關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)的研究進(jìn)展

錢一禎

摘 要：在風(fēng)力發(fā)電的電能并網(wǎng)工程中，儲能技術(shù)一直都是解決技術(shù)瓶頸的首選，是提高風(fēng)力發(fā)電融入電網(wǎng)的重要途徑。該文通過分析當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電電能并網(wǎng)過程中存在的問題以及問題存在的主要原因，簡要概括當(dāng)前各種儲能技術(shù)概要并指出其在風(fēng)電并網(wǎng)工程中的作用概況；再著重分析儲能技術(shù)在解決風(fēng)電并網(wǎng)過程中各種問題的研究進(jìn)展，并對其做出簡要?dú)w納；在研究基礎(chǔ)上提出風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)應(yīng)用建議，將為風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)的研究發(fā)展提供進(jìn)一步的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng) 儲能技術(shù) 控制

中圖分類號：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0055-02

在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的潮流下，地球的能源短缺問題日益突出，化石能源的可用儲存量日益減少，再加上氣候環(huán)境惡化問題日益加劇，開發(fā)和利用可再生能源已經(jīng)成為了世界各國的必選之路。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源，是可再生能源發(fā)電領(lǐng)域現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟的發(fā)電技術(shù)，而且無污染、投資周期很短，是近年來發(fā)展最為迅猛的可再生能源發(fā)電技術(shù)。

1 風(fēng)電并網(wǎng)工程面臨的問題

由于風(fēng)電在電力輸出的過程中，波動性和不確定性較大，而且我國風(fēng)電大規(guī)模建設(shè)、高度開發(fā)，風(fēng)電基地集中，電廠之間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，因此，風(fēng)電輸出波動會對整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。此外，由于風(fēng)電機(jī)組的電力輸出并網(wǎng)采用電力電子接口，其余常規(guī)發(fā)電機(jī)的差別較大；而風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間現(xiàn)有的控制力較弱，電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)難以應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組的不穩(wěn)定性，這就給整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患[1]。

綜上可以看出，風(fēng)電并網(wǎng)工程面臨的首要問題，就是風(fēng)電的不可控性以及電力電子接口動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)的差異。

2 儲能技術(shù)分析

儲能技術(shù)現(xiàn)有4種類型，分別是化學(xué)儲能、物理儲能、電磁儲能以及相變儲能等。物理儲能主要有抽水、壓縮空氣和飛輪等儲能方式；電磁儲能包括超導(dǎo)磁儲能和超級電容儲能；化學(xué)儲能主要是鉛酸電池儲能、鋰離子電池儲能和鈉硫電池儲能；相變儲能有冰蓄冷儲能以及相變建筑材料儲能等。

其中，相變儲能不以電能形式來進(jìn)行儲存電量的釋放，其運(yùn)行功率與能量等級涉及面較廣，不予討論[2]。不過，隨著電網(wǎng)智能化的推進(jìn)，在需求側(cè)管理方面，相變儲能將發(fā)揮更大作用。

不同儲能方式有各自的能量/功率等級、相應(yīng)速度以及經(jīng)濟(jì)效益方面的特點(diǎn)，可在電力系統(tǒng)削峰填谷和穩(wěn)定控制、優(yōu)化電能質(zhì)量等狀況下，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

3 風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)應(yīng)用

3.1 提高風(fēng)電低壓穿透力

LVRT問題是風(fēng)電發(fā)展過程中最為常見的難題，時刻影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。要提高系統(tǒng)LVRT能力，需要從兩個方面入手。首先，要不斷改進(jìn)系統(tǒng)的控制策略；其次是增加硬件設(shè)備投入來實(shí)現(xiàn)LVRT的提高。兩種方式各有利弊，后者投入更大，是當(dāng)前主要方法。通常，電力系統(tǒng)會通過配置ESS來提高LVRT能力。由于電網(wǎng)的故障暫態(tài)短，因此，儲能系統(tǒng)需要具備快速反應(yīng)能力，同時能夠在電網(wǎng)故障的情況下有效掛網(wǎng)運(yùn)行。

3.2 降低風(fēng)電的功率波動

風(fēng)電輸出功率波動和風(fēng)電的難以控制，是風(fēng)電入網(wǎng)穩(wěn)定性差、風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量不高以及電能調(diào)度的經(jīng)濟(jì)效益不高的重要原因。而在風(fēng)電系統(tǒng)中適當(dāng)配置ESS，并制定出科學(xué)合理的控制制度措施，可以有效平抑風(fēng)電的功率波動問題，減少風(fēng)速隨機(jī)變更對電力輸出產(chǎn)生的消極影響。抑制風(fēng)電功率異常波動均采用若干單位組合的儲能單元來構(gòu)成ESS，通過優(yōu)化儲能單元的控制措施，實(shí)現(xiàn)最小化的儲能容量與最大化的使用壽命周期，都是風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)應(yīng)用研究過程中值得關(guān)注的問題。

