风电并网中的储能技术研究进展

风电并网中的储能技术研究进展

作者：郑东青辛东昊王立强

来源：《中国电气工程学报》2020年第14期

摘要：本文对风电并网储能技术进行了研究，首先分析目前风电并网的主要问题，然后介绍储能技术，最后分析如何使用电子开关转换系统，改变储能的效果，保证风电并网的稳定性。

关键词：风电并网;储能技术;研究进展;问题

引言：风电系统在输出功率上具有明显的不稳定性，收到风力的影响，往往会存在比较大的波动，严重威胁着电网的稳定。为此，需要合理使用储能技术，配合电子开关转换系统，来发挥储能系统的作用，满足对电网调控的要求。

一、风电并网存在的问题

传统的风电并网普遍存在输出功率不稳定的问题，导致风电并网的安全性和可靠性比较低，会面临能量转换接口动态响应特性等问题。

1.1 运行稳定性问题

风电系统的运行稳定性问题是保证传统电力系统高效运行的基础，对于风电并网的在运行过程中主要出现的若稳定性和强干扰性的问题，是给电力系统稳定性造成威胁的主要不稳定因素。稳定性的保证需要基于负载的动态特性，在运行过程中通过功率的实时平衡来完成，包括系统中的干扰问题，都以这种方式解决。无论是大扰动还是小扰动，对于系统的稳定性都是传统技术性问题，结合相关的专业研究，在风电并网的安全性的运行机制中采用动态控制的防御机制。目前，风电并网的可靠运行主要来自于两点，包括动态有限源控制，对风力系统和相位频率波动进行动态控制;动态无功功率控制，使用电力系统中的电压波动进行抑制，达到动态控制的目的。但是，风电的波动性和不确定性，以及风电所具有的的弱稳定性和弱免疫力是影响风电长途运输的常见影响因素，并且在机电动态尺度的干扰下，很难保证稳定性。

1.2 功率可控性问题

从工程的实际运行角度分析，以实现基础的功率可控性内容作为基础，可以保证对功率可控性，在处理的过程中，通过变化功率，能够保证可控性的问题得到解决。在风力涡轮机发电过程中，有效输出会随着风俗的波动不断产生变化，一般情况下，发电机的旋转动能提供的额定功率输出时间都是用惯性时间常数来表征，如果惯性时间常数比较小，那么其宣传功率也可能比较小，从而在故障期间，系统的频率则会加快。

1.3 ECS动态响应问题

目前，绝大多数涡轮机都是通过电力电子接口连接，其动态响应特性和传统的同步发电机不同，而且，风力涡轮机的控制策略都是在他们连接在强电网的前提下设计的，但是很多风力发电机和电网都是采取长距离大规模连接的方式，导致风力发电机和电网之间的连接相对比较弱。这就导致传统的电力系统稳定控制和故障保护措施难以有效应付问题，必然导致风力影响系统的安全和稳定运行。风电可控性和ECS动态响应是风电并网的主要问题，由于风电本身有较强的不可控性，导致电力供应的稳定性不足，或者存在供应不充足的问题，一般采用有功控制和无功控制两种方式。传统电网系统的角度来看，有功控制是保证整个电力系统稳定性和输出功率的主要方式，但是由于风力涡轮所存在的特殊机制，以及风力有不规则变化，导致风力的可控性非常差，还有很多需要解决的问题。

二、储能技术概述

储能技术方式包括化学能力储存、物理能量储存、电磁能力储存和相变能量储存四种类型，其中物理储能包括泵送、压缩空气、飞轮这几种储能方式;电磁能量储存包括超导电磁能储存和超级电容能量储存;化学能连储存目前主要使用铅酸蓄电池进行储能、锂离子蓄电池储能、钠硫电池储能;相变能量存储包括冰存储能量、箱变建筑材料能量储存。随着电网的智能化发展，箱变储能将会在需求侧发挥出更大的作用，由于不同的储能模式都有各自的响应速度、能量、经济效益，所以可以发挥出各自的优势。

储能技术利用电子开关转换系统，将电能转化为化学能等形式的能量，从而保证整个能量在有效转换的过程中，让相应的动力释放得到有效实施。由于使用电子开关转换具有有功和无功的调节功能，能够保证ESS在风力发电系统中的正确配置和使用，从而有效保证风电系统的可控新、稳定性，最终提升电能质量，并且降低电力系统的运行成本。

三、储能技术在风电并网中的应用

3.1 提高风电低压穿透力

风力发电的过程中，经常出现低压电穿越这种问题，导致整个系统的稳定性受到了严重的影响。为此，需要提升风电并网系统的低电压穿越标准，满足风电并网的稳定性要求。通过不断优化电力系统的控制策略，以及加大在硬件方面的投入，让电力系统能够在低压电穿越这种问题的应对能力上有所提升。但同时，采用这种方法也会导致大量的资金投入，一般情况下电力系统都会通过配置电子开关转换系统增加系统的低压电穿越能力，而且由于电网的故障往往是短暂的，所以储能系统需要具有较快的反应能力，可以在故障的时候有效挂起网络。

3.2 平抑功率波

风电系统电能质量低，并网后电网稳定性差，根本原因在于输出本身就存在一定的波动，而且具有较高的控制难度。所以，通过引入电子开关转换系统进行控制，在风电接入到电网中时，可以减小因为风速的随机变化导致的电网输出功率影响，避免电网有过强的输出波动。近年来，在电子开关转换系统抑制风电波动的研究很多，包括单机应用和风电场应用。目前，有研究提出在双馈异步发电机的母线上并联超级电容器，用于通过相关控制策略来减弱风力发电机的波动。针对这种方式，在储能和波动的有效性研究上发现，改善稳定性主要来取决于风机的输出。对于风電场中的各种单元，由于尾流效应的影响和许多相关因素，导致难以准确地进行输出功率的预测，所以在实践当中实现是比较困难的。为此，可以采用模糊控制和在飞轮储能装置并联母线上使用永磁风力同步单元储能，实现对风力涡轮机功率波动的抑制。

3.3 参与系统频率控制

由于风电输出的频率输出具有随机性、薄动心和爬升性，所以在实际的应用中很难对风电并网作出准确的预测和调控，尤其是对在电网的输出功率变化比较大的时候，就容易出现响应不足等问题，并且会出现反应不灵敏等问题，导致电网难以有效协调调频任务。而且在大规模风电集成的情况下，也将会对电网的功率控制难度产生更为严重的影响。为了保证电力系统的有功功率平衡，确保电力系统有大规模风电接入的稳定性，需要有与风电容量相同的备用电源，并且使用电子开关转换系统调节双向功率，可以改善风力发电系统的调频特性，满足双调的要求，确保经济性和稳定性。在使用电子开关转换系统进行调频中，可以借助能量转换来分析系统频率的稳定因素，通过不同的储能行驶进行规范化的调整，实际应用过程中，通过做好规范和技术内容的分析，实现相关工程应用环节的有效性，同时还要做好对电池的优化，保证电池的使用寿命。

结束语：风电由于本身具有不稳定性、波动性，导致并网工作存在一定的困难。通过合理使用技术有利于提升稳定性，降低波动对电网的影响。使用电子开关转换系统，能够确保电力系统的实时调节，有效利用风能，推动能源结构的清洁化。

参考文献：

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