大型并網風電場儲能容量優(yōu)化方案

21ic智能電網：為減少大型并網風電場輸出功率不穩(wěn)定給系統(tǒng)頻率造成的較大影響，在Matlab平臺中仿真了風電機組輸出功率隨風速變化的規(guī)律，以風電機組輸出功率特性函數(shù)和風電場風速概率分布函數(shù)為基礎，提出了一種計算大型風電系統(tǒng)長時間穩(wěn)定輸出所需儲能容量的方法，并用實際風電場數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性，以期為風電場設計提供決策參考。

0 引言

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是風能利用的主要形式。風力發(fā)電作為一種特殊的電力，其原動力是風。自然界風的變化是很難預測的，風速和風向的變化影響著風力發(fā)電機的出力。風力發(fā)電機輸出功率的不穩(wěn)定性使風力發(fā)電具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點。大規(guī)模風電場并網對系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-2]、電能質量[3-6]的影響不容忽視，如果這些問題得不到適當?shù)奶幚?，不僅會危及負荷端用電，甚至可能導致整個電網崩潰，而且會制約風能的利用，限制風電場的規(guī)模。

我國《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》[7]指出，在“十一五”期間全國將重點建設約30個10萬kW以上的大型發(fā)電場和5個百萬kW 級風電基地。大型風電并網將對電網運行的穩(wěn)態(tài)頻率產生一定影響。風電場優(yōu)化輸出[8]是保證電網頻率穩(wěn)定的重要技術問題。

文獻[9]用飛輪儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)風電機輸出功率補償，具有儲能密度大、充放電速度快且無環(huán)境污染的優(yōu)點。

文獻[10]仿真研究了串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)對平滑風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，具有高功率密度、高充放電速度、控制簡單、轉換效率高、無污染等特點。

文獻[11]研究了電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)在改善并網風電場電能質量方面的應用情況，具有快速的功率吞吐率和靈活的4 象限調節(jié)能力。

文獻[12-14]對超導儲能裝置(superconducting magnetic energy storage，SMES)在并網型風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用作了深入研究，發(fā)現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性、4 象限運行能力和無損儲能等優(yōu)勢。

儲能技術在并網風電場中的應用已被廣泛研究，相關學者正努力攻克大容量儲能技術，并不斷降低單位儲能成本。目前，容量為5GW.h 的SMES已通過可行性分析和技術論證[15]。不過，按現(xiàn)有的儲能方式，即風力發(fā)電機始終以最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方式運行，當負荷較輕(如夜間)時，部分電能被儲存，當負荷重且遇到弱風時，儲能設備中的能力被轉換成電能進行補償，這時因為電網負荷的波動特性往往并不與風電功率的波動特性一致，仍存在如何合理選取儲能容量大小的問題。另一種辦法是降額發(fā)電，即在正常情況下，風電場不按照最大功率點跟蹤的方式運行，而是按最大功率的一定百分比發(fā)電，當風力下降或上升時，相應地提升或降低發(fā)電能力，以減緩發(fā)電量的隨機波動。這種方法直接影響了風能利用的效率，大大降低了運營利潤，且調節(jié)能力有限。

本文將以實際風電場風速概率密度曲線為基礎，研究大型風電場要達到長期有功功率穩(wěn)定輸出所需儲能能量的計算方法，合理選取儲能容量使風電場輸出功率均勻，風能利用率最大。

1 風電場輸出功率隨風速的變化情況

電力系統(tǒng)頻率波動的直接原因是發(fā)電機輸入功率和輸出功率之間不平衡。在傳統(tǒng)的水電、火電發(fā)電機組并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)中，原動機功率是恒定不變的，這取決于本臺發(fā)電機的原動機和調速器的特性，是相對容易控制的因素;發(fā)電機電磁功率的變化不僅與本臺發(fā)電機的電磁特性有關，更取決于電力系統(tǒng)的負荷特性，是難以控制的因素，也是引起電力系統(tǒng)頻率波動的主要原因[16]。然而在含有大型風電場的電力系統(tǒng)中，原動機功率波動頻繁，難以預測，為便于研究，需要將負荷設為恒定值(或認為其波動由傳統(tǒng)機組平衡)，來探討風電場因風速波動給系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來的影響。

本文在Matlab7.6 的Simulink 平臺中搭建了圖1 所示的含大型風電場簡化系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模擬由50臺容量為1.5MW 雙饋風電機組組成的風電場，每臺風電機并聯(lián)電容補償容量為150kvar，這些發(fā)電機通過690V/10kV變壓器升壓后再經10kV/220kV升壓變壓器接入系統(tǒng)。本文采用Matlab7.6/Simulink7.1中雙饋異步發(fā)電機的平均模型。該模型用程控電壓源代替絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電壓源換流器，它不產生諧波，仿真時間更長，有利于研究風速變化后風電機組出力的變化規(guī)律。

