大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電接入電網(wǎng)中的優(yōu)化配置研究

大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電接入電網(wǎng)中的優(yōu)化配置研究

0風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)到2009年底，中國(guó)的風(fēng)速發(fā)展非常迅速，擁有25.1gw的電網(wǎng)。但是隨著風(fēng)電規(guī)模占全網(wǎng)容量比例的激增,原有常規(guī)電源對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)整與控制能力被削弱。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn),因此風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率存在著很大的波動(dòng)性,無(wú)法滿足電網(wǎng)對(duì)于電源調(diào)峰調(diào)頻的要求。并且風(fēng)資源豐富的地方大都位于電網(wǎng)末端,電網(wǎng)基礎(chǔ)較為薄弱,因此風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后會(huì)對(duì)區(qū)域系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來(lái)顯著影響。近年來(lái)為大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)添加儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率以及提高風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)峰能力成為了人們的共識(shí)。目前儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能4類。物理儲(chǔ)能主要包含飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能和壓縮空氣等方式;電磁儲(chǔ)能主要有超導(dǎo)儲(chǔ)能;電化學(xué)儲(chǔ)能主要有電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能;相變儲(chǔ)能主要有冰蓄冷儲(chǔ)能等。其中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)目前發(fā)展迅速,包括磷酸鐵鋰、鈉硫、全釩液流電池隨著制備技術(shù)的發(fā)展,成本的降低以及技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步提高,均開(kāi)始了初步的示范應(yīng)用,展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。日本已經(jīng)出現(xiàn)帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)示范工程,因此我國(guó)也計(jì)劃開(kāi)展儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源結(jié)合的工程研究。其中確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,會(huì)直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程造價(jià),進(jìn)而影響到儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)的推廣和應(yīng)用。因此為風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置成為了建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的關(guān)鍵步驟。本文主要介紹大型風(fēng)電場(chǎng)用儲(chǔ)能裝置容量的優(yōu)化配置。1風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能單元圖1是典型的含有儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由背靠背變流器控制,將吸收到的風(fēng)能Pw通過(guò)定子繞組和與轉(zhuǎn)子繞組連接的變流器共同通過(guò)升壓變壓器送到風(fēng)電場(chǎng)中的交流母線上。風(fēng)電場(chǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)(輸出功率Pb)通過(guò)升壓變壓器直接連接到交流母線處,儲(chǔ)能系統(tǒng)包含有儲(chǔ)能單元以及功率變換單元兩部分,儲(chǔ)能單元根據(jù)低通平滑濾波器(lowpassfilter,LPF)的計(jì)算結(jié)果通過(guò)功率變換單元通過(guò)向交流母線注入和抽取能量來(lái)平抑整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率Pout的波動(dòng),起到改善風(fēng)電場(chǎng)接入友好性的作用。因此儲(chǔ)能單元的容量大小以及變流器額定輸出功率直接決定了整套儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)補(bǔ)償能力的強(qiáng)弱。如何在經(jīng)濟(jì)性和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力之間取得平衡成為了一個(gè)急需解決的問(wèn)題[18,19,20,21,22,23]。2風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率曲線浙江省作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的一個(gè)沿海省區(qū),對(duì)于能源有著巨大的需求。因此在發(fā)展常規(guī)能源的基礎(chǔ)上積極發(fā)展可再生能源,建成了眾多大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。本文選取位于浙江省天臺(tái)山地區(qū)的一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。風(fēng)電場(chǎng)共有780kW額定功率的失速定槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)14臺(tái)。功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2009-08—2009-12,數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為1min。風(fēng)電場(chǎng)額定輸出功率為11MW。由于風(fēng)電場(chǎng)輸出功率統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月并且功率數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔很短,因此可以更加真實(shí)地反映出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間尺度下輸出有功功率的變化情況,為制定相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑策略提供參考。