應(yīng)用儲能技術(shù)對風電場低電壓穿越的分析

白俊文 太原理工大學/山西漳澤電力股份有限公司新能源管理部

隨著我國科學技術(shù)不斷發(fā)展，風電作為一種清潔可再生資源，也被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。然而一旦發(fā)生電網(wǎng)事故，就會對風電造成沖擊，甚至會出現(xiàn)風電機組脫網(wǎng)、機組解列情況，究其原因還是因為風機不具備低電壓穿越能力，一旦發(fā)生電網(wǎng)故障，網(wǎng)點電壓就會不斷下降，最終促使風機迫停。為確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，就需要風電場具備低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)故障情況下，可以在低電壓一段時間內(nèi)保證并網(wǎng)運行。在本文中，結(jié)合儲能技術(shù)，對其應(yīng)用于風電場低電壓穿越進行詳細分析和探討。

1 基于儲能技術(shù)的低電壓穿越技術(shù)分析

現(xiàn)目前，應(yīng)用到低電壓穿越技術(shù)中的儲能技術(shù)，又包含了飛輪儲能、超導儲能、超級電容器儲能等內(nèi)容。其主要技術(shù)原理為：充分借助儲能裝置，達到快速去磁和削減風電機組轉(zhuǎn)子過電流的目的。同時在故障狀態(tài)下快速吸收能量，以降低風電機組直流側(cè)過電壓，還能夠密切配合網(wǎng)側(cè)變換器對無功功率進行有效控制，在保障并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，促進風電機組快速恢復。

1.1 飛輪儲能

飛輪儲能主要是利用大規(guī)模轉(zhuǎn)盤的慣性實現(xiàn)儲能，其中涉及到的技術(shù)有電磁懸浮軸承、電力電子技術(shù)等。通過與發(fā)電機系統(tǒng)連接，可以實現(xiàn)儲存和釋放能量，當處于發(fā)電機飛輪減速模式時，就可以釋放電能，若是處于電動機飛輪加速模式，就可以實現(xiàn)電能儲存，如下圖1所示。對飛輪儲能進行應(yīng)用具有響應(yīng)速度快、能量密度高等優(yōu)勢特點，可以極大的改善系統(tǒng)穩(wěn)定性情況。但是由于該項技術(shù)在應(yīng)用時結(jié)構(gòu)和控制比較復雜，所耗費的成本也比較高，使其在實際應(yīng)用中遭受到諸多限制。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)配置

1.2 蓄電池儲能

蓄電池作為當前應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于海洋探測、無線網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)穩(wěn)定等當中，它可以以補償元件的方式實現(xiàn)電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換，還可以通過改變變換器觸發(fā)角實現(xiàn)無功源使用。但是該項技術(shù)在風電接入下進行使用，其充電和放電都會遭受到限制，并且使用壽命比較短，所需維護費用比較高。將蓄電池應(yīng)用到低電壓穿越中，多是與其他高功率密度儲能技術(shù)相聯(lián)合進行使用，可以增強風電機抵御電網(wǎng)故障能力，配合Crowbar裝置，還能夠保障風電機組直流側(cè)電壓穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 超導儲能

超導儲能作為現(xiàn)代比較新穎的一種儲能技術(shù)，主要是通過超導線圈實現(xiàn)電能儲存，進而滿足電能補償需要。該項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在能量密度高、損耗小、轉(zhuǎn)換效率高等方面，劣勢則表現(xiàn)為需要冷卻裝置在其中發(fā)揮作用，最終使得應(yīng)用成本提升。將超導儲能技術(shù)應(yīng)用到風電中，主要是通過變換器實現(xiàn)，將之接入到風電機組直流側(cè)，在與風電機組側(cè)、網(wǎng)測變換器相互協(xié)同下，保障和提高電壓穩(wěn)定性和可靠性。再加上超導儲能的功率密度比較高，也較適合應(yīng)用到低電壓穿越中，可以快速的滿足充電和放電需求，但是想要取得理想應(yīng)用效果，還需要在做出進一步努力，改善成本高、受電磁環(huán)境影響等問題。

