大型并網(wǎng)風(fēng)電場儲能容量優(yōu)化方案

21ic智能電網(wǎng)：為減少大型并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率不穩(wěn)定給系統(tǒng)頻率造成的較大影響，在Matlab平臺中仿真了風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速變化的規(guī)律，以風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù)和風(fēng)電場風(fēng)速概率分布函數(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種計算大型風(fēng)電系統(tǒng)長時間穩(wěn)定輸出所需儲能容量的方法，并用實際風(fēng)電場數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性，以期為風(fēng)電場設(shè)計提供決策參考。

0 引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式。風(fēng)力發(fā)電作為一種特殊的電力，其原動力是風(fēng)。自然界風(fēng)的變化是很難預(yù)測的，風(fēng)速和風(fēng)向的變化影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的不穩(wěn)定性使風(fēng)力發(fā)電具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點。大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-2]、電能質(zhì)量[3-6]的影響不容忽視，如果這些問題得不到適當(dāng)?shù)奶幚?，不僅會危及負(fù)荷端用電，甚至可能導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰，而且會制約風(fēng)能的利用，限制風(fēng)電場的規(guī)模。

我國《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》[7]指出，在“十一五”期間全國將重點建設(shè)約30個10萬kW以上的大型發(fā)電場和5個百萬kW 級風(fēng)電基地。大型風(fēng)電并網(wǎng)將對電網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)頻率產(chǎn)生一定影響。風(fēng)電場優(yōu)化輸出[8]是保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要技術(shù)問題。

文獻(xiàn)[9]用飛輪儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)輸出功率補(bǔ)償，具有儲能密度大、充放電速度快且無環(huán)境污染的優(yōu)點。

文獻(xiàn)[10]仿真研究了串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)對平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，具有高功率密度、高充放電速度、控制簡單、轉(zhuǎn)換效率高、無污染等特點。

文獻(xiàn)[11]研究了電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量方面的應(yīng)用情況，具有快速的功率吞吐率和靈活的4 象限調(diào)節(jié)能力。

文獻(xiàn)[12-14]對超導(dǎo)儲能裝置(superconducting magnetic energy storage，SMES)在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用作了深入研究，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)儲能系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性、4 象限運行能力和無損儲能等優(yōu)勢。

儲能技術(shù)在并網(wǎng)風(fēng)電場中的應(yīng)用已被廣泛研究，相關(guān)學(xué)者正努力攻克大容量儲能技術(shù)，并不斷降低單位儲能成本。目前，容量為5GW.h 的SMES已通過可行性分析和技術(shù)論證[15]。不過，按現(xiàn)有的儲能方式，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終以最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方式運行，當(dāng)負(fù)荷較輕(如夜間)時，部分電能被儲存，當(dāng)負(fù)荷重且遇到弱風(fēng)時，儲能設(shè)備中的能力被轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行補(bǔ)償，這時因為電網(wǎng)負(fù)荷的波動特性往往并不與風(fēng)電功率的波動特性一致，仍存在如何合理選取儲能容量大小的問題。另一種辦法是降額發(fā)電，即在正常情況下，風(fēng)電場不按照最大功率點跟蹤的方式運行，而是按最大功率的一定百分比發(fā)電，當(dāng)風(fēng)力下降或上升時，相應(yīng)地提升或降低發(fā)電能力，以減緩發(fā)電量的隨機(jī)波動。這種方法直接影響了風(fēng)能利用的效率，大大降低了運營利潤，且調(diào)節(jié)能力有限。

本文將以實際風(fēng)電場風(fēng)速概率密度曲線為基礎(chǔ)，研究大型風(fēng)電場要達(dá)到長期有功功率穩(wěn)定輸出所需儲能能量的計算方法，合理選取儲能容量使風(fēng)電場輸出功率均勻，風(fēng)能利用率最大。

