储能技术在风力发电中的应用

张飞，杨雨薇

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

近年来，风电在全世界范围内发展迅速，风电装机容量大幅增长。作为新能源，风电具有资源巨大、易开发、低碳环保等优点。然而，风力的波动性和随机性是却是制约风电企业发展和并网的技术难题。随着风电并网规模的日益增大，风力机组并网对电力系统的安全稳定运行等方面产生的不利影响更加显著［1－2］。与此同时，风电消纳能力受到极大限制，高比例的弃风现象普遍存在，造成了资源浪费和风电企业的经济损失。

在电力系统中，利用储能技术可以将电能转换为其他形式的能量储存起来［3］，并在需要时利用发电装置重新转换为电能。常见的储能技术主要有抽水蓄能技术、飞轮储能技术、压缩空气储能技术和超导储能技术等。其中，抽水蓄能电站具有储能容量大、对负荷跟踪能力强、运行方式灵活和水电效益高等特点，可在电力系统中承担调频、调相、调峰和事故备用的任务［4－5］。在风电系统中配置适当容量的储能系统(ESS)，可以有效平滑风力输出，在提高风电功率输出的可控性的同时，大大提高了风电的消纳能力，保证了电网运行稳定性和可靠性。作为应用范围最广、利用效率的最高的联合运行系统，国内外专家学者已经对风储联合运行进行了大量研究。

文献［6］介绍了大容量风电场并网对系统电压和频率的产生的影响，并进行了运行特性分析。仿真表明，接入风电场后，由风速变化引起风机输出功率的波动会对系统产生冲击。当有功功率的大范围变化时，运行区间上的电压也相应产生较大偏差。文献［7］建立了SVC模型，发现使用补偿装置可改善异步发电机组恒速风电机组的暂态稳定性。文献［8］指出运用飞轮储能技术能够提高永磁直驱风电系统的低电压穿越能力。通过控制飞轮电机变换器和风电机组侧变换器，稳定系统直流链电压，从而维持系统输出无功功率水平，提高风电机组低电压穿越能力(LVRT)。文献［9］考虑了风电并网对电压波动与闪变的影响，算例表明，电压波动、闪变和系统短路容量、线路电抗与电阻比有关。因此，在线路设计时，选取合适的线路电抗与电阻比可以有效抑制电压波动。同时，选取合适的并网点和电压等级对抑制电压波动也有帮助。

本文对大规模风电并网对电力系统运行稳定性和可靠性的影响进行了分析，发现储能装置能够解决风电并网过程中出现的下列技术难题。

2 大规模风电并网带来的问题

2.1 系统稳定性问题

由于风力发电受到气候和季节的影响很大，相较于传统发电，风电出力的可控性较差。由此引起的系统运行稳定性问题是亟待解决的问题。在传统电力系统中，稳定性是指电力系统在运行过程中受到扰动后，保持原运行平衡状态的能力。根据扰动的大小，可分为静态稳定性(小干扰稳定性)和暂态稳定性(大干扰稳定性)［10］。顾名思义，静态稳定性(小干扰稳定性)是指电力系统受到小扰动后，系统电压保持在允许的偏差范围内，保持渐进稳定运行。

对于含有风电机组的电力系统而言，除来自于负荷变化引起的扰动外，还有自身出力随机变化对系统的扰动，因此对风电系统稳定性问题的研究十分必要。风电场运行过程中，通常需要吸收大量无功功率。一般来说，系统的无功裕度随风电场的发电容量的增大而减小，由此造成静态电压稳定问题也就越突出。在风电系统中，通常使用电压稳定裕度衡量静态电压稳定的能力。暂态稳定性的衡量标准则是在系统发生严重故障的情况下，风电机组在切除故障后恢复机端电压并逐渐稳定运行的能力。在电网基础比较薄弱的地区，发生故障后，风机无法重建机端电压，进而导致运行超速失去稳定，将会对地区电网产生破坏性的冲击。且由于风电机组的可控性比传统的同步发电机差，系统频繁出现瞬间功率不平衡。储能系统(ESS)的功率响应迅速，体现出其和风电系统的互补特性，能显著提高含风电电力系统的稳定性。因此，风电机组必须配备储能装置。

