储能技术在抑制风电场功率波动方面的运用

储能技术在抑制风电场功率波动方面的运用摘要：风电受自然条件的约束很大，由于风力的不可调节导致风电出力存在很大的随机性。随着风电装机容量的持续增加，电网不得不面对大规模风电渗透和不断提高的电网运行水平的考验，而储能技术的应用是解决这个困局的有效方法之一。本文介绍了各种类型的储能技术及其发展状况，针对储能技术抑制风电场出力波动，对提高电网对风电接纳能力方面的进行叙述。关键词：储能技术；风力发电；功率波动风能是21世纪最重要的新能源之一，虽然存在着出力间歇性和不确定性等缺点，但是风能清洁，无污染的特点顺应了时代对于环保的要求。因此，风力发电得到了各国政府的大力支持。2009年全球风电装机总量增长31%，中国风电装机容量连续5a实现100%增长，全球风电装机总量达到157.9GW，较上年增加了37.5GW,新增装机容量中有近1/3来自中国。大规模风电并网困难已经成为当前风电发展的瓶颈，如2009年四季度内蒙古电网风电上网电量占全网上网电量的8.2%，2010年一季度达到了7.7%。但是由于内蒙古电网对风电的接纳能力有限且电力外送通道的不顺畅，弃风情况严重，因此提高电网对风电的接纳能力已经成为电网面临的迫切问题。2010年中国风机装机容量还将持续高速增长势头。随着大规模风机接入电网，风电在电力系统中所占的比重越来越大，风电出力间歇性将会对电力系统的安全可靠运行产生巨大的冲击，为了减小风电对电力系统的冲击，在风电场配置储能装置已经成为平滑风电出力的有效手段之一。1、风电接入对电网的影响我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。2、储能技术抑制风电场功率波动原理风电场加入储能装置后，风电场的总输出功率是风机总输出功率和储能装置输出功率之和。储能装置的输出功率要起到平抑风电输出的作用，即当风电出力骤升时，储能装置吸收功率，反之则输出功率。储能装置输出功率可正可负，当储能装置输出功率为正时，储能装置在放电；当储能装置输出功率为负时，储能装置在充电。以某风电场一天的数据来说明原理。图1中，紫红色直线对应的值为130MW，当风机总输出功率大于130MW时，储能装置通过某种控制策略立即充电；当风机总输出功率小于130MW时，储能装置通过某种控制策略立即放电，理论上可以平滑风电场的出力大小。在这种运行控制策略下，储能装置的响应时间要求达到ms级，并且要求储能装置有一定大小的功率和容量。风电场目标总输出功率并不一定是一直固定不变的，可以根据各个风电场不同时间段风力大小等情况，制定各个时间段的目标总输出功率。3、储能技术在风电出力稳定性中的研究状况储能技术按不同的原理可以分为机械能储能、化学能储能和电磁能储能3类，在风力发电系统中均有不同程度的应用。3.1机械能储能1）抽水蓄能抽水蓄能电站一般利用电力负荷低谷期的电能把水抽至上游水库，在电力负荷高峰期再放水至下游水库发电。抽水蓄能的效率在70%~85%之间，响应时间在10s~4min之间，是目前存储大规模电力成本效益最好的储能技术。抽水蓄能电站能够用于黑启动、控制电网频率、提供备用容量和提高火电站和核电站的运行效率等方面。针对以抽水蓄能电站为储能装置的风电场，在风电—抽水蓄能联合系统的优化运行模型中提出了3种运行方案，第一种是全部风电供给抽水蓄能电站抽水；第二种是通过分析风电场出力和电网容量大小，将一部分风电直接输入电网，其余部分风电供给抽水蓄能电站抽水；第三种是风电全部输入电网。文章通过建立风电和抽水蓄能电站系统的最佳运行模型和经济评价模型，求解出电网内常规电厂最小出力，选出最优的风电、抽水蓄能系统最佳运行方式和风电、抽水蓄能电站的最佳容量比。在抽水蓄能和可再生能源的混合系统中，系统包括额定输出功率为20.40MW的风电场，额定输出功率为17.80MW的模块化抽水蓄能电站和额定输出功率为60MW的水电厂，实际应用表明混合系统对电力系统和用户满意度没有负面的影响。