风储系统中储能的应用研究综述

魏丽丽，晁勤，刘春燕，罗庆

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

风储系统中储能的应用研究综述

魏丽丽，晁勤，刘春燕，罗庆

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

利用储能技术对负荷削峰填谷，抑制风功率波动幅度，提高风出力预报精度和低电压穿越能力，不仅可以减少系统旋转备用容量，确保基于风电出力预报的风电调度计划被有效执行，而且兼顾了系统运行的经济性和安全稳定性，所以储能装置与风力发电系统的联合运行已成为解决大规模风电并网的有效手段。介绍了储能在风储系统中的接入方式、风储系统中短期调度曲线的确定、涉及储能的寿命和其充放电控制策略，对储能的价值评估进行了分析，为储能技术在清洁能源中的应用推广提供参考。

储能技术；接入方式；调度曲线；储能寿命；控制策略；价值评估

储能作为新能源发电必不可少的组成部分，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，提高设备利用率，减少旋转备用容量，改善电能质量，维持系统稳定，降低供电成本等，从而带来较大的收益。国内外学者针对储能配套风电并网发电做了大量研究：文献[1]结合由蓄电池和超级电容器构成的新型混合储能系统，提出了一种平抑风电波动功率的方法，仿真分析表明，该方法能够延长系统的使用寿命，平抑后的风电输出功率可以满足电力系统实施调度的要求；文献[2]阐述了储能在电力系统短期预测中的应用，研究表明储能系统的应用能减缓风速变化带来的功率波动，提高风功率预报精度；文献[3]建立了基于等效电路的电池储能系统和基于异步风力发电系统的数学模型，采用电池储能系统对并网风电场的电能质量和稳定性问题进行仿真，结果表明电池储能很好地改善并网风电场的电能质量和稳定性；文献[4]针对风电功率的间歇和波动导致电场容量可信度低、可调性差及电压不稳、频率波动等现象，将超级电容器和蓄电池组成快速储能装置，以实现风电潮流优化控制系统，实验结果表明，这种快速储能装置能平滑调节风电注入电网的有功功率，并实时补偿控制风电接入点的无功功率。由上述研究可知，储能已在电力系统中广泛应用，但由于其造价成本较高，所以还没有普及，但储能已成为解决大规模清洁能源并网的关键技术。

1 储能的接入方式

1.1 直流侧储能接入方式

一般在风机直流侧加装储能装置的目的是当故障发生引起风机端电压下降时，储能可以提高风机的低电压穿越能力，保持风机在短时间内不脱网运行。风机直流侧加装储能的结构如图1所示，储能设备可以选用蓄电池或超级电容器。文献[5-7]为提高直驱永磁风力发电系统的性能，采用直流侧加装储能装置的策略，当直流侧电压过高时，把多余的能量存储在储能设备中，当直流侧电压不足时，可把储能设备中存储的能量释放出来，同时当风速变化时，可利用储能设备平抑系统发电机输出功率波动及平衡电网需求功率。风机直流侧加装储能装置，可以显著提高风机的低电压穿越能力，提高风能的利用效率，当电网故障发生引起电压跌落时，使风电机组可以保持正常运行，故障消除后能够快速恢复正常工作。

图1 直流侧储能结构

1.2 交流侧储能接入方式

储能根据接入电网位置的不同可以分为两种类型，即接在靠近风机出口处和接在靠近负荷区，每种类型又有两种接入方式即集中式接入和分散式接入，其结构如图2～图5所示。文献[2]阐述了在短期预测范围内，储能有效抑制风功率波动，而且分别针对储能在风机出口的集中式接入和分散式接入进行了仿真，仿真结果表明储能的集中式接入产生的效果更好，因为同一个风电场内每个风机的风速变化可能是不同的，导致风机出口母线电压不能稳定在某一特定值，从而储能不足够抑制风速变化引起的功率波动；文献[8]分别针对储能在风机出口的集中式接入和储能在负荷侧的分散式接入进行了研究，仿真结果表明，储能在负荷侧的分散式接入既能减少风功率波动给电网造成的不利影响，而且也降低了系统运行的经济性，相比储能在风机出口的集中式接入产生的效果更好。但在负荷侧集中接入储能的研究还很少，有待进一步的研究和探讨。

图2 风电场侧集中式储能结构

图3 风电场侧分散式储能结构

图4 负荷侧分散式储能结构

图5 负荷侧集中式储能结构

2 储能的寿命及充放电控制策略与短期调度曲线的关系

图6为短期电网调度风储系统工作示意图，图中为风电场实际出力曲线，为短期电网调度出力曲线，风电场要按照此曲线发电。B-C浅灰色区域表示储能系统充电，因为在此时间段内风电场实际出力比按照电网调度曲线出力多，储能充电吸收多余的风能，避免过多的风电给系统带来不利影响，也避免了“弃风”的发生，防止风资源的浪费。C-F深灰色区域表示储能系统放电，因为在此时间段内风电场实际出力比按照电网调度曲线出力少，缺少的能量只能通过储能放电来补充，防止系统切负荷给电网带来巨大冲击，影响系统的安全稳定运行。