2.2 低电压穿透问题(LVRT)

风电机组的LVRT问题是指风电机组接入公共连接点(PCC)产生电压跌落时能够保持并网状态，且向电网提供一定的无功功率，维持供电电压，直至电网恢复正常，穿越低电压区域［11］。PCC点的电压跌落时，风电机组会产生过电压、过电流，对风力机组运行安全造成威胁。若风电并网容量所占比例较低，在电网出现故障时，风电机组会启动自我保护机制实施自动解列。此时，风电机组几乎不受到损坏，因此可忽略故障的对风机的影响。但当风电并网容量所占比例较高时，若在系统发生故障时仍实施自动解列，电网将失去支撑，可能引起其他机组全部解列，严重时会使电网崩溃。

2.3 穿透功率极限问题

在我国风电场运行规程中，风电穿透功率极限fwpp为系统所能接受的风电场最大容量与系统统一调度容量的比值［12］。即:

式中:Cmax为系统所能接受的风电场最大容量;Lmax为系统统一调度容量。

当系统中风电所占比例较低时，风电穿透功率较小，电力系统可以减弱和克服风电并网负面效应。随着风电所占比例的增大，传统发电机组的容量相应的减少，系统中风电穿透功率增大。系统中传统发电机组应能跟随风电功率变化，及时相应调整，从而使系统始终保持运行平衡状态。若风电大规模并网后电能质量无法满足要求，会降低系统能接受的风电场并网容量。影响风电穿透功率极限的因素同时也会影响系统供电的电能质量。除此之外，风电穿透功率极限问题还会对系统运行的稳定性产生影响。

2.4 供电充裕性问题

在电力系统中，负荷静态特性是供电充裕性的研究基础。为保持静态电力负荷的实时平衡，研究目标主要有负荷预测、电源和电网规划、电源运行调度等。由于负荷波动及机组启停会对传统电力系统的平衡产生破坏，因此在运行调度过程中，要求系统能够提供足够的备用电源。

风电并网后，系统负荷将由风电机组和传统发电机组共同承担。除负荷波动和机组启停问题外，大规模的风电并网将对供电充裕性产生新的影响。主要体现在以下2个方面:

(1)净负荷波动速率和范围增加;

(2)净负荷波动速率及范围的不确定性增加。

研究表明:当风电在电网中所占比例较低时，净负荷特性随之改变，系统对负荷跟踪电源的需求增多;与此对应的是，当风电所占比例较高时，系统对基荷电源的需求减少。此时，常规电源的载荷水平降低、机组启停愈加频繁，供电裕度不够，将会大大降低整个电力系统的运行效率。

3 储能技术在风电并网过程中的应用

3.1 提高系统稳定性

电力系统稳定性的根本问题是功率平衡问题。电力系统的有功功率、无功功率交换可以借助储能系统的快速功率响应来实现，进而能够保障系统的运行稳定。风电场从系统中吸收的无功功率会随着风电并网容量增大而增大，引起系统电压上升。为应对这种情况，风电场应配置合理容量的储能装置来保障系统的静态稳定性。同时，储能系统的快速响应能力可在在系统发生故障时进行快速、高效的补偿，降低谐波畸变率，提高系统抗扰动、保持功率平衡的能力，保证系统的暂态稳定性。

综上所述，为风力发电系统配置一定容量的具有快速响应能力的储能系统，可以灵活有效地提高风电系统的稳定性。

3.2 提高风电系统的低电压穿越能力(LVRT)

LVRT问题是影响系统稳定性的关键问题，风电大规模并网中时，LVRT问题尤为突出。实现LVRT功能的途径主要有［13］:

(1)改进控制策略;

