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1文章编号：1000-3673（2014）00-0000-00中图分类号：TM721文献标志码：A学科代码：470·40风电并网中的储能技术研究丁玲（2014200414）（西南交通大学电气工程学院，四川省成都市610031）Studyontheenergystoragetechnologyofwindpower（SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,SichuanProvince,China）摘要：随着经济高速发展，整个社会对能源的依存度不断提高，风能、太阳能、海洋能、地热能等可再生能源（新能源）的开发和利用已经引起电力部门的高度关注。虽然这些可再生能源广泛地应用于电力系统发电中，并占据着越来越大的比重，但是因其随机性、间歇性等特点，使得这些可再生能源的利用受到了制约。采用储能技术能够使间歇性、波动性很强的可再生能源变得可调、可控，促进新能源的利用，保证新能源电力系统稳定运行。从国家电网研究机构获悉，我国已经在甘肃、江苏沿海、吉林等风能资源丰富地区建立10个千万千瓦级风电基地。本文首先指出了风电并网中存在的问题，然后介绍了风电并网中储能技术的研究进展，其次，介绍了风电系统的工作原理，最后提出了相关建议得出了结论。关键词：储能技术，风电并网，稳定运行Abstract:Withtherapideconomicdevelopment,thedependenceofthewholesocietytocontinuouslyimproveenergy,windenergy,solarenergy,oceanenergy,geothermalenergyandotherrenewableenergy（newenergy）developmentandusehascausedgreatconcernintheelectricitysector.Whiletheserenewableenergysourcesarewidelyusedinpowergenerationinthesystem,andoccupyanincreasinglylargeproportion,butbecauseofitsrandomnessandintermittentcharacteristics,makingtheserenewableenergysourceshasbeenconstrained.Theuseofenergystoragetechnologyenablesintermittent,highlyvolatilerenewableenergybecomesadjustable,controllable,andtopromotetheuseofnewenergysources,newenergysourcestoensurestableoperationofthepowersystem.WasinformedfromtheStateGridresearchinstitutions,Chinahasestablished10millionkilowattsofwindpowerbaseinGansu,Jiangsucoastalwindresource-richregionsandJilin.Thispaperpointsoutthewindpowerintheproblems,andthenintroducestheresearchprogressinwindpowerenergystoragetechnologies,andsecondly,theworkingprincipleofwindpowersystems,andconcludeswithrecommendationsconcluded.Keywords:Energystoragetechnologies,windpower,stableoperation0引言在新能源电力系统中，储能技术的主要应用包括电力调峰、抑制新能源电力系统中的传输功率的波动性，提高电力系统运行稳定性和提高电能质量。储能装置能够适时吸收或释放功率，低储高发，有效减少系统输电网络损耗，实现削峰填谷获取经济效益[1]。本文首先扼要地分析当前风电并网存在的主要问题和原因，然后着重对储能在风电并网中应用的研究现状进行归纳和分析，接着介绍了风电并网中储能技术的工作原理，最后提出了风电并网中储能技术的相关建议，得出了相关的结论。1风电并网存在的问题风电输出功率存在波动性和不确定性，尤其在我国大规模、高集中度的开发模式下，区域风电场分布集中，风速风向特点相近，风电场之间出力相关性很强，因而风电出力波动会对电力系统的供电充裕性有很大影响。另一方面，目前大部分风电机组是通过电力电子接口（ECS）并网，其动态响应特性与常规同步发电机有很大差别。而且，风电机组的现有控制策略一般以其接入强电网为假设条件设计的，而在远距离大规模并网的情况下，风电机组和电网之间的连接相对较弱，从而导致传统的电力系统稳定控制和故障保护措施难以应对，严重影响了电力系统运行的安全稳定性。为保证电力系统的稳定运行，电网公司制定4了严格的风电并网规范，对风电场的最大出力波动、故障穿越、无功调节能力等方面都做了相应规定[2-3]。而目前部分风电场无法满足并网条件，出现“风机空转”现象。分析上述风电并网存在的问题，其根本原因在于风电功率缺乏可控性和ECS动态响应特性不同于传统同步发电机两个方面，而前者则是导致供电充裕性和稳定性诸多相关问题的关键因素。风电功率控制包括有功功率和无功功率的控制。从电网运行的角度看，有功功率控制是为了保证风电系统输出功率的平稳性和电力系统的频率稳定性，而无功功率控制则是为了保证电力系统的电压稳定性。