1.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能又可以稱之為超大容量電容器，其主要是通過電荷分離實現(xiàn)儲能，也具有充放電迅速、使用壽命長、安全性高等應(yīng)用優(yōu)勢。在實際應(yīng)用時可以直接通過控制變換器實現(xiàn)充電和放電，與上述提到的飛輪儲能和超導儲能相比較，超級電容器儲能在控制上更加簡單，也無需進行維護和移動，將其應(yīng)用到低電壓穿越中，可以充分起到提高穿越能力、保障電壓穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量的作用。

2 儲能技術(shù)應(yīng)用于風電場低電壓穿越分析

2.1 DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

應(yīng)用儲能技術(shù)提升風電場低電壓穿越能力，可以通過變換器直接接入到風電系統(tǒng)中，這時候變換器需要滿足雙向能量流動、高效率、可以承受高峰功率和占地小要求。若是需要將儲能系統(tǒng)連接到高電壓直流母線上，儲能就需要位于低壓側(cè)，反之位于高壓側(cè)，如果是采用高頻控制的變換器，就可以采用隔離式DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)。總之，儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇，需要根據(jù)實際使用場合進行恰當選擇。

2.2 基于儲能的拓撲結(jié)構(gòu)

通過儲能系統(tǒng)提升低電壓穿越能力主要有以下方式：（1）通過換流器直流側(cè)直接接入，如下圖2所示，采取該種方式主要是借助較為穩(wěn)定的直流側(cè)電壓避免換流器觸發(fā)到保護動作；（2）從公共耦合點進行接入，涉及到的復合儲能系統(tǒng)則可以由蓄電池、超導儲能等組合而成，通過無功補償方式保障電壓穩(wěn)定，避免風機脫網(wǎng)情況發(fā)生。

圖2 直流側(cè)接入儲能系統(tǒng)

2.3 混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)

從滿足能量密度、使用壽命、成本等角度出發(fā)，將儲能技術(shù)應(yīng)用到低電壓穿越中還能夠通過多種儲能技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)。通常情況下，混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成可以是蓄電池+超級電容器、蓄電池+飛輪混合和蓄電池+超導混合儲能三種方式，再通過交流側(cè)并聯(lián)、共用變換器、單變換器和兩變換器拓撲結(jié)構(gòu)方式，使之構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)。其中，飛輪、超導和超級電容器功率密度雖然比較高，但是能量密度較小，但是蓄電池正好相反，通過混合儲能的方式，可以更好滿足低電壓穿越需求，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮出提高效率、延長壽命等作用。

3 儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的展望

儲能技術(shù)應(yīng)用到風電場低電壓穿越中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是想要進一步提升儲能技術(shù)在低電壓穿越中的應(yīng)用能力，還需要深入研究和分析以下問題：（1）儲能關(guān)鍵技術(shù)難點問題，盡管蓄電池和超級電容器儲能技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代密切關(guān)注的低電壓穿越技術(shù)，但是對其他低電壓穿越技術(shù)研究還有待加強，尤其是飛輪儲能技術(shù)存在得磁懸浮軸承溫度過高、超導儲能冷卻、電磁敏感等問題；（2）明確應(yīng)用到低電壓穿越技術(shù)的儲能容量及其類型，即結(jié)合風電機組位置、接入規(guī)模等的確定所需儲能容量和類型，進而充分發(fā)揮不同儲能方式應(yīng)用優(yōu)勢；（3）確定儲能技術(shù)應(yīng)用配置方案及其協(xié)調(diào)控制，簡單來說就是需要根據(jù)風電分布及其機組的類型，保障儲能系統(tǒng)接入和組合方案科學、合理，同時針對混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，也要采取有效協(xié)調(diào)控制策略，保障其發(fā)揮相互協(xié)調(diào)和優(yōu)勢互補作用。

結(jié)語：在本文中，對儲能技術(shù)應(yīng)用于風電場低電壓穿越進行分析，主要是從基于儲能技術(shù)的低電壓穿越技術(shù)分析展開，對儲能技術(shù)中飛輪儲能、蓄電池儲能、超導儲能等技術(shù)進行詳細闡釋，同時對儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的拓撲結(jié)構(gòu)進行探討，最后也對儲能技術(shù)應(yīng)用于低電壓穿越中的應(yīng)用進行展望，通過對儲能技術(shù)加大研究，并對儲能技術(shù)在低電壓穿越中應(yīng)用存在的問題進行妥善解決，也將進一步提高儲能技術(shù)應(yīng)用效果。