(2)增加硬件设备。

改进控制策略可以降低风电机组的暂态过电压、过电流，但是在发生故障时，由故障引起的过电压、过电流问题无法通过改进控制策略消除。因此，此方案仅适用于故障电压变化较小的情形。其他情形则还需要增加硬件电路增强风电机组的LVRT功能。在增加硬件电路众多实现途径中，快速储能系统的作用尤为突出。风电机组运行时，将储能系统与风电机组能量转换接口的直流母线并联。储能系统的快速响应机制，可在电网发生故障时存储瞬时过剩能量，缓解电网运行压力，改善了机组的暂态稳定性。而在风电场中，连接在风电场出口母线上的储能系统，可在电网发生故障时吸收风电场无法送出的有功功率，抑制产瞬时过电流，保护风机。除此之外，储能装置还可以提供持续稳定的无功功率，在故障过程中进行电压恢复，降低电网电压崩溃的风险，从而提高风电场的LVRT能力。

在风电系统中配置储能系统可以相应的提高风电系统的LVRT能力。然而，在配置储能系统时，一定要充分考虑到电网发生故障时的暂态过程十分短暂，选择具备快速响应能力的储能系统尤为重要。

3.3 增加风电穿透功率极限

风电出力的随机性和波动性是大规模风电并网问题的根本原因，由此产生的电力系统的电压波动、电压电流波形畸变、闪变等电能质量问题，会降低风电穿透功率极限。储能装置与先进的电力电子装置相结合可以提高电能质量。影响风电穿透功率极限(WPP)水平的因素因系统而异，因此不同系统配备的储能技术也不同。风电大规模并网后，若为了保证电能质量而强行降低风电场的并网容量，会降低风电穿透功率。对此，主要靠短时功率的动态补偿提高系统的电能质量，这就要求储能系统具备毫秒级功率动态调节能力。因此，储能技术可以提高系统的WPP水平。此外，风电场发生出力波动或故障时，其中的异步发电机加速失去稳定，产生电压崩溃，对风电穿透功率极限的影响十分明显。此时，借助储能系统可为系统增加风电穿透功率。

3.4 提高供电充裕性

此外，风电机组出力波动和负荷变化还会引起系统供电充裕性不足。这是由于大规模风电的并网，使得系统中传统发电机组的出力静态特性发生变化，导致系统供电不足。此时，储能技术可作为备用电源进行发电，平滑风电出力曲线。根据储能电源的响应特性，将备用电源可分为以下3类:

(1)调频电源(分钟级)，一般是启停具有在线快速响应特性的电源;

(2)负荷跟踪电源(小时级)，一般是启停具有快速响应特性的电源(如水电等);

(3)基荷电源(日级)，一般是启停具有慢速响应特性的电源(如火电、核电等)。

当风力发电比例较高时，系统对调频及负荷跟踪和事故备用有了更高的要求。这就要求储能系统的充放电周期应在分钟级，同时，也提高了系统对基荷机组组合的要求。当风电并网容量较大时，储能系统的充放电周期可维持在小时至日级。针对风电发力的随机性和波动性给电网带来的不适应，储能装置的灵活响应特性使得其在电力系统中可以当作一个具有不同时间尺度的电源，为解决大规模风电并网供电充裕性问题提供了思路。

4 结语

随着国家对低碳发电的推广以及对风力资源的开发，风电企业蓬勃发展，风电并网容量所占比例逐年增大，风电并网对电网产生的不利影响不容忽视。本文针对大规模风电并网过程中产生的典型问题，结合储能技术的特点，介绍了其在风电并网过程的具体应用。大规模的风电并网给电力系统安全稳定运行带来了严峻的考验。若不能解决风电并网时技术瓶颈问题，将会极大限制我国的风电发展和风电消纳能力。储能技术在改善风电并网调峰和电能质量方面的作用，保障了电力系统运行的安全性与稳定性，对于风电健康发展有着借鉴意义。

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