风储混合系统运行模式及其优化配置

王育飞，刘 浩，薛 花

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

风储混合系统运行模式及其优化配置

王育飞，刘 浩，薛 花

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

研究了风储混合运行模式和优化配置，以及各个模式适用的储能方式和容量配比等问题，分析了风储系统运行模式的特点.结果表明，采用长补偿运行模式的风储混合系统，储能电池的容量应近似等于风电场的额度出力;短补偿模式的储能系统需提供数十分钟额定风电出力的储能量;平台控制运行模式下的储能电池容量介于长补偿运行模式和短补偿运行模式之间.

风储混合系统;运行模式;优化配置

当前风电技术已相当成熟，风电成本已具有市场竞争能力，某些国家的风电成本已下降到和煤电成本相当.风电装机容量不断增长，与其相关的一系列问题也日益凸显.风能资源本身具有随机性强、稳定性差的特点，这使得风电场与常规的火电厂、水电站不同，不能进行稳定的电力生产.由于风电场供电不稳定，不具备调峰功能，因此电力系统一般会限制风电在系统中所占的比例，这无疑是风电发展的一大阻碍.

当风电容量占比超过10%时，对局部电网将会产生明显冲击，严重时还会引起大规模恶性事故.［1-2］为了保证大规模风电的健康发展，就必须解决风电场的并网影响问题.只有风电场实现了电力的稳定生产与自身出力在一定程度上的可控调节，才能在电力系统中获得长足发展.［3-4］

储能系统不仅可用于控制风力发电输出的有功功率，使风力发电单元作为调度机组单元运行，而且还具备向电力系统提供频率控制、快速功率响应等辅助服务的能力，确保系统的安全稳定，改善电能质量，提高风力发电系统的经济效益.多种储能技术可以用于风力发电中，如飞轮储能、电池储能、超级电容储能和超导磁储能等.［5-8］从现有技术的可行性与市场化相结合的角度分析，电池储能技术较其他储能技术更适用于风能的储能.在风电场附近安装储能电池可以临时存储电能，存储的电能可以通过精确的控制输送到电网，确保其不会引发频率的波动.国内外多年的研究结果表明:采用风储混合方式可以将风电并网功率提高数倍.风电与储能电池混合系统(以下简称“风储混合系统”)作为一种可以降低并网功率波动的方式正逐渐被广泛采用.［9-10］随着风力发电的不断发展和普及，以及各种储能技术的发展进步，储能技术在风力发电系统中将会得到更加广泛的应用.

1 风储混合系统运行模式

根据电力调度的要求，风储混合运行可以采用3种运行模式，即长补偿模式、短补偿模式和平台控制模式.［11］采用长补偿运行模式的风储混合系统，晚上系统不并网，工作在储能状态;白天用电高峰期时，系统将储存的电能与当时的风电出力一起供给电网，从而提高基础出力.该储能模式宜采用大容量电池储能方式，它使得系统按照调度的要求出力成为可能，从而降低了对电力公司补偿调整的依赖.钠硫储能电池和锂离子二次电池均适用于长补偿运行模式.长补偿运行模式的风储混合系统出力如图1所示.

短补偿运行模式的目的在于去除风电出力的“毛刺”，可以抑制频率为几十分钟甚至几秒钟以下的波动，常采用超级电容器与储能电池混合储能的方式.该运行模式需要的储能电池容量相对较小，因而也就无法储存夜晚全部的风电出力，但它可用于降低短时间内出力的波动.短补偿运行模式的风储混合系统出力如图2所示.

图1 长补偿运行模式的风储混合系统出力示意

图2 短补偿运行模式的风储混合系统出力示意

平台控制模式的混合系统可以根据电力调度安排的阶梯波出力要求来调节储能系统.平台控制模式下的风储混合系统出力示意如图3所示.大规模储能电池的应用使得这种新的出力控制方法成为可能.如日本的Futamata风电场采用的是钠硫电池(34 MW)储能系统，其用于储存夜晚发出的电能，白天时释放电能与风电出力混合按调度要求进行供电.［12］Futamala风电场示范应用结果表明，电网的频率波动得到了明显改善.

采用平台控制模式时，每天的发电计划将基于该地区每年的风能历史数据、气象预报和储能总量等信息进行安排，该发电计划将被提前告知电力公司.对于电力公司来说，一旦该计划形成，则风电场将变成一个可控的发电系统.因此，平台控制意味着风电场将按照计划安排发电，从而使得将风电视为与火电一样的稳定发电源成为可能.

图3 平台控制模式下的风储混合系统出力示意

2 风储混合系统优化配置

采用长补偿运行模式的风储混合系统，其储能电池的容量应近似等于风电场的出力，用于存储夜晚的全部风力发电量，因此该模式需要花费较高的大容量储能电池成本.