圖2、3是#1單臺(tái)風(fēng)力機(jī)和#1~#6多臺(tái)風(fēng)力機(jī)輸出有功功率的曲線。曲線顯示風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力資源較為豐富,在10月初和11月中旬時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率達(dá)到甚至超過(guò)了額定功率。圖中曲線出現(xiàn)負(fù)的輸出功率是由于浙江天臺(tái)山風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)的類型是失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī),這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下部分風(fēng)力機(jī)仍然會(huì)同電網(wǎng)保持連接,因此可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中吸收有功功率,從而造成輸出負(fù)有功功率的情況。此外圖2、3顯示無(wú)論是單臺(tái)還是多臺(tái)機(jī)組的有功功率輸出曲線均存在著很大的波動(dòng),尤其是10月初和11月中旬期間。因此為了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945—2008對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率單位時(shí)間內(nèi)波動(dòng)的規(guī)定,為風(fēng)電場(chǎng)添加大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)輸出功率進(jìn)行平滑是必要的。3soc模糊控制單元圖4為風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖。首先風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率Pw經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF得到初步的有功功率目標(biāo)曲線,進(jìn)而電池單元充電狀態(tài)(stateofcharge,SOC)模糊控制單元根據(jù)SOC來(lái)修正LPF中的平滑時(shí)間常數(shù),同時(shí)SOC模糊控制單元還會(huì)根據(jù)得到的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Pb的正負(fù)符號(hào)結(jié)合SOC數(shù)值來(lái)修正最終發(fā)送到蓄電池能量管理系統(tǒng)(BESS)中的輸出功率參考值。蓄電池能量管理系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,BESS)會(huì)將總的輸出功率Pb拆分為多個(gè)功率給定值Pcn,再根據(jù)監(jiān)測(cè)到的所有電池模塊的具體情況來(lái)對(duì)蓄電池組進(jìn)行功率分配,在確保輸出目標(biāo)功率Pb的基礎(chǔ)上盡量減小各個(gè)蓄電池組的充放電次數(shù)來(lái)延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命。3.17系統(tǒng)穩(wěn)定性分析圖5~圖7是儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)#1機(jī)組進(jìn)行平滑處理的結(jié)果,平滑時(shí)間常數(shù)設(shè)為100min。圖5是風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率平滑前后的對(duì)比,細(xì)實(shí)線是平滑前風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率,粗實(shí)線是平滑后風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率,顯示對(duì)于單臺(tái)機(jī)組而言,具有儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)明顯小于不具備儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。圖6顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)在對(duì)#1機(jī)組進(jìn)行平滑時(shí)系統(tǒng)能量的上限未超過(guò)95%,下限維持在50%左右,因此電池系統(tǒng)能夠保持在有一定安全裕量的范圍內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)圖7顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)#1機(jī)組進(jìn)行平滑處理后總系統(tǒng)輸出有功功率波動(dòng)率在絕大部分時(shí)間內(nèi)低于±30kW/min,即低于10%額定功率每分鐘的設(shè)定值(78kW/min),因此可以認(rèn)為滿足接入電網(wǎng)的條件。并且由于絕大部分時(shí)間內(nèi)功率波動(dòng)<30kW/min(即5%額定功率每分鐘),系統(tǒng)容量上存在著一定的裕量可以用于實(shí)現(xiàn)更多的功能,例如每日的削峰填谷,改善電網(wǎng)電能質(zhì)量等功能。3.27儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量運(yùn)行圖8~10是儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)#1~#4機(jī)組進(jìn)行平滑處理后的結(jié)果,平滑時(shí)間常數(shù)設(shè)為30min。圖8是風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率平滑前后的對(duì)比,細(xì)實(shí)線是平滑前風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率,粗實(shí)線是平滑后風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率。顯示對(duì)于4臺(tái)機(jī)組,儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠抑制風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)輸出功率的瞬間波動(dòng)。圖9顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余能量在運(yùn)行過(guò)程中保持在5%~95%的安全區(qū)間內(nèi),剩余能量的上下限值為93.4%和14.9%,滿足安全運(yùn)行的要求。圖10顯示平滑后系統(tǒng)的波動(dòng)幅度由于系統(tǒng)總?cè)萘吭黾佣兴黾?波動(dòng)幅度超過(guò)額定功率10%的次數(shù)與單臺(tái)機(jī)組的情況相比有明顯的增加,但是仍然基本滿足接入電網(wǎng)的條件。3.37風(fēng)電場(chǎng)平滑仿真結(jié)果圖11~13是儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)#1~#5機(jī)組進(jìn)行平滑處理的結(jié)果,平滑時(shí)間常數(shù)設(shè)為30min。