储能技术辅助风电并网控制的应用综述

储能技术辅助风电并网控制的应用综述

张垚 戴婷婷 陈伟奇

中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 北京市 100120

摘要：伴随风电渗透率的逐渐增加,其强波动性与高不稳定性对电力安全经济生产的影响逐渐变得严重,全球的电力企业均为此建立了相应的风电并网机制,用来规范风电并网的科技性能.文章详细介绍了储能技术使用在辅助风电并网管理的运用场景与管理算法,介绍了现有研究任务的优缺点,分析了储能方法辅助风电并网的发展方向。

关键词：储能技术；辅助风电并网控制；应用综述

1引言

作为可再生能源，风力发电是可再生能源发电领域最成熟的发电技术。此外，它没有污染，投资周期短。目前，中国的电力系统正面临风电一体化的技术问题，而储能系统作为一种非常有前途的技术应用于电力系统。它不仅对风电场输出功率的稳定控制有很好的效果，而且对优化系统经济性，提高电能质量，提高风电穿透功率限制起到一定的作用。

2风电并网存在的问题
2.1功率不稳定
风力发电来讲，在进行发电运作过程中，其本身的功率就存在着不稳定性的特点，只因为在我国国内地域辽阔，所以布局大规模的风力发电，集中度非常高，因此在相邻的风力发电厂的输出力方面相关性非常强，因此也导致了在进行风电出力的过程中，其波动性会非常大。风电并网的过程中，风力发电这种较大的波动性以及不稳定性对于整个电力系统来讲所产生的影响将是非常严重的。
2.2风电并网链接较弱
因为在我国进行风力发电的过程中，风力发电场规模比较大，而且因为我国地域辽阔，所以各发电厂之间的距离也比较远。因此在远距离情况下，风力发电场与电网系统之间进行链接过程中，链接程度非常弱。因为在现如今进行风电并网过程中控制工作设计是通过假设介入强电网来进行的，所以这种链接程度较弱的现象会更为突出。
2.3稳定控制与故障保护问题
因为在我国传统的发电式同步发电机，而风力发电是通过电子结构来实现风电并网，其最大的特点就是动态响应。两者之间存在的差距非常大，因此在这种情况下，传统的电力系统其稳定控制以及故障保护问题越来越突出，难以得到有效的维护，整个电力系统的安全性也受到了严重的影响。为了确保在进行大范围供电时电力系统的运行能够安全并且稳定，相应的电网公司需要对风力发电场在处理波动以及无功调节等方面进行最全面的控制以及规定，这些控制以及规定导致相应的风力发电场难以达到并入电网的要求。在这种情况下，我国部分地区的风力发电场及风电机组存在着闲置运转的现象，浪费了很多资源。

3储能辅助风电并网控制应用
3.1储能辅助风电有功功率与频率控制
目前，对风电功率进行控制的方法主要有风力发电改进控制和储能系统辅助控制两类。根据风电场自身的技术特性，通常以利用桨距角控制和停机等手段降低当前有功功率为主。与风力发电改进控制相比，储能系统能够通过灵活控制吸收或释放功率实现对风电场有功功率的控制，且不需要改变已并网的风电机组控制方式。为了控制风电并网功率的波动性和不确定性、满足并网导则对风电有功功率不同时间尺度的要求，储能系统需要在实时功率和可用容量两个方面满足控制要求。对于短时间尺度、大功率幅值的风电功率波动，储能系统需要提供响应快速、功率较大的交换功率。功率型储能技术具有功率密度高和响应速度快的特点，适用于风电有功功率短时控制，包括超级电容器、超导磁储能、钠硫电池、飞轮储能等。
3.2储能辅助风电无功功率与电压控制
储能系统具有灵活的四象限运行特性，可根据需要快速灵活地进行双向无功功率、双向有功功率交换。因此，风电场配置储能系统除了调节风电并网有功功率，也能同时控制储能系统输出或吸收无功功率，实现风电场的无功平衡，提高风电场电压稳定性。基于超级电容器储能的直驱式风力发电机无功控制策略，将超级电容器通过DC/DC变流器连接至风机直流母线，通过储能系统和风机变流器的协调控制，提高直驱式风电系统的无功输出能力。对比了储能系统和传统SVC改善风电并网无功功率控制和电压稳定的效果，分析结果表明储能在控制效果上优于传统SVC。从电压稳定的角度分析了加入储能对提高电力系统风电接入极限渗透率的作用。提出了一种基于快速储能的风电潮流优化控制系统，同时协调控制风电场接入点的有功功率和无功功率，进而改善电网电能质量，提高系统稳定性。另外一种研究思路是将储能系统与传统的无功补偿设备相结合，以提高风电场无功功率的控制能力。

