基于風電波動平抑的儲能技術與控制策略研究

(福州大學電氣工程與自動化學院 福建 閩侯 350108)

引言

21世紀是新能源的時代，可再生能源替代傳統煤炭石油的不可再生能源，是構建可持續發展體系至關重要的一步。風電能源在世界上受到推廣，且風電技術在世界上相對比較成熟，能夠實現大規模風電群發展，我國海上和陸上風能資源豐富，充分利用好可再生能源，可以實現我國經濟能源的重大轉型。然而風電具有隨機性和間歇性的特點，這會導致風電系統出力的波動，從而對電力系統造成頻率的波動和電壓功率的波動，從而影響電力系統的穩定運行。

平抑風電波動的辦法有兩種，一種是從高載能負荷平抑，另外一種則是使用儲能系統平抑。高載能負荷平抑風電波動的辦法，要求風電系統必須安設相應的電力能源為有功出力提供補償[1]。當風電波動較大的時候，電網自身的調節能力無法正常處理風電的波動，可以通過短時間中斷高載能負荷來平抑風電波動。該種手段只是針對風電的控制，能夠應對較短時間的風電波動，對于長時間的波動束手無策，而且使用不當會對電力系統的繼電保護造成損耗，電力系統功率損耗也會曾大。另外一種方法儲能系統平抑風電波動，隨著風氫耦合發電系統的發展，還有超級電容和超導儲能的發展，新型儲能技術實現了規模化到精確化的發展，儲能系統平抑風電波動成為了當下最具發展前景的模式。儲能系統能夠實現快速充放電，電能轉化效率最高能夠實現90%以上，能夠更加靈活平抑風電的波動[2]。然而不同的儲能系統控制手段和目標也不僅相同，相同的應用領域，不同的儲能系統實現的結果也不同。

目前我國風電系統容量，并網量都是世界領先水平，但是我國的“棄風量”也是特別高，說明我們的風能利用率還是不足，2015年我國的棄風率為15%，2016年1—6月棄風率達21%，其中新疆為43.9%。棄風的最主要的原因就是由于風能的隨機性，造成了風電系統頻率、功率和電壓的波動。我國“三北地區”棄風量始終維持在高位，不僅是由于用電負荷較低和用電增速較緩慢，還是由于風電送出線路架設尚未完工。因此，儲能系統可以有效配合電力網絡進行峰調和頻率調制，加強風電的消納能力，維持電網的穩定運行。

一、風電儲能系統應用基本構架

青海省發改委制定的《青海省2017年風電開發建設方案》中項目規模合計3.3GW，要求各項目按照建設規模的10%配套儲電裝置。而在實際的運用中，風電儲能系統的配置主要是根據當地的限電情況而進行不同調整，沒有一個確定的標準。根據我國的風電場構建國家標準，參考河北建投沽源風電制氫綜合利用示范項目制氫站工程，大致依據風氫耦合發電系統構建風電系統：

圖 1-1

根據上述的風電系統模型，大型風電場利用豐富的風能資源，產生一定的風電場輸出功率Pw，當風電出力比較充足的時候，一部分輸出功率Pw1作為風電場的并網功率，通過電力系統的并網送入大電網(電力系統)，另外一部分的輸出功率Pw2則進入到儲能系統當中，此時儲能系統處于電能存儲的狀態，發送信號至儲能管理系統，進而實現相應的功率波動平抑算法。當風電出力處于波動較大的時候，此時中央控制CPU就根據此時的情況，發送相應的信號至風電波動平抑算法，通過計算將信號傳送回儲能控制中央管理系統，進而發送信號至儲能系統提供平抑波動相應的功率Pc1，以平衡風電場輸出的功率，使電力系統的上網出力處于穩定狀態。

二、儲能系統分類與原理

儲能技術路徑繁多，各自具有不同的特點和應用場景，但不存在一種技術能覆蓋全方位的場合。需要綜合比較儲能技術在風電系統中的優缺點，全面地對儲能系統進行分析，以達到最大限度平抑風電功率波動對電力系統造成的影響。

(一)鋰電池儲能技術

根據張北地區風光儲輸示范項目，我國青海地區施行“風電+10%儲電裝置”是探索儲能系統促進風電并網的示范項目，但是尚未實現規劃化發展，其中蓄電池儲能技術為核心關鍵，蓄電池采用磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長和綠色環保的優點。

磷酸鐵鋰電池的儲能系統電能轉化原理如下：充電階段，大電網或電力系統為蓄電池儲能系統進行充電，由于蓄電池使用直流電進行能量的轉化，因此從大電網輸出的交流電經過整流器后整流為直流電，接著向儲能電池模塊充電并儲存能量；放電階段，儲能系統輸出的直流電轉化成交流電，向大電網或電力系統負載進行放電，直流電經過逆變器逆變為交流電，通過電力系統的中央監控系統控制逆變輸出，能夠實現儲能系統向大電網或電力系統提供穩定功率輸出。然而，鋰電池儲能技術的成本比較高，對電力系統經濟性進行考慮，不適合大規模采用鋰電池儲能技術。

