电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制

中国电建集团贵州工程有限公司 陈 玺 赵张涛 王 庆 陶光明

随着全球能源结构的转型和对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种清洁、可再生的能源，得到了越来越多的关注。然而，风电的随机性和间歇性给电力系统的稳定运行带来了挑战。为了解决这一问题，电池储能系统作为一种有效的调节手段被广泛应用于风电场，以改善风电的并网特性，提高风能利用率和系统稳定性[1]。目前电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制仍面临一些挑战，如控制策略的优化与适应性、系统稳定性的保障以及控制实现方法的高效性等。因此，本文将针对这些挑战展开研究，进一步优化电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制策略。

1 风电场及电池储能系统概述

1.1 风电场概述

风电场是一种利用风能发电的装置，通过风力发电机将风能转换为电能。风电场通常由多个风力发电机组成，形成一个具有一定规模的发电系统。

1.1.1 风电场的组成

风电场主要由以下几个部分组成。

风力发电机：是风电场的核心部件，负责将风能转换为电能。根据结构和工作原理的不同，风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。塔筒：用于支撑风力发电机，使其位于一定高度以获取更稳定的风速。塔筒通常采用钢结构，需要具备一定的抗风能力和刚度。变速器和发电机：变速器负责将风力发电机的低速旋转转换为发电机所需的高速旋转，发电机则将机械能转换为电能。控制系统：负责对风电场进行监控和控制，包括对风力发电机的启动、停机和运行状态的监测，以及对并网运行的控制。并网设备：包括变压器、断路器、保护装置等，负责将风电场产生的电能输送至电网。

1.1.2 风电并网技术

风电并网技术是指将风电场产生的电能接入电力系统，实现风能与其他能源的共同供电，如图1所示。风电并网技术主要包括以下内容。并网接口技术包括：并网点的选择、并网方式的确定、并网装置的设计等，确保风电场产生的电能顺利接入电力系统。并网运行控制技术：通过对风电场的实时监控和调度，实现风电场与电力系统的协调运行，确保系统稳定性和供电可靠性。风电功率预测技术：根据气象数据和历史运行数据，对风电场的功率输出进行预测，为调度和控制提供依据。

1.2 电池储能系统概述

电池储能系统是一种将电能存储于电池中，按需释放的系统，如图2所示。电池储能系统具有响应速度快、能量转换效率高、环境友好等优点，因此在风电场中具有广泛的应用前景[2]。

图2 电池储能系统模型

1.2.1 电池储能技术类型

电池储能技术可以分为以下几类。

铅酸电池：铅酸电池具有成熟的技术、较低的成本以及可回收性等优点，但其循环寿命较短，能量密度较低。锂离子电池：锂离子电池具有较高的能量密度、较长的循环寿命以及较低的自放电率等优点，但其成本相对较高，且存在安全隐患。钠硫电池：钠硫电池具有较高的能量密度、较低的成本以及较长的循环寿命等优点，但其工作温度较高，需要较复杂的温控系统。流电池：流电池具有较长的循环寿命、较低的成本以及能量和功率独立调节的能力等优点，但其能量密度较低，且技术成熟度相对较低，见表1。

表1 电池储能技术类型

1.2.2 电池储能系统的作用

电池储能系统在并网风电场运行中具有以下作用。平滑风电功率波动：通过将风电场的瞬时功率波动存储于电池中，降低风电场的输出功率波动，提高系统稳定性。提高风能利用率：在风速较低时，电池储能系统可以释放储存的电能以满足负荷需求；在风速较高时，电池储能系统可以将多余的电能进行储存，从而提高风能利用率。无功功率支持：电池储能系统可以提供无功功率支持，有助于维持电力系统的电压稳定，提高供电可靠性。频率调节：电池储能系统可以通过调节有功功率输出，参与电力系统的频率调节，提高系统稳定性。

电池储能系统在并网风电场运行中具有重要作用，有助于提高风能利用率、降低系统运行风险和减少设备损耗。为了实现这些目标，本文将研究电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制策略[3]。