抽水蓄能是当前惟一的广泛采用的大规模能量存储技术，但是其应用受地理条件、转化效率等方面的制约较大，而且由于抽水蓄能响应时间是分钟级，在瞬时平滑风电场出力方面有时间上的限制。2）飞轮储能飞轮储能(系统一般主要由以下几部分组成：转子系统，轴承系统和电动/发电机系统，真空、外壳和控制系统等。飞轮储能的主要优点是高充放电率，高循环次数，并且转换效率大于90%，响应速度快，几乎不需要运行维护。由于充放电率对循环次数没有影响，飞轮的循环次数可以达到105~107次，寿命一般为20a。通过对转子材料等方面的研究，飞轮储能的比能量可以达到100Wh/kg，比功率可以达到5000W/kg。飞轮储能的劣势是高成本和高存储损耗。存储损耗在每小时20%左右，因此飞轮储能不适合用于能量的长期存储。飞轮储能可以用于不间断电源、应急电源、调频和调峰等方面。在风电场中的应用方面，在飞轮储能系统研究综述中，对飞轮储能在并网运行的风电系统中的应用做了详细的探讨，得出的结论是对于并网运行的风电系统，飞轮储能可以作为风电机组输出功率的补偿环节。飞轮的工作原理是当风机出力相对于基准功率出现偏移时，飞轮通过充/放电控制来补偿风电出力的波动，使得风电和飞轮系统的总输出功率平稳。针对风力发电系统存在的功率波动问题，提出基于模糊控制的飞轮储能装置抑制功率波动的方法，通过控制公共直流母线上电流的大小，控制飞轮储能的充放电规律，结果表明飞轮储能有效地抑制了风电场功率波动在研究风机、飞轮储能的混合系统以及飞轮储能的控制方式中，通过仿真来演示风机和飞轮储能混合系统的性能，得出的结论是飞轮平滑风电场出力的效果良好。在研究双馈感应风机时，飞轮储能连接到直流母线，通过一种模糊逻辑的控制策略控制飞轮储能的充放电，并且保持直流母线的电压的稳定，以此平滑风机出力。随着大功率飞轮储能的研制和应用，飞轮储能可以实现MW级的输出功率和数小时的持续时间，基于飞轮储能寿命长、快速脉冲响应能力和高充放电率等特点，在合理的控制策略下，飞轮储能可适用于瞬时平滑风电场出力。3）压缩空气储能压缩空气储能电站主要有压气机、储气室、电动机/发电机等部分。压缩储能电站是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要是利用电网负荷低谷期剩余的电力压缩空气，将其储存在高压密封的容器内，在用电高峰期再释放空气来驱动燃气轮机发电。蓄水层、岩洞、自建的容器或者废弃的矿井可以作为压缩空气的储气室，目前蓄水层作为储气室是最便宜的方案。通常压缩空气储能的容量在50~300MW，因此压缩空气储能适用于大规模能量储能，除了抽水蓄能，压缩空气储能容量最大。压缩空气储能存储损耗很低，响应时间在1~10min之间，主要应用于平衡负荷、可再生能源存储、系统备用等。在风电场中的应用方面，在压缩空气储能的小规模风力发电新技术文献中，提出了压缩空气储能和风机联合运行时的新思路，将捕获的风能高效地转换为压缩空气内能，负荷高峰或需要用电时再用压缩空气直接发电，在理论上具有可行性，可以解决电力系统发电和用电不同步的问题。通过压缩空气储能技术可以把风能变为可控的能源，并且考虑风机和压缩空气储能混合系统生产的电力成本问题，指出这个生产成本对于现代工业社会是完全可以接受的，压缩空气储能将会在很长时期内具有竞争力。在两种储能装置安装方案，一种放在风机侧，另一种放在负荷侧，通过输电成本分析发现储能放在风机侧更加合理、可靠；还分析了风机和压缩空气储能系统的优点，比如降低网络传输费用、改善电能质量等。从理论上来说，压缩空气储能也适于大规模能量的储能，但是其应用受转换效率和成本等方面的影响限制。压缩空气储能具有分钟级的响应时间，在瞬时平滑风电场出力方面受一定的时间限制。3.2电磁储能超导磁储能主要由3部分组成：超导单元、低温恒温器和转换系统。