1 風(fēng)電場輸出功率隨風(fēng)速的變化情況

電力系統(tǒng)頻率波動的直接原因是發(fā)電機(jī)輸入功率和輸出功率之間不平衡。在傳統(tǒng)的水電、火電發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)中，原動機(jī)功率是恒定不變的，這取決于本臺發(fā)電機(jī)的原動機(jī)和調(diào)速器的特性，是相對容易控制的因素;發(fā)電機(jī)電磁功率的變化不僅與本臺發(fā)電機(jī)的電磁特性有關(guān)，更取決于電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性，是難以控制的因素，也是引起電力系統(tǒng)頻率波動的主要原因[16]。然而在含有大型風(fēng)電場的電力系統(tǒng)中，原動機(jī)功率波動頻繁，難以預(yù)測，為便于研究，需要將負(fù)荷設(shè)為恒定值(或認(rèn)為其波動由傳統(tǒng)機(jī)組平衡)，來探討風(fēng)電場因風(fēng)速波動給系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來的影響。

本文在Matlab7.6 的Simulink 平臺中搭建了圖1 所示的含大型風(fēng)電場簡化系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模擬由50臺容量為1.5MW 雙饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場，每臺風(fēng)電機(jī)并聯(lián)電容補(bǔ)償容量為150kvar，這些發(fā)電機(jī)通過690V/10kV變壓器升壓后再經(jīng)10kV/220kV升壓變壓器接入系統(tǒng)。本文采用Matlab7.6/Simulink7.1中雙饋異步發(fā)電機(jī)的平均模型。該模型用程控電壓源代替絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電壓源換流器，它不產(chǎn)生諧波，仿真時間更長，有利于研究風(fēng)速變化后風(fēng)電機(jī)組出力的變化規(guī)律。

當(dāng)t=15s時，用這個模型對風(fēng)速分別從11m/s降至9m/s 和3m/s 的過程進(jìn)行仿真，風(fēng)電場出力的變化情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出：當(dāng)風(fēng)速下降幅度不大(11m/s降至9m/s)時，風(fēng)電機(jī)組有功輸出非線性下降，約15s后穩(wěn)定;如果下降到啟動風(fēng)速以下，則有一個輸出功率快速減少的過程，輸出功率下降更快(歷時約8s)。在實際風(fēng)電場中，風(fēng)速不可能只是呈現(xiàn)單一的減小變化，而是經(jīng)常上下波動，這就使風(fēng)電場輸出功率波動頻繁，從而使電力系統(tǒng)頻率波動頻繁。

2 風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動力數(shù)學(xué)模型為：

式中：PM為風(fēng)電機(jī)額定功率;ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù);R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑;Vω為注入風(fēng)速;λ為葉尖速比;β為槳距角。

風(fēng)電場中上百臺風(fēng)力機(jī)布置在一起，一些風(fēng)力機(jī)將處于其它風(fēng)力機(jī)的尾流中，風(fēng)力機(jī)的性能會受到影響，這會影響整個風(fēng)電場總的有功功率輸出[17]。受尾流效應(yīng)的影響，風(fēng)電場的輸出功率與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)電場的輸出功率呈現(xiàn)出方向性。因此合理布置風(fēng)力機(jī)，可以盡量減小風(fēng)力機(jī)尾流的影響，提高風(fēng)電場效率，使風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。相關(guān)研究結(jié)果[17]表明：在平坦地形的風(fēng)電場中布置風(fēng)力機(jī)時，可沿順行方向菱形排列風(fēng)力機(jī)，前后排風(fēng)力機(jī)錯開布置，間距可取風(fēng)力機(jī)直徑的8~10 倍，風(fēng)力機(jī)左右間距可取風(fēng)力機(jī)直徑的2~3 倍，這樣可以很好地減小風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的影響。

另外，風(fēng)電場一般占地上百平方公里，在這樣大的面積中，各臺風(fēng)機(jī)受風(fēng)不可能一樣，這也會影響風(fēng)電場出力。不過，目前采用的數(shù)學(xué)模型基本上是假設(shè)風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速相同，把所有風(fēng)電機(jī)組的輸出功率相加作為風(fēng)電場的輸出功率，同時不考慮風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速的變化。

