風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能容量的優(yōu)化配置

（江蘇國信臨海風力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224000）

儲能系統(tǒng)容量配置是否合理對風力發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)長時間充電不足，進而影響儲能效果及壽命。因此，合理規(guī)劃儲能系統(tǒng)容量對風電行業(yè)的長遠發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

一、風力發(fā)電概述

風力發(fā)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(fā)電非常環(huán)保，且風能蘊量巨大，因此日益受到世界各國的重視。風力發(fā)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(fā)電機發(fā)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(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因風力發(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)生變化時，可利用儲能設備平抑系統(tǒng)發(fā)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(qū)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(wěn)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(tǒng)運行的經濟性，且效果優(yōu)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(xiàn)狀

（一）提高風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。LVRT 問題一直是風力發(fā)電技術發(fā)展中需解決的難題之一，也是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素之一。提高風電系統(tǒng)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(xiàn)相對簡單。但由于電網故障過程中風電機組產生暫態(tài)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(tài)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(xiàn)。這種方案有很多的實現(xiàn)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?？焖賰δ芟到y(tǒng)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(wěn)定性、電能質量和調度經濟性等問題的根本原因。在風力發(fā)電系統(tǒng)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?？傮w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(lián)超級電容器，并通過模糊理論進行協(xié)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(xiàn)。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(lián)飛輪儲能裝置，并通過模糊控制，從而實現(xiàn)抑制風電機組輸出功率的波動。

四、儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置策略

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

在系統(tǒng)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(xiàn)功率缺失，儲能系統(tǒng)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(tǒng)的能量缺失量為0，儲能系統(tǒng)充電。

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

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

式中：eη為系統(tǒng)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(tǒng)未放電至最小容量，此時電池儲能系統(tǒng)完全ce 彌補系統(tǒng)的功率缺失，即這種情況無能量缺失。

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

管理策略3：當系統(tǒng)的缺失功率大于電池儲能系統(tǒng)的額定功率時，則電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)未放電至最小容量。

管理策略4：當系統(tǒng)的缺失功率大于電池儲能系統(tǒng)的額定功率時，則電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)剛好放電至最小容量。在之后的時間內，為避免電池出現(xiàn)過度放電現(xiàn)象，電池儲能系統(tǒng)停止放電。