浅析风电并网功率波动抑制的研究

宋 劢 三峡大学电气与新能源学院 湖北宜昌 443002

【文章摘要】

随着风力发电在电力系统中所占比例的逐渐提高，为了有效利用风能， 大规模风电并网势在必行，风电场的出力具有随机性，并网时会给电力系统的稳定性和电能质量带来问题。本文分析了风电并网中功率波动对电网的影响，总结了目前国内一些储能装置对风电并网中功率波动抑制的不同方法以及其它抑制功率波动的方法，并做了简要的比较分析。

【关键词】

风力发电；功率波动；储能装置

0 引言

风能作为一种可再生的清洁能源， 其储藏量丰富，可以为构建全球的可持续能源结构体系作出重要贡献。因此近年来世界各地掀起了开发风电的热潮，但随着风电场越来越多，其风能的缺点越来越明显。风能所产生的功率带有随机性和波动性这个缺点，给当下的电网带来的冲击越来越显著，给电网的安全稳定运行带来了巨大威胁。

对于怎样抑制风力并网中功率波动这个问题的研究，其方法大致分为两类： 直接功率控制即利用调节风力涡轮机的运行状态来调节其输出功率，但对波动范围大的调节能力有限；间接功率控制即利用附加的储能设备来调节输出功率，其优点是调节的范围较宽，效果较好。此外，风电机所产出功率的波动成分主要集中在1Hz 以下，尤其在0.01~1Hz 之间对电力系统冲击最明显。结合上述研究现状，本文先对风电并网功率波动特性进行阐述，并结合风电机输出功率波动抑制的可行性研究给出几种抑制风电并网中功率波动的方法，当下抑制风电并网中功率波动的流行的主要方法是利用储能装置来对风电并网功率波动抑制，而所用的储能装置种类有很多，比如蓄电池，超导电容，超导磁，飞轮，钒液流，电池储能，混合储能。另外还有人提出对部分风电合理弃风来实现大规模风电的去风电化的观点，这个也是值得继续深入研究的。本文基于文献所给的关于对风电并网功率抑制的方法和实例，进行一些比较和分析。

1 电网风电功率波动特性分析

众所周知，风电利用的能源是风能，而它最显著的特点是不稳定性，进而导致风电出力具有波动性和随机性。国内有学者对我国华北电网2010-2011 年的实测风电出力数据进行分析得出以下特点：夏秋两季风电日平均出力大部分比较集中，且相对较小；冬春两季风电日平均出力较分散，同时日间的风电出力增减幅度较大。这个分析结果也验证了风电出力的波动性和随机性。另外还有学者结合内蒙古风电并网的数据分析得出：1）电网在有功方面所能容纳的风电电量是由电网的峰谷差、调峰容量和风电集聚效应这三者来决定的。2）当今仅利用风电的短期功率预测是不够的，还需增加新的气象分析手段。3）从风电并网的电量的占比来看，我国电网容纳风电的潜力还很大。

2 电网风电功率波动抑制方法

目前平抑风电场功率波动的方法有两种: 一是直接调节风电机组中涡轮机的转子转速和桨距来实现对并网后的风电机组功率波动抑制。不过其缺点是，该法的调节范围有限且不能实现风能的最大利用。二是通过给风电场配置储能系统，可在利用风能最大化的基础上有效抑制其所带来的功率的随机性和波动性。但是当今的储能装置成本高，还不能进行大规模推广应用。下面简要的介绍以上所提到的基于各种储能技术抑制风电功率波动方法，并做简要的比较。1）蓄电池储能技术。该技术系统主要由三相PWM 变流器、DC-DC 变流系统、蓄电池组以及性能监控系统等构成，经仿真研究确认该装置能够对风电并网所带来的功率波动进行快速有效的抑制，且注入电网的谐波较少。2） 超级电容储能装置。该装置可根据客户需求因地制宜进行设计，使其能够满足风电场的功率需求。当风电场功率超出电网功率参考值时，功率超出的部分可由电容吸收；当风电场输出功率不够时，电容可释放功率，来降低风电功率波动所带来的影响。3）超导磁储能（SMES）技术。该技术基于频率和电压调节，并引入可快速补偿系统的不平衡功率的控阻尼元件，使其稳定性得以提高。4）飞轮储能技术。该技术装置是在分析飞轮运行原理和数学模型的基础上提出的，并联在永磁直驱风电机组的直流侧。5）超级电容器—蓄电池混合储能技术。该技术综合超级电容器和蓄电池储能的特点，构建出并联在风电场出口处的混合储能系统。该技术由于引入超级电容，进而提升其输出功率，优化蓄电池充放电功率，减少充放电循环次数。6）钒液流储能电池储能装置。该装置是利用钒液流电池充放电过程中内部电抗的变化规律，构建相应模型，并与AC/DC 变换器功率解耦控制功能相结合得到的。7）模糊自适应的混合储能控制系统。该系统的原理：当风电功率大于目标值时，混合储能系统存储多余功率; 反之，储能系统放电， 补偿功率的缺额，再结合模糊自适应控制策略来对装置的充放电进行优化控制，最终达到平抑风电功率波动的目的。

3 结语

通过参阅这些关于风电功率波动抑制的文献后，发现除对波动较大的风能抛弃来保证风电安全上网的观点外，其余的是围绕储能装置改进来提高对风电并网功率波动抑制的效果。在这些文献中主要是基于储能技术来调节风电场的输出功率，其抑制风电输出功率波动的效果如何，就要看采取的何种储能技术和何种的控制技术。由以上几种储能装置对风电功率波动抑制的效果来看，通过比较可知采用混合储能的储能装置结合模糊自适应控制所构成的系统对风电功率波动抑制效果比较好，比较明显，具有一定的实用价值。不过，这些改进仍然存在许多不足和值得探讨的地方，比如刚才所说的混合储能结合模糊自适应控制的系统就存在如何将电池模型理想化为容量较大的电容器和相关理论不完善这2 个问题。由于所参考文献毕竟有限，还有一些其他类型的未包含在内，以后还需要更进一步的归纳和探讨。

【参考文献】

[1] 孙功伟. 蓄电池储能的风电场并网功率波动抑制系统研究[D]. 东北电力大学,2010.

[2] 黄亚峰. 风电机输出功率波动平抑控制的可行性研究[D]. 东北电力大学,2007.

[3] 侯佑华, 房大中, 齐军, 李洪波, 牛伟, 杨涛. 大规模风电入网的有功功率波动特性分析及发电计划仿真[J]. 电网技术,2010,05:60- 66.

[4] 李文斌. 储能系统平抑风电场功率波动研究[D]. 重庆大学,2012.