圖11是風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率平滑前后的對(duì)比,細(xì)實(shí)線是平滑前風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率,粗實(shí)線是平滑后風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率。顯示對(duì)于5臺(tái)機(jī)組,儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用仍主要體現(xiàn)在抑制風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)輸出功率的瞬間波動(dòng)。圖12顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量在運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)超出了0~100%的安全區(qū)間,剩余能量的上下限值為105.6%和5.5%,不滿足安全運(yùn)行的要求。圖13顯示平滑后系統(tǒng)的波動(dòng)幅度由于系統(tǒng)總?cè)萘吭黾永^續(xù)有所增加,波動(dòng)幅度超過(guò)額定功率10%的情況更為嚴(yán)重,不能滿足接入電網(wǎng)的條件,因此750kW/4h的儲(chǔ)能系統(tǒng)不能夠滿足1~5臺(tái)機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)有功功率進(jìn)行平滑處理的要求。圖5~13的仿真結(jié)果說(shuō)明儲(chǔ)能系統(tǒng)選取為750kW/4h時(shí)基本能夠滿足1~4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的平滑要求。平滑后風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率每分鐘變化量小于額定功率的10%。但是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模增加到5~6臺(tái)風(fēng)力機(jī)時(shí)(3.9~4.68MW),儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行平滑后仍無(wú)法達(dá)到國(guó)家規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的要求。同時(shí),750kW/4h的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)單臺(tái)機(jī)組進(jìn)行平滑的結(jié)果顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)具有一定的調(diào)節(jié)裕量,因此可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平滑以外的功能展開(kāi)研究,進(jìn)一步提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。圖14顯示當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5~6臺(tái)風(fēng)力機(jī)(3900~4680kW)規(guī)模時(shí)系統(tǒng)越限次數(shù)會(huì)急劇提高,超過(guò)了100次,這是由于750kW/4h儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模增加時(shí)容量出現(xiàn)了明顯不足,無(wú)法維持30min的平滑時(shí)間常數(shù),而選取較小的時(shí)間常數(shù)后系統(tǒng)越限情況會(huì)更加惡劣。因此說(shuō)明750kW/4h的儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法滿足5~6臺(tái)風(fēng)力機(jī)(3900~4680kW)規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)平滑要求。圖15是風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑后輸出有功功率每分鐘功率波動(dòng)的最大值。圖15顯示隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模增大每分鐘功率波動(dòng)最大值出現(xiàn)了明顯上升,尤其是由1臺(tái)風(fēng)力機(jī)增加到2臺(tái)風(fēng)力機(jī)時(shí),這是由于這個(gè)階段風(fēng)電場(chǎng)總規(guī)模增加最為明顯,并且2臺(tái)風(fēng)力機(jī)的數(shù)據(jù)會(huì)明顯增加系統(tǒng)極限值的數(shù)值。圖16是風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不同時(shí)750kW/4h儲(chǔ)能系統(tǒng)電池剩余電量上下限曲線。曲線顯示當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5~6臺(tái)風(fēng)力機(jī)時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)電池剩余能量SOC出現(xiàn)了明顯的越界,無(wú)法達(dá)到安全運(yùn)行的要求。并且此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率瞬時(shí)變化經(jīng)常會(huì)越過(guò)10%額定功率的限制。無(wú)法進(jìn)一步加大平滑時(shí)間常數(shù),說(shuō)明750kW/4h的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)H能夠滿足1~4臺(tái)規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)平滑運(yùn)行要求。4風(fēng)電場(chǎng)輸出平滑1)儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率限制和容量限制對(duì)平滑結(jié)果均有明顯的影響。在儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出容量為750kW/4h風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為780kW時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)將1~4臺(tái)規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)輸出功率每分鐘波動(dòng)限制在裝機(jī)容量的10%以內(nèi)。無(wú)法滿足5臺(tái)以上規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)輸出平滑要求。2)結(jié)果顯示針對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)一平滑處理可以達(dá)到更佳的經(jīng)濟(jì)性,因?yàn)殡S著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增加,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的增加并不是線性增加的。因?yàn)槎嗯_(tái)