電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制

中國電建集團貴州工程有限公司 陳 璽 趙張濤 王 慶 陶光明

隨著全球能源結構的轉型和對可再生能源的需求不斷增加，風能作為一種清潔、可再生的能源，得到了越來越多的關注。然而，風電的隨機性和間歇性給電力系統的穩定運行帶來了挑戰。為了解決這一問題，電池儲能系統作為一種有效的調節手段被廣泛應用于風電場，以改善風電的并網特性，提高風能利用率和系統穩定性[1]。目前電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制仍面臨一些挑戰，如控制策略的優化與適應性、系統穩定性的保障以及控制實現方法的高效性等。因此，本文將針對這些挑戰展開研究，進一步優化電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制策略。

1 風電場及電池儲能系統概述

1.1 風電場概述

風電場是一種利用風能發電的裝置，通過風力發電機將風能轉換為電能。風電場通常由多個風力發電機組成，形成一個具有一定規模的發電系統。

1.1.1 風電場的組成

風電場主要由以下幾個部分組成。

風力發電機：是風電場的核心部件，負責將風能轉換為電能。根據結構和工作原理的不同，風力發電機可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。塔筒：用于支撐風力發電機，使其位于一定高度以獲取更穩定的風速。塔筒通常采用鋼結構，需要具備一定的抗風能力和剛度。變速器和發電機：變速器負責將風力發電機的低速旋轉轉換為發電機所需的高速旋轉，發電機則將機械能轉換為電能。控制系統：負責對風電場進行監控和控制，包括對風力發電機的啟動、停機和運行狀態的監測，以及對并網運行的控制。并網設備：包括變壓器、斷路器、保護裝置等，負責將風電場產生的電能輸送至電網。

1.1.2 風電并網技術

風電并網技術是指將風電場產生的電能接入電力系統，實現風能與其他能源的共同供電，如圖1所示。風電并網技術主要包括以下內容。并網接口技術包括：并網點的選擇、并網方式的確定、并網裝置的設計等，確保風電場產生的電能順利接入電力系統。并網運行控制技術：通過對風電場的實時監控和調度，實現風電場與電力系統的協調運行，確保系統穩定性和供電可靠性。風電功率預測技術：根據氣象數據和歷史運行數據，對風電場的功率輸出進行預測，為調度和控制提供依據。

1.2 電池儲能系統概述

電池儲能系統是一種將電能存儲于電池中，按需釋放的系統，如圖2所示。電池儲能系統具有響應速度快、能量轉換效率高、環境友好等優點，因此在風電場中具有廣泛的應用前景[2]。

圖2 電池儲能系統模型

1.2.1 電池儲能技術類型

電池儲能技術可以分為以下幾類。

鉛酸電池：鉛酸電池具有成熟的技術、較低的成本以及可回收性等優點，但其循環壽命較短，能量密度較低。鋰離子電池：鋰離子電池具有較高的能量密度、較長的循環壽命以及較低的自放電率等優點，但其成本相對較高，且存在安全隱患。鈉硫電池：鈉硫電池具有較高的能量密度、較低的成本以及較長的循環壽命等優點，但其工作溫度較高，需要較復雜的溫控系統。流電池：流電池具有較長的循環壽命、較低的成本以及能量和功率獨立調節的能力等優點，但其能量密度較低，且技術成熟度相對較低，見表1。

表1 電池儲能技術類型

1.2.2 電池儲能系統的作用

電池儲能系統在并網風電場運行中具有以下作用。平滑風電功率波動：通過將風電場的瞬時功率波動存儲于電池中，降低風電場的輸出功率波動，提高系統穩定性。提高風能利用率：在風速較低時，電池儲能系統可以釋放儲存的電能以滿足負荷需求；在風速較高時，電池儲能系統可以將多余的電能進行儲存，從而提高風能利用率。無功功率支持：電池儲能系統可以提供無功功率支持，有助于維持電力系統的電壓穩定，提高供電可靠性。頻率調節：電池儲能系統可以通過調節有功功率輸出，參與電力系統的頻率調節，提高系統穩定性。

電池儲能系統在并網風電場運行中具有重要作用，有助于提高風能利用率、降低系統運行風險和減少設備損耗。為了實現這些目標，本文將研究電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制策略[3]。