图6 短期电网调度风储系统工作示意图

储能的寿命与其充放电次数密切相关，充放电周期越短，在一定时间内充放电次数越多，储能的寿命就越短。为了延长储能的寿命，其充放电时间的控制至关重要，即短期调度曲线的确定成为关键。如图6所示，充电阶段短期调度功率应为实际风功率的最小值，才能使储能达到充分的充电状态(=1)，图中面积ABCD为充电周期的能量。放电阶段短期调度功率应为实际风功率的最大值，使储能达到深度放电即储能充电容量的最小值，图中面积DEFG为放电周期的能量。一个周期内储能的充放电通过曲线BC、EF调度，这样才能使储能的充放电次数最小，从而储能的寿命达到最大。

3 储能的价值评估

3.1 储能容量评估

储能的造价成本昂贵，开展储能容量优化配置的研究，以充分发挥储能的优势，可有效降低储能系统成本，简化运行维护，促使储能的大规模应用。储能容量配置的选择，对风力发电的技术、经济指标影响很大。储能容量选得太大，会增加投资，而且储能可能会长期处于充电不足状态，影响储能的使用效果和寿命；如果储能容量选择偏小，那么风大时发电机组发出的多余电量不能充分储存，而无风时用电负荷得不到足够的输出功率，会影响系统安全稳定运行。针对储能容量优化配置的问题，国内外学者做了大量研究：文献[9]提出了基于机会约束规划的混合储能容量配置方法，以混合储能装置的功率出力和荷电状态为约束，以装置成本最低为目标，采用遗传算法求解，并依据荷电状态限制设计了模糊控制策略，修正储能装置的功率参考值，已达到延长储能使用寿命的效果；文献[10]基于给定的负荷特性，分析了储能系统配置容量与其改善负荷波动水平之间的关系，以储能系统投资成本、经济收益为约束，以储能系统综合效益最大为目标，提出了一种用于松弛电网调峰瓶颈的大规模储能系统容量配置方法；文献[11]基于储能成本和储能寿命之间的关系，需要找到一个最佳储能容量，使其寿命和成本都达到最优，定义了一个评估参数，其表达式如下：

式中：()为表示储能寿命与其容量之间关系的函数，分母表示储能总费用；代表储能的固定投资成本费用；×代表的费用是与储能容量成线性关系的函数；用来衡量单位成本的储能寿命，越大表示单位成本储能的寿命越长，即得到最经济的储能容量配比。

3.2 储能效益评估

储能系统应用于电网中，可以延缓电网升级、减少输电阻塞、提供辅助服务、提高供电可靠性，从而带来相应的收益，同时在峰谷电价机制下，储能系统可以通过低储高发实现套利。但储能的造价成本较高，与储能加入所带来的效益相比，总体不一定获益，所以有必要对储能系统进行经济性分析即效益评估。

对储能进行效益评估，目的是建立其多方面价值的评估模型，通过优化运行对其经济性进行分析，进而确定其最佳应用规模。应用于电网中不同的场合，其主要的价值方面是不同的，所以所建评估模型各异：文献[12]在开放的电力市场中建立一个包含储能价格套利、降低传输费用、推迟设备投资以及投资成本、运行和维护费用的储能经济分析模型，采用遗传算法结合线性规划确定储能最大效益和最佳配比，但没有考虑其环境效益；文献[13]基于风储联合运行系统特性分析，构建了风储联合运行系统收益评估模型，确定现货市场的电量交易，以使售电商的预期效益最大化，该评估模型是在负荷预测和实时电价预测的准确度为100%的理想条件下建立的，但在现有的技术条件下，这种前提条件是不可能存在的，所以所建的模型具有一定的不准确性。

关于储能的效益评估，国内相关研究还很少，而国外的研究文献计及的储能价值方面不够全面，多数研究文献都是以收益最大为目标函数建模[14-15]，如式(2)所示。式中：为储能系统通过低储高发套利获得的收益；为储能系统提供辅助服务获得的收益；为储能系统减少输电阻塞获得的收益；为储能系统延缓电网升级所获得的收益；为储能系统的投资成本为储能系统的运行维护费用。该目标函数虽然能够对储能进行效益评估，但由于模型中没有考虑储能加入系统后，系统总的旋转备用会相应减少，从而排放的污染物也会相应减少，环境效益也会增加；另外未计及降低网损费用和减少缺电损失等所带来的效益，如果把这部分效益也考虑进去，对储能的评估会更全面，更具说服力，避免了由于忽略这些隐性收益而得出储能不经济的结论。

