基于风电波动平抑的储能技术与控制策略研究

(福州大学电气工程与自动化学院 福建 闽侯 350108)

引言

21世纪是新能源的时代，可再生能源替代传统煤炭石油的不可再生能源，是构建可持续发展体系至关重要的一步。风电能源在世界上受到推广，且风电技术在世界上相对比较成熟，能够实现大规模风电群发展，我国海上和陆上风能资源丰富，充分利用好可再生能源，可以实现我国经济能源的重大转型。然而风电具有随机性和间歇性的特点，这会导致风电系统出力的波动，从而对电力系统造成频率的波动和电压功率的波动，从而影响电力系统的稳定运行。

平抑风电波动的办法有两种，一种是从高载能负荷平抑，另外一种则是使用储能系统平抑。高载能负荷平抑风电波动的办法，要求风电系统必须安设相应的电力能源为有功出力提供补偿[1]。当风电波动较大的时候，电网自身的调节能力无法正常处理风电的波动，可以通过短时间中断高载能负荷来平抑风电波动。该种手段只是针对风电的控制，能够应对较短时间的风电波动，对于长时间的波动束手无策，而且使用不当会对电力系统的继电保护造成损耗，电力系统功率损耗也会曾大。另外一种方法储能系统平抑风电波动，随着风氢耦合发电系统的发展，还有超级电容和超导储能的发展，新型储能技术实现了规模化到精确化的发展，储能系统平抑风电波动成为了当下最具发展前景的模式。储能系统能够实现快速充放电，电能转化效率最高能够实现90%以上，能够更加灵活平抑风电的波动[2]。然而不同的储能系统控制手段和目标也不仅相同，相同的应用领域，不同的储能系统实现的结果也不同。

目前我国风电系统容量，并网量都是世界领先水平，但是我国的“弃风量”也是特别高，说明我们的风能利用率还是不足，2015年我国的弃风率为15%，2016年1—6月弃风率达21%，其中新疆为43.9%。弃风的最主要的原因就是由于风能的随机性，造成了风电系统频率、功率和电压的波动。我国“三北地区”弃风量始终维持在高位，不仅是由于用电负荷较低和用电增速较缓慢，还是由于风电送出线路架设尚未完工。因此，储能系统可以有效配合电力网络进行峰调和频率调制，加强风电的消纳能力，维持电网的稳定运行。

一、风电储能系统应用基本构架

青海省发改委制定的《青海省2017年风电开发建设方案》中项目规模合计3.3GW，要求各项目按照建设规模的10%配套储电装置。而在实际的运用中，风电储能系统的配置主要是根据当地的限电情况而进行不同调整，没有一个确定的标准。根据我国的风电场构建国家标准，参考河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目制氢站工程，大致依据风氢耦合发电系统构建风电系统：

图 1-1

根据上述的风电系统模型，大型风电场利用丰富的风能资源，产生一定的风电场输出功率Pw，当风电出力比较充足的时候，一部分输出功率Pw1作为风电场的并网功率，通过电力系统的并网送入大电网(电力系统)，另外一部分的输出功率Pw2则进入到储能系统当中，此时储能系统处于电能存储的状态，发送信号至储能管理系统，进而实现相应的功率波动平抑算法。当风电出力处于波动较大的时候，此时中央控制CPU就根据此时的情况，发送相应的信号至风电波动平抑算法，通过计算将信号传送回储能控制中央管理系统，进而发送信号至储能系统提供平抑波动相应的功率Pc1，以平衡风电场输出的功率，使电力系统的上网出力处于稳定状态。

二、储能系统分类与原理

储能技术路径繁多，各自具有不同的特点和应用场景，但不存在一种技术能覆盖全方位的场合。需要综合比较储能技术在风电系统中的优缺点，全面地对储能系统进行分析，以达到最大限度平抑风电功率波动对电力系统造成的影响。

(一)锂电池储能技术

根据张北地区风光储输示范项目，我国青海地区施行“风电+10%储电装置”是探索储能系统促进风电并网的示范项目，但是尚未实现规划化发展，其中蓄电池储能技术为核心关键，蓄电池采用磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长和绿色环保的优点。

磷酸铁锂电池的储能系统电能转化原理如下：充电阶段，大电网或电力系统为蓄电池储能系统进行充电，由于蓄电池使用直流电进行能量的转化，因此从大电网输出的交流电经过整流器后整流为直流电，接着向储能电池模块充电并储存能量；放电阶段，储能系统输出的直流电转化成交流电，向大电网或电力系统负载进行放电，直流电经过逆变器逆变为交流电，通过电力系统的中央监控系统控制逆变输出，能够实现储能系统向大电网或电力系统提供稳定功率输出。然而，锂电池储能技术的成本比较高，对电力系统经济性进行考虑，不适合大规模采用锂电池储能技术。