应用储能电池来控制短期输出波动的短补偿运行模式已得到了较深入的研究.［13-14］通常，为了使电网频率的变动最小化，电力公司会要求风电并网时满足一定的条件，如保持20 min内风电出力波动不超过额定出力的10%.如果风电场的出力波动能够保持在允许的范围内，电力公司将能够运用自有的发电量吸收任何功率波动，这就意味着系统即使不采用钠硫电池一类的大容量储能电池也是可行的.例如，可以通过超级电容器和二次电池(铅酸电池、镍氢电池、锂电池等)混合储能系统来达到平滑风电出力的目的.与二次电池混合的超级电容储能系统能够存储任何地方产生的数秒到数十分钟的电力，从而平滑风电出力.超级电容器的充放电循环寿命高达数百万次，因此非常适用于像风电这样的需要重复短时间充放电的应用场合.短补偿模式需要的电池容量较低(约为风电额定出力的10%)，成本也相对较低，但其需要电力公司提供较多的补偿调整.

平台控制运行模式下的储能电池容量介于长补偿运行模式和短补偿运行模式之间，可根据风电场的平均出力、电力调度等要求来确定.以风电场风速概率分布函数和风电机组输出功率特性函数为基础，计算大型风电场长时间稳定输出所需储能容量的具体步骤如下.［15］

(1)根据风速概率密度曲线计算风电场输出功率的数学期望，其计算公式为:

式中:f(v)——风电机组输出功率特性函数;

q(v)——风电场风速概率密度函数;

vin，vn，vout——切入风速、额定风速和切出风速.

(2)将上述计算得到的输出功率期望值设定为风电场平均功率水平，找出与平均功率水平对应的风速值v1.

(3)以风速v1为基准值，如果风速大于v1，则风电场按v1对应的有功功率输出，将超出的部分能量用储能设备储存起来;如果风速小于v1，则风电场仍按v1对应的有功功率输出，不足的能量由储能设备补足.

(4)根据E=PH计算储能设备容量，其中H为启动风速以下期望风电场持续输出的小时数.对储能设备容量进行取值时需考虑多方面的因素，主要有气象部门提供的较准确的持续大风或无风小时数(气象部门预报数小时内无风的准确度远大于预报风速的实时变化)、建设风电场需承担的储能设备成本、风电场在电网中的比重，以及电网调频能力等.

若东海风电场计算的P=0.6 p.u.，表明该102 MW风电场输出功率的期望值为61.2 MW，调度中心可将该风电场看成是一个装机容量为61.2 MW的发电厂.经综合考虑后的H若取为5 h，则该风电场应装设的储能容量为61.2×5= 306 MWh.

按照上述方式储能，风电场处于降额发电状态(按最大功率的60%发电)，而实际上风电场内部风力发电机仍是全额发电，只是将60%的有功功率直接发出，将多出的部分储存起来.较理想的情况是储能容量数值在零到最大值间来回波动，这时储能设备一直处于充电和放电的动态过程中.如果储能值持续为零或最大，则表示储能容量不够或是有风能被浪费.若预报有几天风速特别大，则储能设备可能持续处于充满状态，可调高风电场平均出力以避免造成风资源的浪费.

3 结语

本文对风储混合运行模式和优化配置进行了研究，具体分析了长补偿运行模式、短补偿运行模式和平台控制运行模式的特点、适用储能方式、容量配比等问题.结果表明:对采用长补偿运行模式的风储混合系统来说，较适合采用钠硫储能电池和锂离子二次电池，且储能电池的容量应近似等于风电场的额度出力.短补偿运行模式下，常采用超级电容器和二次电池(铅酸电池、镍氢电池、锂电池等)混合储能系统，短补偿模式的储能系统需提供数十分钟额定风电出力的储能量;平台控制运行模式下的储能电池容量介于长补偿运行模式和短补偿运行模式之间，该容量可根据风电场的平均出力、电力调度等要求来确定.

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(编辑 白林雪)

Operation Mode and Optimization of Hybrid System with Wind Generation and Energy Storage

WANG Yufei，LIU Hao，XUE Hua
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The operation mode and optimization of hybrid system with wind generation and energy storage are studied.Using mathematical method，the appropriate storage style and capacity distribution of each style is analyzed on the basis of the feature of corresponding operation mode.The results show that，for the hybrid system operating in long compensation mode，capacity of the energy storage battery should be approximate to the rated output of the wind field，and the storage system operating in short compensation mode should offer energy storage of wind power output in rated status for dozens of minutes.Capacity of storage battery operating in platform controlling mode is between long compensation mode and short compensation mode.

hybrid system with wind generation and energy storage;operation mode;optimization configuration

TM614

A

1006-4729(2015)03-0210-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.03

2014-09-09

王育飞(1974-)，男，副教授，安徽肥东人.主要研究方向为电能质量分析与控制，储能应用技术.E-mail:wangyufei@shiep.edu.cn.

上海市教育委员会科研创新基金项目(12YZ136，12YZ138);上海绿色能源并网工程技术研究中心资助项目(13DZ2251900).