風電并網中的儲能技術研究

李剛

摘要：風能作為可再生能源投入發電產業可以形成綠色可持續發展。風能發電存在波動性和間接性等問題，需要研究儲能技術實現風力發電可控性。本文闡述了風電并網中的儲能技術研究現狀，分析儲能技術應用成果在風電并網中的重要作用，以期為風電并網中的儲能技術研究 提供可行建議。

關鍵詞：風電并網;儲能技術;經濟性

引言：隨著落實綠色可持續發展的國家政策，對電力行業的發展提供了新的發展要求，類似風能等常見的可再生性清潔能源以逐漸代替煤礦等易消耗、易污染能源。調整電源結構已成為電力行業發展的重點工作內容，風電并網中的儲能技術研究能解決風力發電的不穩定性問題、提高風能利用效率，具有重要的研究意義。

1.風電并網中的儲能技術研究現狀

1.1儲能系統的類型與特點

儲能技術可以具體分為：機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、熱儲能與氫儲能等形式。第一，機械儲能是通過機械能與電能之間的轉化形成儲能與釋放。其中抽水儲能是目前技術較為成熟且使用廣泛的機械儲能方式，具有循環壽命周期長、儲存容量大等優勢。第二，電磁儲能。電磁儲能通過電磁能進行能源儲存，最常見的有超導儲能和超級電容器這兩種方式。具有儲能效率高、使用壽命長等優點，但建造成本高制約其使用發展。第三，電化學儲能。電化學儲能是通過電池電化學反映原理實現電能轉換為化學能。電化學儲能常用鋰離子電池、液流電池等，具有易于安裝、使用效率高、未來發展前景良好等特點。但對使用安全性要求較高，制造選材應注重經濟性和安全性。第四，熱儲能。熱儲能根據材料特性不同分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱這三種，其中潛熱儲熱發展技術領先，成本較低是該方向研究重點。第五，氫儲能。氫能是重要的能源載體，具有方便運輸、成本較低、綠色節能等優點，是國內國外理想的儲能技術，研究還處于摸索階段，市場前景良好[1]。

1.2儲能系統的數學建模

能源各異特性帶來儲能方式的多樣化，風電場在進行大規模風電并網過程中，單一的儲能方式不能滿足容量適應性問題，所以面對儲能系統的研究必須根據實際情況在不同場地有針對性的面對控制目標調節使用ESS模式，通過建立數學模型運算分析出不同時空尺度的儲能模式，形成綜合性的儲能方式是解決儲能系統問題的保障。

1.3儲能系統的控制研究

制定科學合理的儲能系統控制策略可以充分提高ESS的使用效率，直接決定了儲能容量和經濟性，在研究過程中發現ESS使用功能發展方向具有多樣性，因此制定科學有效的儲能系統控制策略變得十分困難。在研究儲能系統的控制時研究重點應放在風電儲能的聯合協調控制問題和多元復合儲能系統的多元協調控制問題，這兩個問題將是未來控制策略的研究重點。

1.4儲能系統的經濟性研究

儲能系統的應用領域范圍廣，可解決風電資產利用率等問題，有重大的現實應用意義。但目前市場上對投資回報效益不確定、缺乏相關政策進行保護引導等問題制約著儲能系統的研究發展。現階段儲能系統的研究存在著成本高、循環壽命短、技術水平有待提高等等問題，為解決以上問題，應把經濟性研究放在首要位置，加強資金投入促進技術發展。

2儲能技術在風電并網中的應用

2.1增強風電穩定性

電力系統的穩定性是指電網在運行過程中受到干擾后是否可以經過自我調節恢復到之前狀態或形成新的穩定狀態。風電穩定性可具體分為靜態穩定性和暫態穩定性兩種形式，在風電場中靜態電壓穩定性問題比較常見，起因為風電機組構成的風電系統負荷變化擾動和系統自身變化帶來的擾動問題，系統發生嚴重故障后會造成暫態性穩定問題，面對這兩種成因不同的穩定性問題，解決辦法也不相同。在電力系統暫態穩定性的研究中，分析風電機組旋轉變化情況切除風電機組故障解決問題，以模糊理論為基礎進行控制[2]。靜態性穩定性問題屬于一瞬間不穩定性問題，采用特征分析法計算特征值和系統的狀態矩陣，將運行點線性化設計出阻尼控制器使用ESS進行快速調整。針對以上研究方法能夠很好的解決風電系統的穩定性問題。