图2-1

(二)空气压缩储能技术

压缩空气储能，是指在电力系统用电负荷低谷时期，将电能用于空气压缩，将能量存储起来，在电力系统负荷高峰时期释放压缩的空气，推动汽轮机或飞轮机组发电。空气压缩储能，能够将高密度的空气存储在耐高压设备中，能够存储较高的电能，同时空气压缩储能能够保持电能质量和稳定。目前世界上已经有两座大型传统空气压缩储能电站在运行，第一座是1978 年投入商业运行的德国Huntorf 电站。压缩机组采用的是两级压缩两级膨胀，压缩空气存储在地下600 米的废弃矿洞中，机组可连续充气8 小时，连续发电2 小时。机组从静止到满负荷需要11 分钟，冷态启动至满负荷约需6 分钟，电站效率为42%。第二座是于1991 年投入商业运行的美国McIntosh 电站。其储气洞穴在地下450 米，可实现连续41 小时充气和26 小时发电，机组从启动到满负荷约需9 分钟，系统效率为54%。

将风气压缩床技术运用到运用到风电系统，是最早运用于电力系统调峰和调频的手段，因此压缩空气是主要的大规模容量型储能技术之一，可以将电能在用电低谷时期存储起来，实现电力系统削峰填谷，提升电力系统运行效率和电力行业的经济性。然而，目前世界上能够实现大规模空气压缩储能技术的仍是只有几座发电站，对其的相关技术研究还是比较缺乏。

(三)氢储能技术

氢储能技术的基本原理就是在电解槽中电解水制氢气和氧气，通过将一定量的水加入电解槽中，然后通过送入的电能，在一定的化学反应下产生我们所需要的氢气，由于电解水的产物只有氧气和氢气，所以是完全清洁无污染的。目前常用的碱性电解槽，通常液体环境为氢氧化钠或者是氢氧化钾，加入稳定的催化剂在高温条件下，通入电后阴极能够产生高效的氢气，而且通过该种方法产生的氢气的纯度能够高达98%以上，是效率非常高非常可靠的制氢的选择[3]。

氢储能的核心原理就是在风电充足但是无法上网的时候，通过电解槽产生氢气，然后通过压缩机存储设备将氢气作为一个存储媒介将电能存储起。当对电能的需求大或者用于其他用途时，将氢气通过燃料电池、内燃机或者其他设备重新转化成电能供使用。通常氢储能的过程是电能转化成氢存储后再转化成电能的电-氢-电循环过程，常见的而是将氢气转化成为CH类的烷烃气体，根据烷烃气体的理化特性，在一定条件下可以提供高效的电能。可以看出电能和氢之间是可以相互转换的，两者之间存在着重要的关系[4]。氢储能技术能够实现100%的清洁环保，能量密度高，但是制氢成本高，能够实现风电系统大规模储能。

(四)超级电容储能

超级电容器不同于传统的电容，是一种介于传统电容器和电池器件的具有特殊性能的电源，其中研究较多的是双电层超级电容器。双电层超级电容器主要是根据双电层和氧化还原假电容电荷存储电能，当电容器的外加电压至超级电容器的正负极板上时，正电极开始存储正电荷，负极板开始存储负电荷，因此超级电容器内部产生一个电场，超级电容内部的电解液和正负电极板上会形成一个相反的电荷，以平衡电解液内部形成的电场，因此超级电容的电容量非常大[5]。

而双电层超级电容器储能的过程是可逆的，因此超级电容器可以实现储能系统的要求。另外一方面超级电容器经过测试可是反复使用数十万次，能够实现大规模的使用，且使用的效率高达95%以上，是目前储能系统中效率最高的一种储能技术，耐高温的能力强，是除了氢储能系统外最理想的绿色环保储能技术。

三、储能技术应用展望

通过对四种储能技术的研究，不同的储能技术使用的环境不同，拥有各自的原理。储能技术能够很好契合风力发电系统，由于风电的波动性和随机性，会导致风电出力电压频率的波动，使得风电上网的时候，为了维持电力系统的稳定，不得已采取大规模的“弃风”[6]。储能系统能够在风电出力低谷的时候，将能量存储起来，在用电负荷高峰时期，实现大规模的供电。随着我国用电需求增加，风电系统的功率和频率的波动愈加剧烈，单一的储能系统无法很好的实现效益最大化，根据电力系统经济效益和储能系统容量配置，可以采用多级混合储能技术，以实现储能系统的经济效益最优。