2 电池储能系统的协调控制策略

2.1 控制目标与约束条件

2.1.1 控制目标

电池储能系统在并网风电场中的协调控制目标主要包括以下内容。

平滑风电场输出功率波动：通过电池储能系统的有功协调控制，减小风电场输出功率的波动，提高系统稳定性。提高风能利用率：通过电池储能系统的储能与释放，有效利用多余的风能，提高风能利用率。支持电网无功功率和电压稳定：通过电池储能系统的无功协调控制，为电网提供无功功率支持，维持电网电压稳定。参与频率调节：通过电池储能系统的有功协调控制，参与电力系统的频率调节，提高系统稳定性[4]。

2.1.2 约束条

电池储能系统的协调控制需要考虑以下约束条件。

电池充放电功率限制：电池储能系统在充放电过程中，需要满足其充放电功率限制。电池荷电状态（SOC）限制：电池储能系统的荷电状态需要保持在允许的范围内，防止过充或过放。设备安全与寿命要求：电池储能系统的协调控制策略需要满足设备的安全与寿命要求，避免设备损坏，见表2。

表2 控制目标与约束条件

2.2 协调控制策略设计

2.2.1 有功协调控制策略

有功协调控制策略主要包括以下内容。基于风电功率预测的储能充放电控制：根据风电场的功率预测结果，调整电池储能系统的充放电功率，实现风电场输出功率的平滑。基于频率调节需求的有功控制：根据电力系统的频率偏差，调整电池储能系统的有功功率输出，参与系统的频率调节。

2.2.2 无功协调控制策略

无功协调控制策略主要包括以下内容。基于电压调节需求的无功控制：根据电力系统的电压偏差，调整电池储能系统的无功功率输出，支持电网电压稳定。基于无功优化分配的无功控制：结合其他无功补偿设备，通过优化算法分配电池储能系统的无功输出，实现电力系统的无功优化分配，降低系统损耗[5]。

2.3 控制策略实现方法

2.3.1 基于模型预测控制的方法

模型预测控制（MPC）是一种基于模型的优化控制方法，通过预测系统未来的行为，实时优化控制输入以满足控制目标的需求。

在电池储能系统的协调控制中，可以采用MPC方法，利用风电场和电池储能系统的动态模型，预测未来的风电功率和电网需求，实时调整电池储能系统的有功和无功输出，实现协调控制目标。MPC方法具有较强的实时性和适应性，能够有效应对风电场输出功率和电网需求的不确定性。

2.3.2 基于人工智能的方法

随着人工智能技术的发展，基于人工智能的方法在电池储能系统的协调控制中也得到了广泛应用。常见的人工智能方法包括神经网络、模糊控制、遗传算法等。这些方法可以根据历史数据和实时信息，自适应地调整控制策略，实现电池储能系统的协调控制。相比传统控制方法，人工智能方法具有更强的非线性处理能力和更高的控制精度，能够在风电场输出功率波动较大和电网需求变化不确定的情况下，实现更好的协调效果。

3 结语

本文针对电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制进行了研究，电池储能系统在并网风电场运行中具有重要作用，包括平滑风电场输出功率波动、提高风能利用率、支持电网无功功率和电压稳定以及参与频率调节等。电池储能系统的协调控制需要考虑控制目标与约束条件，如电池充放电功率限制、荷电状态限制以及设备安全与寿命要求等。电池储能系统的协调控制策略包括有功协调控制策略和无功协调控制策略，可采用基于模型预测控制的方法和基于人工智能的方法实现。

未来电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制研究将继续深入，例如研究更先进、高效的协调控制策略和算法，进一步提高控制精度和适应性；研究电池储能系统与其他储能技术、可再生能源及电力系统设备的综合协调控制，实现更高效的能源利用和系统优化；关注电池储能技术的发展趋势，探讨新型电池储能技术在并网风电场运行中的协调控制问题。

未来研究可在以下几个方面进行拓展：深入研究多种可再生能源（如太阳能、水能等）与电池储能系统的协同控制问题，实现更高效的能源利用和系统优化；探讨其他先进控制方法（如自适应控制、滑模控制等）在电池储能系统协调控制中的应用，提高控制策略的适应性和稳定性。