓穿越能力，保持風機在短時間內不脫網運行。在風機直流側加裝儲能結構時，儲能設備可使用蓄電池或超級電容器。為了提高直驅永磁風力發電系統的性能，采用直流側安裝儲能裝置的策略，當直流側的電壓過高時，多余的能量能存儲在儲能裝置中；當直流側電壓不足時，儲能設備中儲存的能量可釋放出來。同時，當風速發生變化時，可利用儲能設備平抑系統發電機的輸出功率波動和平衡電網需求功率。在風機直流側安裝儲能裝置，能提高風機的低電壓穿越能力，提高風能利用效率，當電網故障造成電壓跌落時，風機能保持正常運行，故障消除后可迅速恢復正常運行。

（二）交流側儲能接入方法。儲能根據接入網位置可分為接在靠近風機出口處及接在靠近負荷區兩種類型，而每種類型有兩種接入方式，即集中式、分散式接入。在短期預測范圍內，儲能能有效抑制風功率波動，并分別對風機出口儲能的集中式、分散式接入進行仿真，仿真結果表明，集中式接入效果較好，由于同一風電場中各風機的風速可能不同，致使風機出口母線的電壓無法穩定在一個特定的值，因此儲能不足以抑制風速變化引起的功率波動。研究了風機出口儲能的集中接入及負荷側儲能的分散式接入，仿真結果表明，負荷側儲能分散式接入不僅可減少風功率波動對電網的不利影響，還降低了系統運行的經濟性，且效果優于風機出口儲能集中式接入。然而，關于負荷側儲能集中接入的研究較少，需進一步研究及探討。

三、儲能技術在風電中的應用研究現狀

（一）提高風電系統的低電壓穿越能力。LVRT 問題一直是風力發電技術發展中需解決的難題之一，也是影響系統穩定性的關鍵因素之一。提高風電系統的LVRT 能力可從單機和風電場層面開展工作。對風電機組而言，提高LVRT 的方案有：1)改進控制策略。這種方案無需增加額外硬件設備，實現相對簡單。但由于電網故障過程中風電機組產生暫態過電壓和過電流的根本原因是瞬時能量的不平衡，改進控制策略無法從根本上解決故障過程中的暫態能量過剩問題，因而在有些情況下很難達到預期效果，該方案一般僅在故障電壓變化不明顯情況下有效；2)通過增加硬件設備實現。這種方案有很多的實現途徑，效果明顯，但需增加額外成本。對風電場而言，很難通過改進單臺機組的控制策略提高整個風電場的故障穿越能力，因而增加硬件設備是主要的方法。快速儲能系統作為一種特殊的FACTS 裝置，在單機和風電場層面上是一種較有效的解決方案。

（二）平抑功率波動。風電出力波動和不易控制是造成電網穩定性、電能質量和調度經濟性等問題的根本原因。在風力發電系統并網運行時，通過合理引入ESS，并制定相應的控制策略，能達到減小風速隨機變化對風電出力的影響，抑制風電輸出功率波動的目的。

近年來，已有學者利用ESS 平抑風電功率波動進行了研究，并取得了很多有價值的成果。總體而言，也可分為單機和風電場兩個層面的應用。在單機層面，在DFIG風電機組的直流母線上并聯超級電容器，并通過模糊理論進行協調控制，以平抑風電機組功率波動。另外，對大型風電場中的單臺機組而言，由于受到尾流效應、塔影效應等多種因素影響，準確預測其出力較困難，且在實際運行中也很難實現。在基于全功率變頻器的永磁同步風電機組的直流母線上并聯飛輪儲能裝置，并通過模糊控制，從而實現抑制風電機組輸出功率的波動。

四、儲能系統的容量優化配置策略

為延長電池儲能系統(BESS)中蓄電池的使用壽命，使蓄電池長期處于較優的工作狀態，本文要求蓄電池組盡可能以額定功率充放電。

在系統運行過程中，若風電場輸出功率小于電網調度功率，此時就出現功率缺失，儲能系統進行放電彌補功率缺失。

若風電場輸出功率大于電網調度功率，此時系統的能量缺失量為0，儲能系統充電。

考慮到風力發電系統的間歇性，結合電池儲eη能系統能量密度大、充放電效率高的特點，提出適合該儲能系統的容量優化配置策略。

管理策略1：當系統的缺失功率小于電池儲能系統的額定功率時，儲能裝置的充、放電功率為

式中：eη為系統逆變器的功率轉換效率。經單位時間的放電后，電池儲能系統未放電至最小容量，此時電池儲能系統完全ce 彌補系統的功率缺失，即這種情況無能量缺失。

管理策略2：當系統的缺失功率小于電池儲能系統的額定功率時，再經過時間的放電后，電池儲能系統剛好放電至最小容量。之后的時間內，為避免電池出現過度放電現象，電池儲能系統停止放電。

管理策略3：當系統的缺失功率大于電池儲能系統的額定功率時，則電池儲能系統以額定功率放電進行補償，經單位時間的放電后，電池儲能系統未放電至最小容量。

管理策略4：當系統的缺失功率大于電池儲能系統的額定功率時，則電池儲能系統以額定功率放電進行補償，再經時間的放電后，電池儲能系統剛好放電至最小容量。在之后的時間內，為避免電池出現過度放電現象，電池儲能系統停止放電。