圖2-1

(二)空氣壓縮儲能技術

壓縮空氣儲能，是指在電力系統用電負荷低谷時期，將電能用于空氣壓縮，將能量存儲起來，在電力系統負荷高峰時期釋放壓縮的空氣，推動汽輪機或飛輪機組發電。空氣壓縮儲能，能夠將高密度的空氣存儲在耐高壓設備中，能夠存儲較高的電能，同時空氣壓縮儲能能夠保持電能質量和穩定。目前世界上已經有兩座大型傳統空氣壓縮儲能電站在運行，第一座是1978 年投入商業運行的德國Huntorf 電站。壓縮機組采用的是兩級壓縮兩級膨脹，壓縮空氣存儲在地下600 米的廢棄礦洞中，機組可連續充氣8 小時，連續發電2 小時。機組從靜止到滿負荷需要11 分鐘，冷態啟動至滿負荷約需6 分鐘，電站效率為42%。第二座是于1991 年投入商業運行的美國McIntosh 電站。其儲氣洞穴在地下450 米，可實現連續41 小時充氣和26 小時發電，機組從啟動到滿負荷約需9 分鐘，系統效率為54%。

將風氣壓縮床技術運用到運用到風電系統，是最早運用于電力系統調峰和調頻的手段，因此壓縮空氣是主要的大規模容量型儲能技術之一，可以將電能在用電低谷時期存儲起來，實現電力系統削峰填谷，提升電力系統運行效率和電力行業的經濟性。然而，目前世界上能夠實現大規模空氣壓縮儲能技術的仍是只有幾座發電站，對其的相關技術研究還是比較缺乏。

(三)氫儲能技術

氫儲能技術的基本原理就是在電解槽中電解水制氫氣和氧氣，通過將一定量的水加入電解槽中，然后通過送入的電能，在一定的化學反應下產生我們所需要的氫氣，由于電解水的產物只有氧氣和氫氣，所以是完全清潔無污染的。目前常用的堿性電解槽，通常液體環境為氫氧化鈉或者是氫氧化鉀，加入穩定的催化劑在高溫條件下，通入電后陰極能夠產生高效的氫氣，而且通過該種方法產生的氫氣的純度能夠高達98%以上，是效率非常高非常可靠的制氫的選擇[3]。

氫儲能的核心原理就是在風電充足但是無法上網的時候，通過電解槽產生氫氣，然后通過壓縮機存儲設備將氫氣作為一個存儲媒介將電能存儲起。當對電能的需求大或者用于其他用途時，將氫氣通過燃料電池、內燃機或者其他設備重新轉化成電能供使用。通常氫儲能的過程是電能轉化成氫存儲后再轉化成電能的電-氫-電循環過程，常見的而是將氫氣轉化成為CH類的烷烴氣體，根據烷烴氣體的理化特性，在一定條件下可以提供高效的電能。可以看出電能和氫之間是可以相互轉換的，兩者之間存在著重要的關系[4]。氫儲能技術能夠實現100%的清潔環保，能量密度高，但是制氫成本高，能夠實現風電系統大規模儲能。

(四)超級電容儲能

超級電容器不同于傳統的電容，是一種介于傳統電容器和電池器件的具有特殊性能的電源，其中研究較多的是雙電層超級電容器。雙電層超級電容器主要是根據雙電層和氧化還原假電容電荷存儲電能，當電容器的外加電壓至超級電容器的正負極板上時，正電極開始存儲正電荷，負極板開始存儲負電荷，因此超級電容器內部產生一個電場，超級電容內部的電解液和正負電極板上會形成一個相反的電荷，以平衡電解液內部形成的電場，因此超級電容的電容量非常大[5]。

而雙電層超級電容器儲能的過程是可逆的，因此超級電容器可以實現儲能系統的要求。另外一方面超級電容器經過測試可是反復使用數十萬次，能夠實現大規模的使用，且使用的效率高達95%以上，是目前儲能系統中效率最高的一種儲能技術，耐高溫的能力強，是除了氫儲能系統外最理想的綠色環保儲能技術。

三、儲能技術應用展望

通過對四種儲能技術的研究，不同的儲能技術使用的環境不同，擁有各自的原理。儲能技術能夠很好契合風力發電系統，由于風電的波動性和隨機性，會導致風電出力電壓頻率的波動，使得風電上網的時候，為了維持電力系統的穩定，不得已采取大規模的“棄風”[6]。儲能系統能夠在風電出力低谷的時候，將能量存儲起來，在用電負荷高峰時期，實現大規模的供電。隨著我國用電需求增加，風電系統的功率和頻率的波動愈加劇烈，單一的儲能系統無法很好的實現效益最大化，根據電力系統經濟效益和儲能系統容量配置，可以采用多級混合儲能技術，以實現儲能系統的經濟效益最優。