4风电储能的前景

4.1注重储能体系以及数学建模的发展

由于储能方式多样，特性差别突出，如何依据实际需要来构置ESS是首要问题。在风电大规模并网的应用工程中，单一的储能技术无法全面满足需求，唯有将快速反应特性的ESS和大容量储能ESS联合使用，构造复合系统，才能最大限度发挥其控制性能。针对不同的应用需求和控制目标，ESS的模型要求也有差异，而数学模型的建立，是研究问题的前提。随着多元化符合储能模式的研究开发，建立大型复杂模型将是不得不面对的重大问题。

4.2加大储能系统控制的研究

合理的控制方案是ESS发挥功效的前提，还对储能容量和运行效益产生影响，因此，对于储能系统的控制是储能技术研究的重点。随着研究的不断深入，ESS的功能不断丰富，对其控制策略也会变得复杂化。而多元化复合储能系统控制涉及的联合协调控制问题，让整个系统的控制方案变得更为重要。因此，在未来风电并网中储能技术的研究过程中，控制策略是不可规避的着重点。

4.3改善电能质量

在很多情况下，风电场一般位于电网末端，并与配电网直接相连，这就使得风电引起的电能质量问题显得尤为重要，例如电压波动和闪变则是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。有学者采用超级电容器平抑风电有功功率快速波动从而抑制闪变的方法，设计了超级电容器的控制策略，仿真结果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。针对变速风电机组设计了附加频率控制环节进行研究，分别通过对转子和风轮机的附加控制，使得DFIG对系统的一次调频有所贡献。针对这些控制方案将降低风电机组效率的缺陷，采用飞轮储能系统辅助风电机组运行，通过对飞轮储能系统的充放电控制，实现平滑风电输出功率、参与电网频率控制的双重目标，并通过仿真验证了方案的可行性。

4.4储能状况对含风电电力系统运行的影响研究

当前，风电并网中储能技术研究尚处于初级阶段，研究重点在于原理和功能等方面，对于实际应用尚未广泛触及，因此，对储能容量和位置等信息的关注度并不高。然而，由于高成本的建设、运行和维护投入，随着对ESS研究的不断深入，在满足预期目标的基础上，建立恰当的储能位置和最小化的容量是研究的重点。

4.5控制价格对于储能技术应用的影响

现阶段，虽然随着科学技术水平的不断进步，储能技术得到了长足的发展，但是现阶段高昂的价格成为了影响储能技术在风电并网中广泛使用的一项重要因素。虽然用户、电网公司等都已经清楚地认识到储能技术在风电并网中的应用前景。

结语
我国风电场在风电并网操控过程中仍然存在着频率稳定性等问题，诱发了资源短缺现象。因而在此基础上，为了推进当代社会的快速发展，要求风电场在风电并网环境改善过程中应注重从增加风电穿透极限、增强LVRT功能、保障储能系统风电稳定性等层面入手，达到稳定、安全的电力系统运作状态，满足当前生产、生活电能资源需求，增强整体社会发展进程，迎合社会快速发展趋势，强化社会竞争力。
参考文献：
[1]徐青山,吕亚娟,丁逸行.考虑储能动态效率的风储微网三阶段协调优化[J/OL].电网技术:1-8[2019-11-05].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2019.0360.
[2]王正辉.含新能源的独立电网储能容量配置和运行策略研究[J].通信电源技术,2019,36(09):155-156+158.
[3]陈红.风电并网中的储能技术探讨[J].电工技术,2019(18):133-134.窗体底端