3.3 控制風(fēng)電系統(tǒng)的頻率

由于風(fēng)電電能輸出過程中具有較大的隨機(jī)性以及電量爬坡特性，常規(guī)的電力系統(tǒng)控制措施難以對其做出精準(zhǔn)預(yù)測和有效控制，而且風(fēng)電電網(wǎng)的頻率變化相應(yīng)更加難以捉摸，這就無限加大了電網(wǎng)調(diào)頻的難度。而ESS擁有快速功率反應(yīng)能力，而且能在正反雙向調(diào)節(jié)功率。

3.4 提高電力系統(tǒng)融入風(fēng)電之后的整體穩(wěn)定性

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在受到一定擾動后能較快恢復(fù)原狀，而一旦電網(wǎng)含有風(fēng)電，由于風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)不同，其瞬間功率的平衡性較差，造成穩(wěn)定性較為特殊。而ESS具有的快速功率反應(yīng)能力，為提高電力系統(tǒng)融入風(fēng)電之后的整體穩(wěn)定性提供了科學(xué)途徑。利用SMES來優(yōu)化含風(fēng)電的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出SEMS控制器，運(yùn)用槳距角控制和制動電阻等方式對比研究可以發(fā)現(xiàn)，ESS的控制效果較為出色。

3.5 優(yōu)化風(fēng)電的調(diào)度配置

利用ESS增強(qiáng)風(fēng)電輸出的可調(diào)度性，重點(diǎn)對其控制措施、配置容量以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益等方面的研究可以看出，采用蓄電池控制法，可使風(fēng)電基地能夠在短期內(nèi)具有良好的功率可調(diào)控性能。不過該方法充放電頻繁，不利于蓄電池的使用壽命保護(hù)。而風(fēng)電與柴油機(jī)聯(lián)合的系統(tǒng)也面臨著儲能容量的問題亟待解決。但ESS的應(yīng)用則是供電成本最低的，而且能有效提高電網(wǎng)的可靠性。

4 風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)應(yīng)用建議

4.1 注重儲能體系以及數(shù)學(xué)建模的發(fā)展

由于儲能方式多樣，特性差別突出，如何依據(jù)實(shí)際需要來構(gòu)置ESS是首要問題。在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的應(yīng)用工程中，單一的儲能技術(shù)無法全面滿足需求，唯有將快速反應(yīng)特性的ESS和大容量儲能ESS聯(lián)合使用，構(gòu)造復(fù)合系統(tǒng)，才能最大限度發(fā)揮其控制性能。針對不同的應(yīng)用需求和控制目標(biāo)，ESS的模型要求也有差異，而數(shù)學(xué)模型的建立，是研究問題的前提。隨著多元化符合儲能模式的研究開發(fā)，建立大型復(fù)雜模型將是不得不面對的重大問題。

4.2 加大儲能系統(tǒng)控制的研究

合理的控制方案是ESS發(fā)揮功效的前提，還對儲能容量和運(yùn)行效益產(chǎn)生影響，因此，對于儲能系統(tǒng)的控制是儲能技術(shù)研究的重點(diǎn)。隨著研究的不斷深入，ESS的功能不斷豐富，對其控制策略也會變得復(fù)雜化[3]。而多元化復(fù)合儲能系統(tǒng)控制涉及的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制問題，讓整個系統(tǒng)的控制方案變得更為重要。因此，在未來風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)的研究過程中，控制策略是不可規(guī)避的著重點(diǎn)。

4.3 儲能狀況對含風(fēng)電電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響研究

當(dāng)前，風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)研究尚處于初級階段，研究重點(diǎn)在于原理和功能等方面，對于實(shí)際應(yīng)用尚未廣泛觸及，因此，對儲能容量和位置等信息的關(guān)注度并不高。然而，由于高成本的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)投入，隨著對ESS研究的不斷深入，在滿足預(yù)期目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立恰當(dāng)?shù)膬δ芪恢煤妥钚』娜萘渴茄芯康闹攸c(diǎn)。

4.4 儲能技術(shù)對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)層面的影響研究

ESS在含風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)的靈活性大大加強(qiáng)，而電功率波動等負(fù)面影響也逐步降低。ESS采用機(jī)組組合與旋轉(zhuǎn)備用等運(yùn)行方式，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)模式變得尤為復(fù)雜，而ESS在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用也受經(jīng)濟(jì)性問題的影響，是其能否規(guī)模化的決定性因素。

5 結(jié)語

該文通過對風(fēng)電發(fā)展過程中面臨的若干問題進(jìn)行簡要分析，提出問題的根源，并對解決問題的儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了簡要闡述，提出進(jìn)一步深入發(fā)展風(fēng)電并網(wǎng)中儲能技術(shù)的研究舉措，以期讓更優(yōu)化的儲能技術(shù)能夠大規(guī)模應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電輸送系統(tǒng)中，讓整個電網(wǎng)中的風(fēng)電含量與日俱增，不斷優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 趙龍，汪寧渤，何世恩，等.儲能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].電子測試，2015（17）：131-132.

[3] 賀強(qiáng).風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)分析[J].科學(xué)家，2016（5）：216-217.