超导磁储能系统一般将电网供电励磁产生的磁场能量储存在由超导磁制成的线圈中，需要时再释放出来。超导磁储能的效率很高，一般大于97%，并且能够快速响应（ms级），循环次数大于10万次，寿命大于20a。超导磁储能的比能量（0.1~10Wh/kg）和比功率（1000W/kg）都比较高，但是超导磁储能成本高昂和其强磁场对环境影响显著。超导磁储能适用于解决大型工业用户的电压稳定和电能质量问题。在风电场中的应用方面，超导储能改善并网风电场稳定性的研究文献中，通过建立风机和超导磁储能装置的数学模型，并且研究了超导磁储能对风电场运行稳定性的改善情况，超导磁通过某种控制策略可以有效平滑风电场的功率输出。在从补偿系统中不平衡功率这一角度出发，研究了超导磁储能装置稳定风机输出的效果，结果表明超导磁储能装置可以稳定系统输出。超导磁储能系统用来改善风电场的电压稳定性是研究的重点。超导磁储能系统可以控制有功和无功潮流，风机在四象限运行，超导磁系统的引入可以平滑风电场的输出功率，并且维持动态的电压。大多实践指出，大规模风电接入电网会使得电力系统出现严重的波动问题，为了抑制功率波动，可以应用超导磁储能系统，因为超导磁储能系统可以迅速地控制有功和无功。为了增强超导磁储能系统控制器的鲁棒性，文章建议控制器的设计要考虑系统的不确定因素。在控制器的超导储能装置抑制风速和故障扰动下风电场功率波动通过合理设计功率解耦的超导磁储能控制器抑制了功率波动，仿真分析证明了理论的正确性。超导磁储能响应速度快，寿命长，并且比功率、比能量都能满足平滑风电场出力的要求，因而适合于瞬时平滑风电场出力，但是，高昂的成本是制约超导磁储能应用的重要因素。3.3化学能储能1）超级电容储能超级电容是根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其赋予电极表面，形成双电荷层，构成双层电容。超级电容储能的比功率非常高，达到10kW/kg，而蓄电池的比功率一般只有几百W/kg，但是因为比能量低，高功率只能持续很短的一段时间。由于高功率和高快速放电能力，并且储存损耗在每天20%~40%之间，超级电容储能适合作为能量暂时存储单元。和其他新型储能技术的问题一样，超级电容储能的成本也比较高。目前超级电容器主要用于短时间、大功率的负荷平滑，电动汽车的能量存储装置等。在风电场应用方面，超级电容储能系统可以快速调节有功和无功，提出了一种将超级电容储能系统应用在风力发电系统的新思路。通过MATLAB仿真，结果表明超级电容可以很好地改善并网风机的电能质量和稳定性。考虑到储能装置和风机的联合运行抑制风机功率波动，在瞬态情况下，储能装置还能用来加固直流母线，因此增加了低电压穿越的能力。研究结果显示，当基于低电压穿越来规定储能装置的能力时，储能装置可以有效地抑制短期功率波动。超级电容储能寿命比较长，比功率、比能量都能达到平滑风电场出力的要求，就风电场的应用而言，主要制约因素依然是相对高昂的成本。2）蓄电池蓄电池主要利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电。根据所使用的化学物质的不同，蓄电池可以分为许多类，有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫电池、液流电池等。铅酸电池是目前最常用的电池，当前广泛应用于各类风电场中。铅酸电池的比能量一般为30Wh/kg，比功率为180W/kg，效率在85%~90%之间，自放电率只有每月2%左右，这使得铅酸电池适合长期储存。铅酸电池的缺点是低的循环寿命，并且其寿命跟放电深度和温度有关，此外废弃铅酸电池对环境的影响巨大，需要进行必要的回收处理。镍氢电池与铅酸电池相比，具有容量大，充放循环次数多和环境友好等特点，但是价格比较贵。由于镍氢电池的成本、