锂离子储能系统用于风电场出力平滑化的实验研究

宁夏新能源研究院(有限公司)■ 赵斌 王耀贤

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，近年来发展迅速。按照国务院印发的《能源发展“十二五”规划》，到2015年风能发电装机规模达到1亿kW。截至2013年12月，我国并网风电装机容量达到7548万kW，同比增长24.5%，风电装机容量居全球之首。如此大规模的风电装机容量却由于并网问题制约着我国风电的健康发展。2013年全国风电弃风电量约150亿 kWh，出现如此巨大的弃风电量[1]，一方面是由于我国电网建设滞后，新建风电场并网困难；另一方面是由于电网负荷曲线与风力发电不一致，电网调度停机造成。而锂离子储能技术可平滑风电场功率输出，缓解弃风问题。本文依据风电场接入电网技术规定，重点研究储能系统平滑化的技术，设定平滑化定量计算规则，并给出最终统计分析结果。

1 快速发展的风力发电对电网的影响

风电场大规模的并网接入对电力系统的稳定运行也带来一些新问题[2,3]，主要有以下几点：

1)风电的随机性、不可控性、布局的限制性给电网的稳定运行带来困难；

2)风电大规模聚集发展使局部电网的调峰问题更加突出，对调峰容量和响应速度都提出了更高的要求；

3)风电机组易引起电网电压和功率波动问题，以及由其带来的无功电压控制和电能质量问题。

风力发电的间歇性和波动性与电力系统调度实时平衡之间的矛盾，使并网风电的波动需通过常规电源的调节或储能系统来平衡。而锂离子储能系统环境友好、能量密度高，可作为风电场的储能系统，弥补风力发电的波动给电网带来的各类影响，提高风电场功率预测的准确性，保障风电的可信度，提高电力系统运行的稳定性。

2 大容量锂离子电池在风电场中的作用

大容量锂离子电池在风电场中的作用[4,5]主要体现在以下几点：

1)平滑风力输出。按照《风电场接入电网技术规定》，抑制风电的短期波动(1 min级波动小于10%，10 min波动小于33%)和长期波动(小时级别)，从而增加风电输出的稳定性。

2)计划发电。依据风电场计划的出力曲线，控制储能系统，使风电场总体功率输出尽可能接近计划出力曲线，增加风电场功率输出的稳定性。

3)削峰填谷。根据系统负荷的峰谷特性，在负荷低谷期储存多余的风电，同时还可从电网吸收电能；在负荷高峰期释放储存的电能，从而减少电网负荷的峰谷差，降低电网供电负担。

4)储存电能。在需要时将储存的电能供负荷使用，根据其条件不同所需储能电池的系统功率和容量也不同，为了实现储电功能需要配置的储能电池的功率和容量较大。

3 锂离子储能系统平滑风力发电的实验

3.1 基本情况介绍

本文将内蒙古某49.5 MW风电场配置6.5 MW/2.65 MWh锂离子储能系统作为研究对象，采集风电场、储能系统出力数据，对比分析有储能系统与无储能系统下风电场的波动特性，分析锂离子储能系统在风电场短期波动的平滑效果。

储能系统由3套2 MW/815 kWh和1套0.5 MW/204 kWh锂离子集装箱式储能系统组成。2 MW系统包括1套40英寸(101.6 cm)锂离子电池集装箱、1套40英寸PCS集装箱、2台35 kV电压等级1 MVA容量的箱式变压器；0.5 MW系统由1套35英寸(88.9 cm)集装箱、1台35kV电压等级0.6 MVA容量的箱式变压器组成，每套系统通过PCS(功率变换器)完成直交流变换由升压变压器升至35 kV后，通过电缆汇集至电缆分支箱，再由电缆分支箱以一路电缆出线接入升压站35 kV母线上。BMS(电池管理系统)采集锂电池实时状态参数，PCS控制对锂电池进行充放电，控制系统采集PCS、BMS状态信息、风场秒级功率数据，并下发相关控制指令，如图1所示。

图1 锂离子储能系统接入电网示意图

3.2 实验方法

采集一天风电场功率数据，分别以1 min、10 min为分析周期，计算风电场的波动率；参考《风电场接入电网技术规定》，统计出1 min波动和10 min波动分别大于10%、33%的数据，计算某一天波动率的遵守率(指在统计周期内，波动率超过规定范围的点占全部统计周期内计算点的比率)，进而统计某月的遵守率，最后统计1年内风电场的遵守率。具体的计算规则如下文所示。

3.2.1 有功电力变化量(1 min)

根据以下步骤计算出1 min的有功电力变化量。

1)T1(在图2为第240 s)作为基准时间，选定从这点起1 min后的时间T2(在图2中为第300 s)。数据点数合计为60点。

2)区间T1～T2的发电电力最大值P1max、最小值Pmin从测试数据中抽出，差值ΔP=P1max–Pmin定义为1 min的有功电力变化量。

式(1)中，ΔP(WT+Lib)为风储电厂的1 min功率变化值； P1max(WT+Lib)为风储电厂1 min内最大功率值； Pmin(WT+Lib)为风储电厂1 min内最小功率值。

3)更新 1 s基准时间 T′1、T′2(在图 2 中分别为第241 s、301 s)，利用步骤1)、2)计算出有功电力变化量。重复操作这个过程直到算出全区间的有功电力变化量。

图2 风电场风功率波动曲线图

3.2.2 有功电力变化量(10 min)

根据以下步骤计算出10 min的有功电力变化量。

1)T1(在图2中为第240 s)作为基准时间，选定从这点起10 min(600 s)后的时间T3(在图2中为840 s)。数据点数合计为600点。

2)区间T1～T3的发电电力最大值P2max、最小值 P′min从测试数据中抽出，差值 ΔP′=P2max–P′min定义为10 min的有功电力变化量。

式(2)中，ΔP′(WT+Lib)为风储电厂的10 min功率变化值；P2max(WT+Lib)为风储电厂10 min内最大功率值； P′min(WT+Lib)为风储电厂10 min内最小功率值。

3)更新1 s基准时间T′1、T′3(在图2中为第241 s，841 s)、利用步骤1)、2)计算出有功电力变化量。重复操作这个过程直到算出全区间的有功电力变化量。

从控制系统内存中读取记录数据，主要有风电场每秒功率输出PWT、锂离子储能系统每秒功率输出PLib、风电场总功率输出PTotal，绘制3条曲线图表，如图3所示。

图3 风电平滑化曲线图

3.3 风电场平滑化实验结果分析

配置锂离子储能系统后，风电场的有功出力变得更加平滑，降低了风电场出力波动对电网的冲击。经过1个月的长时间运行，经统计计算风电场1 min遵守率由95.52%增加到99.86%，10 min遵守率由98.05%增加到99.57%。

4 结论

风电场配备锂离子储能系统对风电场输出功率的稳定性具有重要作用[6,7]，为了提高电网对风电的接纳能力，寻找适合瞬时平滑风电场出力的储能技术，对锂离子储能系统在风电场的应用进行研究是当前迫切需要的。

本文以内蒙古某49.5 MW风电场配置锂离子储能装置后，风电场遵守率的变化情况为例，为未来大规模推广储能系统、保证电力系统安全高效运行提供了新的技术支持。

[1]史正军,李勇 . MW级电池储能站在电网中的应用[J]. 应用科技, 2010, 10(2): 252－254.

[2]孔令 ,廖丽莹.电池储能系统在电力系统中的应用[J].电气开关, 2008, 2(5): 61－64.

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[6]程时杰，文劲宇，孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用电气应用[J].电气应用, 2005, 24(4): 5－6.

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