當t=15s時，用這個模型對風速分別從11m/s降至9m/s 和3m/s 的過程進行仿真，風電場出力的變化情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出：當風速下降幅度不大(11m/s降至9m/s)時，風電機組有功輸出非線性下降，約15s后穩(wěn)定;如果下降到啟動風速以下，則有一個輸出功率快速減少的過程，輸出功率下降更快(歷時約8s)。在實際風電場中，風速不可能只是呈現(xiàn)單一的減小變化，而是經常上下波動，這就使風電場輸出功率波動頻繁，從而使電力系統(tǒng)頻率波動頻繁。

2 風電機組輸出功率特性函數(shù)

風力發(fā)電機空氣動力數(shù)學模型為：

式中：PM為風電機額定功率;ρ為空氣密度;Cp為風能轉換效率系數(shù);R為風力機葉輪半徑;Vω為注入風速;λ為葉尖速比;β為槳距角。

風電場中上百臺風力機布置在一起，一些風力機將處于其它風力機的尾流中，風力機的性能會受到影響，這會影響整個風電場總的有功功率輸出[17]。受尾流效應的影響，風電場的輸出功率與風速、風向有關，風電場的輸出功率呈現(xiàn)出方向性。因此合理布置風力機，可以盡量減小風力機尾流的影響，提高風電場效率，使風電場的經濟性達到最佳。相關研究結果[17]表明：在平坦地形的風電場中布置風力機時，可沿順行方向菱形排列風力機，前后排風力機錯開布置，間距可取風力機直徑的8~10 倍，風力機左右間距可取風力機直徑的2~3 倍，這樣可以很好地減小風力機尾流效應的影響。

另外，風電場一般占地上百平方公里，在這樣大的面積中，各臺風機受風不可能一樣，這也會影響風電場出力。不過，目前采用的數(shù)學模型基本上是假設風電場內所有風電機組的風速相同，把所有風電機組的輸出功率相加作為風電場的輸出功率，同時不考慮風電場內風速的變化。

本文不考慮尾流效應和風電場內部風機受風不均的影響，采用Matlab7.6/Simulink7.1 模型庫中的風力機模型，該風力機模型的功率特性如圖3所示。

圖中槳距角為0°，風速基值為11m/s時，風電機組風速–功率特性曲線為：

f (v) =−0.49v10−10.16v9+91.26v8−300.68v7+518.45v6 −506.49v5+273.98v4-73.71v3+9.16v2−0.32v+0.0043

3 風電場風速的概率分布

目前，已有許多學者采用不同的數(shù)學算法對風速進行預測，發(fā)現(xiàn)風速預測越精確，越有利于對含并網風電場系統(tǒng)進行調度。但實際上對幅值波動和時間間隔較小的風進行精確預測是很困難的，可以根據(jù)氣象信息推斷某個時間段(數(shù)h)內風電場有風還是無風。從常年的風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，風電場風速變化符合統(tǒng)計規(guī)律。圖4給出了某風電場2006年全年風速概率分布柱狀圖，根據(jù)圖4擬合出的8階曲線概率分布曲線如下：

q(v) = −1.75e−11v8 −9.88e−11v7 +1.44e−7v6−8.44e−6v5+2.13e−4v4 −0.0026v3 +0.0126v2-0.004v+0.0114

4 風電場儲能容量優(yōu)化方案

充分利用風能，以最大限度地發(fā)揮設備的效能、減少傳統(tǒng)能源的消耗成為風電廠建成后的首要目標。然而，從上述仿真分析可以看出，風速的變化給風電機組的出力帶來了很大影響，但電網必須按照發(fā)、供、用同時完成的客觀規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向用戶提供電壓、頻率合格的優(yōu)質電力。要達到保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行且最大化利用風能這個目標，必須運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術已不存在技術瓶頸，只是儲能成本過高，研究如何用最小的儲能裝置實現(xiàn)風電場長時間穩(wěn)定輸出是一個有意義的課題，具體步驟如下：