由于风速随机变化和风电机组结构特殊等原因，风电功率的可控性很差，目前在功率控制方面还存在许多亟待解决的问题，例如，风速急剧变化引起的有功波动和爬坡[4-5]，从而导致电力系统调频困难；功率波动和由“柔性”风电机组传动链引起的功率振荡[6]，可能引起电力系统的稳定性问题；ECS使风力机的转速和电网频率失去紧耦合联系，导致风电机组出力不响应频率的变化，从而使系统总惯量减小[7]，不利于系统的稳定；风电系统低电压穿越（Lowvoltageride-through,LVRT）问题[8-9]。上述问题与风电功率控制的关系可用图1表示。因此，提高风电系统的功率可控性越来越受到关注，迫切需要采用新的技术手段改善风电的动态响应特性，从而使其对电网表现出更好的兼容性和友好性。有功控制抑制功率波动风电功率控制无功控制频率控制优化运行调度提高系统稳定性低电压穿越电压控制功率因数控制图1风电问题与功率控制的关系Fig.1Relationofwindpowerissuesanditspowercontrol2储能技术在风电中的应用研究现状本文主要从提高电力系统的低电压穿越能力、平抑功率波动、参与系统频率控制、提高含风电电力系统稳定性和优化风电调度这几个方面来讲述储能技术在风电中的应用研究现状。2.1提高风电系统的低电压穿越能力LVRT问题一直是风力发电技术发展中需要解决的难题之一，也是影响系统稳定性的关键因素之一。提高风电系统的LVRT能力可以从单机和风电场两个层面开展工作。在单机层面的应用，一般将ESS并联在风电机组ECS的直流母线上，在电网故障过程中利用储能系统的快速有功响应能力，存储瞬时过剩能量，从而改善机组的暂态过程。文献[8]研究了在DFIG风电机组的中间直流母线上并入超级电容器的方法提高风电机组的LVRT能力，并分析了在保证LVRT能力满足电网规范要求情况下的储能容量；文献[9]提出一种利用飞轮储能提高永磁直驱风电系统低电压穿越能力的控制策略，其通过风电机组和飞轮储能的功率变换器的协调控制，在电网故障期间，利用飞轮储能的快速有功调节能力保持风电机组功率变换器的直流母线电压稳定，同时控制风电机组的网侧变换器向电网发出一定的无功，帮助电网电压的恢复，从而提高风电机组LVRT能力。在风电场层面的应用，一般将ESS连接在风电场出口母线上，在电网故障过程中储能系统及时吸收无法送出的有功，抑制瞬时故障过电流，同时向电网连续、稳定地提供一定的无功以帮助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能，从而提高风电场的LVRT能力[10-12]。文献[11]提出用电容储能提高由定速风力发电机组成的风电场的LVRT能力，在不同电压跌落幅度、不同持续时间下三相对称故障，以及由于重合闸失败导致的永久性故障等各种情况下，对系统的运行特性进行了详细的分析和仿真，结果表明，在电力系统故障情况下，电容储能可以有效地提高并网运行风电场的LVRT能力。文献[12]研究了在STAT-COM中引入蓄电池储能，组成STATCOM/BESS系统，用于提高风电系统的LVRT能力和含风电电力系统的暂态稳定性。综上所述，在风电系统中合理地配置ESS可以有效提高其LVRT能力。然而，由于电网故障暂态过程非常短暂，因而要求储能系统应该具备有功和无功的快速响应能力，同时其本身能够在电网故障情况下可靠地挂网运行。52.2平抑功率波动风电出力波动和不易控制是造成电网稳定性、电能质量和调度经济性等问题的根本原因。在风力发电系统并网运行时，通过合理引入ESS，并制定相应的控制策略，可以达到减小风速随机变化对风电出力的影响，抑制风电输出功率波动的目的。近年来，已有较多文献对利用ESS平抑风电功率波动进行了研究，并取得了很多有价值的成果。总体而言，也可以分为单机和风电场两个层面的应用[22-23]。在单机层面，文献[13]提出在DFIG风电机组的直流母线上并联超级电容器，并通过模糊理论进行协调控制，以平抑风电机组功率波动。文献[14]提出在基于全功率变频器的永磁同步风电机组的直流母线上并联飞轮储能装置，并通过模糊控制，从而实现抑制风电机组输出功率的波动。在风电场层面，文献[15]中研究了用两级ESS（即短期储能和中期储能）解决容量、响应速度和经济性等指标间的矛盾，并通过神经网络实现两级ESS之间的协调控制。文献[16]提出了一种由能量型储能和功率型储能组成的混合储能系统的控制策略，其采用一阶低通滤波器生成功率的目标值，而采用模糊控制将功率在不同类型储能间优化分配。虽然文献[17]指出在储能容量相等情况下，ESS分散于单台机组和集中于风电场时平抑波动的效果相当，但考虑到大型风电场的多台风电机组的功率波动客观上存在一定程度的互补性，且ESS集中化也有利于运行管理和提高可靠性，因此目前大部分观点倾向于风电场层面的集中式储能方式。2.3参与系统频率控制风电出力具有大幅度随机波动和爬坡特性，难以准确预测和控制，且对电网频率变化几乎没有响应，因而无法承担电网的调频任务。因此，在大规模风电并网情况下，会对电力系统的频率控制产生较大的影响。为了实现电力系统的有功功率实时平衡，保证电能质量和电力系统稳定性，在大规风电接入情况下，需要几乎与风电同等容量的旋转备用。而且，由于同步发电机在频率调节过程中受到调速器死区、发电速度限制、控制信号时滞等约束，在风电功率变化速率较快的情况下，可能会出现多台调频机组作用效果相互抵消的现象，这样会造成巨大的浪费。由于ESS具有快速的功率响应能力，且能够实现功率的正反双向调节，通过对ESS的合理控制，可以改善含风电电力系统的调频特性，同时实现调频的“双倍效应”，具有更好的经济性。因此，合理配置ESS是解决风电接入系统调频问题的有效途径之一。然而，考虑到调频控制需要较大的储能容量，如何构建高性价比的储能系统，并设计出优化的控制策略是需要进一步研究的问题。2.4提高含风电电力系统稳定性在传统电力系统中，稳定性是指系统在运行中受到大的或小的扰动后，能恢复到原来状态或过渡到新状态保持稳定运行的能力，一般可分为暂态稳定性（大干扰稳定性）和静态稳定性（小干扰稳定性）[17]。对于含风电电力系统而言，同样存在类似的稳定性问