2 電池儲能系統的協調控制策略

2.1 控制目標與約束條件

2.1.1 控制目標

電池儲能系統在并網風電場中的協調控制目標主要包括以下內容。

平滑風電場輸出功率波動：通過電池儲能系統的有功協調控制，減小風電場輸出功率的波動，提高系統穩定性。提高風能利用率：通過電池儲能系統的儲能與釋放，有效利用多余的風能，提高風能利用率。支持電網無功功率和電壓穩定：通過電池儲能系統的無功協調控制，為電網提供無功功率支持，維持電網電壓穩定。參與頻率調節：通過電池儲能系統的有功協調控制，參與電力系統的頻率調節，提高系統穩定性[4]。

2.1.2 約束條

電池儲能系統的協調控制需要考慮以下約束條件。

電池充放電功率限制：電池儲能系統在充放電過程中，需要滿足其充放電功率限制。電池荷電狀態（SOC）限制：電池儲能系統的荷電狀態需要保持在允許的范圍內，防止過充或過放。設備安全與壽命要求：電池儲能系統的協調控制策略需要滿足設備的安全與壽命要求，避免設備損壞，見表2。

表2 控制目標與約束條件

2.2 協調控制策略設計

2.2.1 有功協調控制策略

有功協調控制策略主要包括以下內容。基于風電功率預測的儲能充放電控制：根據風電場的功率預測結果，調整電池儲能系統的充放電功率，實現風電場輸出功率的平滑。基于頻率調節需求的有功控制：根據電力系統的頻率偏差，調整電池儲能系統的有功功率輸出，參與系統的頻率調節。

2.2.2 無功協調控制策略

無功協調控制策略主要包括以下內容。基于電壓調節需求的無功控制：根據電力系統的電壓偏差，調整電池儲能系統的無功功率輸出，支持電網電壓穩定。基于無功優化分配的無功控制：結合其他無功補償設備，通過優化算法分配電池儲能系統的無功輸出，實現電力系統的無功優化分配，降低系統損耗[5]。

2.3 控制策略實現方法

2.3.1 基于模型預測控制的方法

模型預測控制（MPC）是一種基于模型的優化控制方法，通過預測系統未來的行為，實時優化控制輸入以滿足控制目標的需求。

在電池儲能系統的協調控制中，可以采用MPC方法，利用風電場和電池儲能系統的動態模型，預測未來的風電功率和電網需求，實時調整電池儲能系統的有功和無功輸出，實現協調控制目標。MPC方法具有較強的實時性和適應性，能夠有效應對風電場輸出功率和電網需求的不確定性。

2.3.2 基于人工智能的方法

隨著人工智能技術的發展，基于人工智能的方法在電池儲能系統的協調控制中也得到了廣泛應用。常見的人工智能方法包括神經網絡、模糊控制、遺傳算法等。這些方法可以根據歷史數據和實時信息，自適應地調整控制策略，實現電池儲能系統的協調控制。相比傳統控制方法，人工智能方法具有更強的非線性處理能力和更高的控制精度，能夠在風電場輸出功率波動較大和電網需求變化不確定的情況下，實現更好的協調效果。

3 結語

本文針對電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制進行了研究，電池儲能系統在并網風電場運行中具有重要作用，包括平滑風電場輸出功率波動、提高風能利用率、支持電網無功功率和電壓穩定以及參與頻率調節等。電池儲能系統的協調控制需要考慮控制目標與約束條件，如電池充放電功率限制、荷電狀態限制以及設備安全與壽命要求等。電池儲能系統的協調控制策略包括有功協調控制策略和無功協調控制策略，可采用基于模型預測控制的方法和基于人工智能的方法實現。

未來電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制研究將繼續深入，例如研究更先進、高效的協調控制策略和算法，進一步提高控制精度和適應性；研究電池儲能系統與其他儲能技術、可再生能源及電力系統設備的綜合協調控制，實現更高效的能源利用和系統優化；關注電池儲能技術的發展趨勢，探討新型電池儲能技術在并網風電場運行中的協調控制問題。

未來研究可在以下幾個方面進行拓展：深入研究多種可再生能源（如太陽能、水能等）與電池儲能系統的協同控制問題，實現更高效的能源利用和系統優化；探討其他先進控制方法（如自適應控制、滑模控制等）在電池儲能系統協調控制中的應用，提高控制策略的適應性和穩定性。