儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

張飛，楊雨薇

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

近年來，風(fēng)電在全世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，風(fēng)電裝機(jī)容量大幅增長。作為新能源，風(fēng)電具有資源巨大、易開發(fā)、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然而，風(fēng)力的波動(dòng)性和隨機(jī)性是卻是制約風(fēng)電企業(yè)發(fā)展和并網(wǎng)的技術(shù)難題。隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的日益增大，風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面產(chǎn)生的不利影響更加顯著［1－2］。與此同時(shí)，風(fēng)電消納能力受到極大限制，高比例的棄風(fēng)現(xiàn)象普遍存在，造成了資源浪費(fèi)和風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

在電力系統(tǒng)中，利用儲(chǔ)能技術(shù)可以將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量?jī)?chǔ)存起來［3］，并在需要時(shí)利用發(fā)電裝置重新轉(zhuǎn)換為電能。常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)等。其中，抽水蓄能電站具有儲(chǔ)能容量大、對(duì)負(fù)荷跟蹤能力強(qiáng)、運(yùn)行方式靈活和水電效益高等特點(diǎn)，可在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)峰和事故備用的任務(wù)［4－5］。在風(fēng)電系統(tǒng)中配置適當(dāng)容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)，可以有效平滑風(fēng)力輸出，在提高風(fēng)電功率輸出的可控性的同時(shí)，大大提高了風(fēng)電的消納能力，保證了電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。作為應(yīng)用范圍最廣、利用效率的最高的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行了大量研究。

文獻(xiàn)［6］介紹了大容量風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行了運(yùn)行特性分析。仿真表明，接入風(fēng)電場(chǎng)后，由風(fēng)速變化引起風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。當(dāng)有功功率的大范圍變化時(shí)，運(yùn)行區(qū)間上的電壓也相應(yīng)產(chǎn)生較大偏差。文獻(xiàn)［7］建立了SVC模型，發(fā)現(xiàn)使用補(bǔ)償裝置可改善異步發(fā)電機(jī)組恒速風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［8］指出運(yùn)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠提高永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。通過控制飛輪電機(jī)變換器和風(fēng)電機(jī)組側(cè)變換器，穩(wěn)定系統(tǒng)直流鏈電壓，從而維持系統(tǒng)輸出無功功率水平，提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力(LVRT)。文獻(xiàn)［9］考慮了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓波動(dòng)與閃變的影響，算例表明，電壓波動(dòng)、閃變和系統(tǒng)短路容量、線路電抗與電阻比有關(guān)。因此，在線路設(shè)計(jì)時(shí)，選取合適的線路電抗與電阻比可以有效抑制電壓波動(dòng)。同時(shí)，選取合適的并網(wǎng)點(diǎn)和電壓等級(jí)對(duì)抑制電壓波動(dòng)也有幫助。

本文對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置能夠解決風(fēng)電并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的下列技術(shù)難題。

2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的問題

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

由于風(fēng)力發(fā)電受到氣候和季節(jié)的影響很大，相較于傳統(tǒng)發(fā)電，風(fēng)電出力的可控性較差。由此引起的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題是亟待解決的問題。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到擾動(dòng)后，保持原運(yùn)行平衡狀態(tài)的能力。根據(jù)擾動(dòng)的大小，可分為靜態(tài)穩(wěn)定性(小干擾穩(wěn)定性)和暫態(tài)穩(wěn)定性(大干擾穩(wěn)定性)［10］。顧名思義，靜態(tài)穩(wěn)定性(小干擾穩(wěn)定性)是指電力系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后，系統(tǒng)電壓保持在允許的偏差范圍內(nèi)，保持漸進(jìn)穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于含有風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)而言，除來自于負(fù)荷變化引起的擾動(dòng)外，還有自身出力隨機(jī)變化對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)，因此對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究十分必要。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中，通常需要吸收大量無功功率。一般來說，系統(tǒng)的無功裕度隨風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電容量的增大而減小，由此造成靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題也就越突出。在風(fēng)電系統(tǒng)中，通常使用電壓穩(wěn)定裕度衡量靜態(tài)電壓穩(wěn)定的能力。暫態(tài)穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)則是在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，風(fēng)電機(jī)組在切除故障后恢復(fù)機(jī)端電壓并逐漸穩(wěn)定運(yùn)行的能力。在電網(wǎng)基礎(chǔ)比較薄弱的地區(qū)，發(fā)生故障后，風(fēng)機(jī)無法重建機(jī)端電壓，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行超速失去穩(wěn)定，將會(huì)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生破壞性的沖擊。且由于風(fēng)電機(jī)組的可控性比傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)差，系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)瞬間功率不平衡。儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的功率響應(yīng)迅速，體現(xiàn)出其和風(fēng)電系統(tǒng)的互補(bǔ)特性，能顯著提高含風(fēng)電電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，風(fēng)電機(jī)組必須配備儲(chǔ)能裝置。