4 结论

储能技术与风电场相结合，根据风电功率的波动情况和功率平抑目标，控制储能系统的充放电状态，准确快速地补偿系统所需的有功功率和无功功率，平滑风电功率波动对电网的影响，提高电网运行的安全性、可靠性和可控性，降低发电成本，改善并网风电场的电能质量、增强系统的稳定性、增加风电功率的穿透极限和优化电网的电源结构，促进风力发电更好、更快地健康发展，所以电力系统中储能应作为未来支持新能源开发的一项重要技术和经济手段。

面对未来风电的大规模发展趋势，应结合我国实际，在充分借鉴国外先进经验和研究成果的基础上，加大对大规模风电并网经济技术评价、政策法规、运行机制、市场体系等问题的研究，建立风电与电网之间、风电与其他形式电源之间长期和谐的发展关系。这对于正确认识我国风电开发的特点，对于实现我国风电的长期、可持续、健康发展，是十分有益的。

[1]于芃，赵瑜，周玮，等.基于混合储能系统的平抑风电波动功率方法的研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(24)：35-40.

[2]KOOK K S，MCKENZIE K J，LIU Y，et al.A study on applications of energy storage for the wind power operation in power systems[J]. Power Engineering Society General Meeting，2006(1):1-5.

[3]张步涵，曾杰，毛承雄，等.电池储能系统在改善并网风电场电能质量和稳定性中的应用[J].电网技术，2006，15：54-58.

[4]赵艳雷，李海东，张磊，等.基于快速储能的风电潮流优化控制系统[J].中国电机工程学报，2012，13：21-28.

[5]胡书举，李建林，许洪华.直驱式VSCF风电系统直流侧Crowbar电路的仿真分析[J].电力系统及其自动化学报，2008，20(3)：118-123.

[6]张坤，毛承雄，陆继明，等.基于储能的直驱风力发电系统的功率控制[J].电工技术学报，2011，26(7)：7-14.

[7]王文亮，葛宝明，毕大强.储能型直驱永磁同步风力发电系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(14)：43-48.

[8]CUI J T，LI K J，SUN Y，et al.Distributed energy storage system in wind power generation[J].Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies，2011，6(9)：1535-1540.

[9]谢石骁，杨莉，李丽娜.基于机会约束规划的混合储能优化配置方法[J].电网技术，2012，36(5)：79-84.

[10]严干贵，冯晓东，李军徽，等.用于松弛调峰瓶颈的储能系统容量配置方法[J].电机工程学报，2012，28：27-35.

[11]LI Q，CHOI S S，YUAN Y，et al.On the determination of battery energy storage capacity and short-term power dispatch of a wind farm[J].Sustainable Energy，2011(2)：148-158.

[12]LEOU R C.An economic analysis model for the energy storage systems in a deregulated market[J].Taiwan National Science Councl，2008(5):744-749.

[13]曾鸣，李娜，马明娟，等.电力市场环境下风储联合运行系统的经济效益评估模型[J].华东电力，2012，40(9)：1469-1473.

[14]CHACRA F A，BASTARD P，FLEURY G,et al.Impact of energy storage costs on economical performance in a distribution substation[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，20(2)：684-691.

[15]WALAWALKAR R，APT J，MANCINI R.Economics of electric energy storage for energy arbitrage and regulation in New York [J].Energy Policy，2007，35：2558-2568.

Research review of energy storage in joint system of energy storage and wind power

WEI Li-li,CHAO Qin,LIU Chun-yan,LUO Qing

The fluctuation of wind power could be restrained and the forecast accuracy and low voltage ride through capability(LVRT)could be improved through using energy storage technology for load shifting and peak smoothing. Not only the spinning reserve capacity but also ensure dispatching plan of wind power could be reduced by ESS to be effectively performed based on the prediction of wind power,and the economic and security of the system operation were taken into account.So the integration operation of energy storage device and wind power system was an effective means to solve the integration of large-scale wind power.Accessing way of energy storage in joint operation system of energy storage and wind power was mainly introduced.The determination of short-term scheduling curve in joint system,involving the life of ESS and the control strategy of charge and discharge.Finally, the value evaluation of the ESS was carried on,and some reference for the application and popularization of energy storage technology was provided.

energy storage technology;the way of accessing;scheduling curve;the life of ESS;control strategy; value evaluation

TM 614

A

1002-087 X(2015)03-0637-03

2014-08-20

国家自然科学基金资助(51267020)；教育部2012年高等学校博士学科点专项科研基金博导类联合资助课题(20126501110003)；人事部2011中国留学人员科技活动项目择优资助启动类(《储能—风电并网关键技术研究》)

魏丽丽(1987—)，女，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为洁净能源与并网技术。