2.2增加風電穿透能力極限

風力發電由于具有間接性和波動性造成了電力系統的電壓波動、電壓電流波形畸變等電能質量問題，會降低風電穿透能力的極限，強制減少風電并網容量也會造成風電穿透能力的極限降低。面對這一問題有兩種針對性解決方法：第一，改進控制策略。這種方式只適用于電壓故障不嚴重的情況使用，具體操作不需要使用其他硬件設備相對簡單，電網出現故障時伴隨著過電流和暫態過電壓，出現暫態電能過剩問題，需要從風電場和單臺風機進行維修改進。第二，調整硬件。增加所需硬件設備多使用快速儲能系統，可以在風電機組降低電壓時保持提供無功功率，使其支撐電網繼續運行避免產生過電壓、過電流等問題，當過電壓、過電流問題嚴重時會造成風電機組受損帶來經濟損失，使用快速儲能系統可以增加風電穿透能力極限，在實踐中取得顯著效果。

2.3提高供電電能質量

儲能系統能從降低電壓波動、電壓暫降等方面提高電能質量，采用儲能系統快速有功、無功功率交換，利用超級電容與系統的功率交換可以實現改變電壓電流波形畸變及閃變等問題，有利于使用平滑風電輸出功率平抑電壓波動性、串聯系統改善電壓暫降增加電壓可靠性，能有效地提高供電電能質量。儲能系統建議選擇超級電容儲能、超導儲能和電池儲能系統，都具有ms級功率動態調節能力[3]。例如，河南省2018年已建成16座儲能電站，是我國建成投運的首個電網側分布式百兆瓦級電池儲能工程，標志著河南省在電網側分布式儲能電站標準化、規模化建設上邁出重要一步。

2.4優化風電經濟性

由于風電并網時具有間接性造成系統備用容量增加降低經濟性，目前在市場上，風力發電收益性較低，競爭能力較弱，研究使用儲能系統可以增加風力發電利用率提高經濟效益。根據西班牙風力發電運行策略的成功案例，可采用壓縮空氣儲能系統以降低容量需求，提高系統運行經濟性，儲能系統可增加風電利用時長使風電參與電力調峰，優化系統經濟性。例如，河南發改委印發《關于組織開展2020年風電、光伏發電項目建設的通知》，指出將實行新增項目與存量項目掛鉤，對存量項目并網率低的區域，暫停各類新能源增量項目。在平價風電項目中，優先支持已列入以前年度開發方案的存量風電項目自愿轉為平價項目，優先支持配置儲能的新增平價項目。

2.5平仰功率波動

風力發電過程中所產生的出力波動是不易人為控制的，功率波動直接影響到風力發電的電能質量、經濟效益和電網穩定性。為解決這一問題，可采用儲能系統抑制風電輸出功率的波動，在一定程度上控制風電出力問題。在風力發電風場中，研究預測時應考慮塔影效應、尾流效應等多種制約因素，研究預測內容主要包括：串聯超級電容器的儲存裝置，使用模糊理論進行控制以實現發電功率波動平抑;使用電池儲能系統提高電能質量和系統穩定性;使用SMES控制系統功率補償，達到抑制毫秒內極快速輸出波動。在長時間研究后已取得顯著成果，研究結果證明了風力發電系統中加入儲能容量可以平滑風電功率曲線，發現和改變電廠負荷曲線的變化，最終做到通過儲能技術對風電出力波動起到平抑作用。

結語：國家提升了對可再生清潔性資源發電的重視程度，風電并網在行業占比逐年提高，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，對于風電并網中的儲能技術研究不可忽視，應加大研究力度解決電能質量和傳輸中穩定性等問題，提高風電系統安全性，助力風力發電行業科學快速發展。

參考文獻：

[1]劉文龍.儲能提升含高比例可再生能源電力系統頻率穩定性研究[D].浙江大學，2019.

[2]蘇坤林.儲能技術在大規模新能源并網中的運用研究[D].華北電力大學（北京），2019.

[3]白俊文.風電并網中的儲能技術研究[J].農村電氣化，2018（12）：59-61.