2.2 低電壓穿透問題(LVRT)

風(fēng)電機(jī)組的LVRT問題是指風(fēng)電機(jī)組接入公共連接點(diǎn)(PCC)產(chǎn)生電壓跌落時(shí)能夠保持并網(wǎng)狀態(tài)，且向電網(wǎng)提供一定的無功功率，維持供電電壓，直至電網(wǎng)恢復(fù)正常，穿越低電壓區(qū)域［11］。PCC點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生過電壓、過電流，對(duì)風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行安全造成威脅。若風(fēng)電并網(wǎng)容量所占比例較低，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制實(shí)施自動(dòng)解列。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組幾乎不受到損壞，因此可忽略故障的對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。但當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)容量所占比例較高時(shí)，若在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍實(shí)施自動(dòng)解列，電網(wǎng)將失去支撐，可能引起其他機(jī)組全部解列，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電網(wǎng)崩潰。

2.3 穿透功率極限問題

在我國風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程中，風(fēng)電穿透功率極限fwpp為系統(tǒng)所能接受的風(fēng)電場(chǎng)最大容量與系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度容量的比值［12］。即:

式中:Cmax為系統(tǒng)所能接受的風(fēng)電場(chǎng)最大容量;Lmax為系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度容量。

當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電所占比例較低時(shí)，風(fēng)電穿透功率較小，電力系統(tǒng)可以減弱和克服風(fēng)電并網(wǎng)負(fù)面效應(yīng)。隨著風(fēng)電所占比例的增大，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的容量相應(yīng)的減少，系統(tǒng)中風(fēng)電穿透功率增大。系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組應(yīng)能跟隨風(fēng)電功率變化，及時(shí)相應(yīng)調(diào)整，從而使系統(tǒng)始終保持運(yùn)行平衡狀態(tài)。若風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后電能質(zhì)量無法滿足要求，會(huì)降低系統(tǒng)能接受的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量。影響風(fēng)電穿透功率極限的因素同時(shí)也會(huì)影響系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量。除此之外，風(fēng)電穿透功率極限問題還會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.4 供電充裕性問題

在電力系統(tǒng)中，負(fù)荷靜態(tài)特性是供電充裕性的研究基礎(chǔ)。為保持靜態(tài)電力負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡，研究目標(biāo)主要有負(fù)荷預(yù)測(cè)、電源和電網(wǎng)規(guī)劃、電源運(yùn)行調(diào)度等。由于負(fù)荷波動(dòng)及機(jī)組啟停會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生破壞，因此在運(yùn)行調(diào)度過程中，要求系統(tǒng)能夠提供足夠的備用電源。

風(fēng)電并網(wǎng)后，系統(tǒng)負(fù)荷將由風(fēng)電機(jī)組和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組共同承擔(dān)。除負(fù)荷波動(dòng)和機(jī)組啟停問題外，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)將對(duì)供電充裕性產(chǎn)生新的影響。主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:

(1)凈負(fù)荷波動(dòng)速率和范圍增加;

(2)凈負(fù)荷波動(dòng)速率及范圍的不確定性增加。

研究表明:當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例較低時(shí)，凈負(fù)荷特性隨之改變，系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷跟蹤電源的需求增多;與此對(duì)應(yīng)的是，當(dāng)風(fēng)電所占比例較高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)基荷電源的需求減少。此時(shí)，常規(guī)電源的載荷水平降低、機(jī)組啟停愈加頻繁，供電裕度不夠，將會(huì)大大降低整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)過程中的應(yīng)用

3.1 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本問題是功率平衡問題。電力系統(tǒng)的有功功率、無功功率交換可以借助儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速功率響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而能夠保障系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)中吸收的無功功率會(huì)隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量增大而增大，引起系統(tǒng)電壓上升。為應(yīng)對(duì)這種情況，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置合理容量的儲(chǔ)能裝置來保障系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力可在在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行快速、高效的補(bǔ)償，降低諧波畸變率，提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)、保持功率平衡的能力，保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

綜上所述，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置一定容量的具有快速響應(yīng)能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以靈活有效地提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 提高風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力(LVRT)

LVRT問題是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)中時(shí)，LVRT問題尤為突出。實(shí)現(xiàn)LVRT功能的途徑主要有［13］:

(1)改進(jìn)控制策略;