1)根據(jù)風速概率密度曲線計算風電場輸出功率的數(shù)學期望，其計算公式為：

式中：f(v)為風電機組輸出功率特性函數(shù);q(v)為風電場風速概率密度函數(shù);vin、vn 和vout分別為切入、額定和切出風速。

2)將上述計算得到的輸出功率期望值設定為風電場平均功率水平。

3)找出與平均功率水平對應的風速值V1，該值比風電機額定風速小。

4)以風速V1為基準值，如果風速大于V1，則風電場按V1對應的有功功率輸出，將超出的部分能量用儲能設備儲存起來;如果風速小于V1，則風電場仍按V1對應的有功功率輸出，不足的能量由儲能設備補足。

5)用S=EH計算儲能設備容量，其中H為啟動風速以下期望風電場持續(xù)輸出的小時數(shù)。對儲能設備容量進行取值時需考慮多方面的因素，主要有氣象部門能提供的較準確的持續(xù)大風或無風小時數(shù)(本文認為氣象部門預報數(shù)h內無風的準確度遠大于預報風速的實時變化)、建設風電場需承擔的儲能設備成本、風電場在電網中的比重及電網調頻能力。

6)風速長時間低于啟動風速時，調度部門應提前做好準備，應對風電場無輸出功率的情況。

7)實現(xiàn)多個風電場配合互補可以在上述基礎上進一步減少儲能容量。

5 儲能容量優(yōu)化方案的可行性分析與討論

按式(2)計算得E=0.59pu，這表明1個100MW風電場經計算后得出的期望值為59MW，調度中心可將此風電場看成是一個裝機容量為59MW的發(fā)電廠。

H的選擇主要由氣象部門預測無風(啟動風速以下)的準確度決定，如果風電在系統(tǒng)中的比重不大、系統(tǒng)調頻能力較強或風電建設成本不允許，則H可取一個較小的值，否則要取大一些，以保證風電場有持續(xù)穩(wěn)定輸出的能力。H可在風電場規(guī)劃期由設計單位綜合考慮。如H 取5h時，一個10萬kW級風電場應裝設的儲能容量為59 MW×5h=295MW.h。

現(xiàn)以該儲能備用容量值代入風電場進行檢驗，除去風速持續(xù)小于風電機切入風速值5h以上的數(shù)據(jù)。圖5給出了風電場在2006年3月份的儲能容量和風電場輸出功率。

由圖5可以看出，裝設儲能設備后風電場能在相當長的時間內持續(xù)保持穩(wěn)定輸出，但仍有個別時間段不能實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是因為當風電場持續(xù)低風速后，儲能設備中的容量已經用完，而風況并沒有好轉，這時只能有多少風力發(fā)多少電。

按照上述方式儲能，從系統(tǒng)側看去，風電場處于“降額發(fā)電”狀態(tài)(按最大功率的59%發(fā)電)，而實際上風電場內部風力發(fā)電機仍是全額發(fā)電，只是將59%的有功功率直接發(fā)出，將多出的部分儲存起來。較理想的情況是儲能容量數(shù)值在0到最大值間來回波動，這說明儲能設備一直處在不斷充電和放電的動態(tài)過程中。如果儲能值持續(xù)為0或最大，則表示儲能容量不夠或是有風能浪費。圖5中有一段時間儲能值一直最大，這說明在2006年3月份有幾天風速特別大，儲能設備處于充滿狀態(tài)，不過這種情況的預知性較強，可調高風電場平均出力來避免造成風資源的浪費。

如果風電場所處地理位置的風具有季節(jié)性，可根據(jù)季度風速概率密度曲線調節(jié)風電場輸出功率期望值。如果某風電場夏季強風持續(xù)時間長，則該季風電場應多出力。如果冬季風況不好，則要降低出力。

作為對比，圖6給出了無儲能容量時風電場輸出的情況。

圖7給出了儲能容量分別為240MW.h和400MW.h時風電場的輸出功率。從圖7可以看出：若要求儲能容量小，則要犧牲風電場輸出功率的穩(wěn)定性;若儲能容量較大，則可實現(xiàn)風電場持續(xù)穩(wěn)定輸出，但對儲能技術要求較高，成本會較高。

6 結論

1)本文給出了一種計算大型風電場長時穩(wěn)定輸出所需儲能容量的方法，該方法可使風電場具有較穩(wěn)定的輸出且所需儲能設備容量較小。

2)按照本文方法計算出的儲能備用容量值就目前的技術和成本而言相對偏大，風電場建設設計階段應充分權衡大容量儲能備用的投資需求與風場輸出穩(wěn)定性的相互關系。

3)因多個風電場的風況在同一時間段內不可能相同，出現(xiàn)多個風電場同時無風的概率很小，故可用多個風電場形成互補動態(tài)平衡關系，進一步降低儲能設備的容量值。具體能降低多少儲能容量有待進一步研究。

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