(2)增加硬件設(shè)備。

改進(jìn)控制策略可以降低風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)過電壓、過電流，但是在發(fā)生故障時(shí)，由故障引起的過電壓、過電流問題無法通過改進(jìn)控制策略消除。因此，此方案僅適用于故障電壓變化較小的情形。其他情形則還需要增加硬件電路增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能。在增加硬件電路眾多實(shí)現(xiàn)途徑中，快速儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用尤為突出。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換接口的直流母線并聯(lián)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)機(jī)制，可在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)存儲(chǔ)瞬時(shí)過剩能量，緩解電網(wǎng)運(yùn)行壓力，改善了機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性。而在風(fēng)電場(chǎng)中，連接在風(fēng)電場(chǎng)出口母線上的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)吸收風(fēng)電場(chǎng)無法送出的有功功率，抑制產(chǎn)瞬時(shí)過電流，保護(hù)風(fēng)機(jī)。除此之外，儲(chǔ)能裝置還可以提供持續(xù)穩(wěn)定的無功功率，在故障過程中進(jìn)行電壓恢復(fù)，降低電網(wǎng)電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力。

在風(fēng)電系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可以相應(yīng)的提高風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT能力。然而，在配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，一定要充分考慮到電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的暫態(tài)過程十分短暫，選擇具備快速響應(yīng)能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)尤為重要。

3.3 增加風(fēng)電穿透功率極限

風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性是大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題的根本原因，由此產(chǎn)生的電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)、電壓電流波形畸變、閃變等電能質(zhì)量問題，會(huì)降低風(fēng)電穿透功率極限。儲(chǔ)能裝置與先進(jìn)的電力電子裝置相結(jié)合可以提高電能質(zhì)量。影響風(fēng)電穿透功率極限(WPP)水平的因素因系統(tǒng)而異，因此不同系統(tǒng)配備的儲(chǔ)能技術(shù)也不同。風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后，若為了保證電能質(zhì)量而強(qiáng)行降低風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)容量，會(huì)降低風(fēng)電穿透功率。對(duì)此，主要靠短時(shí)功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，這就要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具備毫秒級(jí)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。因此，儲(chǔ)能技術(shù)可以提高系統(tǒng)的WPP水平。此外，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生出力波動(dòng)或故障時(shí)，其中的異步發(fā)電機(jī)加速失去穩(wěn)定，產(chǎn)生電壓崩潰，對(duì)風(fēng)電穿透功率極限的影響十分明顯。此時(shí)，借助儲(chǔ)能系統(tǒng)可為系統(tǒng)增加風(fēng)電穿透功率。

3.4 提高供電充裕性

此外，風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)和負(fù)荷變化還會(huì)引起系統(tǒng)供電充裕性不足。這是由于大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)，使得系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的出力靜態(tài)特性發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)供電不足。此時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)可作為備用電源進(jìn)行發(fā)電，平滑風(fēng)電出力曲線。根據(jù)儲(chǔ)能電源的響應(yīng)特性，將備用電源可分為以下3類:

(1)調(diào)頻電源(分鐘級(jí))，一般是啟停具有在線快速響應(yīng)特性的電源;

(2)負(fù)荷跟蹤電源(小時(shí)級(jí))，一般是啟停具有快速響應(yīng)特性的電源(如水電等);

(3)基荷電源(日級(jí))，一般是啟停具有慢速響應(yīng)特性的電源(如火電、核電等)。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電比例較高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)調(diào)頻及負(fù)荷跟蹤和事故備用有了更高的要求。這就要求儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電周期應(yīng)在分鐘級(jí)，同時(shí)，也提高了系統(tǒng)對(duì)基荷機(jī)組組合的要求。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)容量較大時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電周期可維持在小時(shí)至日級(jí)。針對(duì)風(fēng)電發(fā)力的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來的不適應(yīng)，儲(chǔ)能裝置的靈活響應(yīng)特性使得其在電力系統(tǒng)中可以當(dāng)作一個(gè)具有不同時(shí)間尺度的電源，為解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)供電充裕性問題提供了思路。

4 結(jié)語

隨著國家對(duì)低碳發(fā)電的推廣以及對(duì)風(fēng)力資源的開發(fā)，風(fēng)電企業(yè)蓬勃發(fā)展，風(fēng)電并網(wǎng)容量所占比例逐年增大，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響不容忽視。本文針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的典型問題，結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了其在風(fēng)電并網(wǎng)過程的具體應(yīng)用。大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。若不能解決風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)技術(shù)瓶頸問題，將會(huì)極大限制我國的風(fēng)電發(fā)展和風(fēng)電消納能力。儲(chǔ)能技術(shù)在改善風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)峰和電能質(zhì)量方面的作用，保障了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，對(duì)于風(fēng)電健康發(fā)展有著借鑒意義。

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