本文不考慮尾流效應(yīng)和風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)機(jī)受風(fēng)不均的影響，采用Matlab7.6/Simulink7.1 模型庫中的風(fēng)力機(jī)模型，該風(fēng)力機(jī)模型的功率特性如圖3所示。

圖中槳距角為0°，風(fēng)速基值為11m/s時，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速–功率特性曲線為：

f (v) =−0.49v10−10.16v9+91.26v8−300.68v7+518.45v6 −506.49v5+273.98v4-73.71v3+9.16v2−0.32v+0.0043

3 風(fēng)電場風(fēng)速的概率分布

目前，已有許多學(xué)者采用不同的數(shù)學(xué)算法對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速預(yù)測越精確，越有利于對含并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。但實際上對幅值波動和時間間隔較小的風(fēng)進(jìn)行精確預(yù)測是很困難的，可以根據(jù)氣象信息推斷某個時間段(數(shù)h)內(nèi)風(fēng)電場有風(fēng)還是無風(fēng)。從常年的風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，風(fēng)電場風(fēng)速變化符合統(tǒng)計規(guī)律。圖4給出了某風(fēng)電場2006年全年風(fēng)速概率分布柱狀圖，根據(jù)圖4擬合出的8階曲線概率分布曲線如下：

q(v) = −1.75e−11v8 −9.88e−11v7 +1.44e−7v6−8.44e−6v5+2.13e−4v4 −0.0026v3 +0.0126v2-0.004v+0.0114

4 風(fēng)電場儲能容量優(yōu)化方案

充分利用風(fēng)能，以最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效能、減少傳統(tǒng)能源的消耗成為風(fēng)電廠建成后的首要目標(biāo)。然而，從上述仿真分析可以看出，風(fēng)速的變化給風(fēng)電機(jī)組的出力帶來了很大影響，但電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的客觀規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向用戶提供電壓、頻率合格的優(yōu)質(zhì)電力。要達(dá)到保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行且最大化利用風(fēng)能這個目標(biāo)，必須運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術(shù)已不存在技術(shù)瓶頸，只是儲能成本過高，研究如何用最小的儲能裝置實現(xiàn)風(fēng)電場長時間穩(wěn)定輸出是一個有意義的課題，具體步驟如下：

1)根據(jù)風(fēng)速概率密度曲線計算風(fēng)電場輸出功率的數(shù)學(xué)期望，其計算公式為：

式中：f(v)為風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù);q(v)為風(fēng)電場風(fēng)速概率密度函數(shù);vin、vn 和vout分別為切入、額定和切出風(fēng)速。

2)將上述計算得到的輸出功率期望值設(shè)定為風(fēng)電場平均功率水平。

3)找出與平均功率水平對應(yīng)的風(fēng)速值V1，該值比風(fēng)電機(jī)額定風(fēng)速小。

4)以風(fēng)速V1為基準(zhǔn)值，如果風(fēng)速大于V1，則風(fēng)電場按V1對應(yīng)的有功功率輸出，將超出的部分能量用儲能設(shè)備儲存起來;如果風(fēng)速小于V1，則風(fēng)電場仍按V1對應(yīng)的有功功率輸出，不足的能量由儲能設(shè)備補(bǔ)足。

5)用S=EH計算儲能設(shè)備容量，其中H為啟動風(fēng)速以下期望風(fēng)電場持續(xù)輸出的小時數(shù)。對儲能設(shè)備容量進(jìn)行取值時需考慮多方面的因素，主要有氣象部門能提供的較準(zhǔn)確的持續(xù)大風(fēng)或無風(fēng)小時數(shù)(本文認(rèn)為氣象部門預(yù)報數(shù)h內(nèi)無風(fēng)的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)大于預(yù)報風(fēng)速的實時變化)、建設(shè)風(fēng)電場需承擔(dān)的儲能設(shè)備成本、風(fēng)電場在電網(wǎng)中的比重及電網(wǎng)調(diào)頻能力。

6)風(fēng)速長時間低于啟動風(fēng)速時，調(diào)度部門應(yīng)提前做好準(zhǔn)備，應(yīng)對風(fēng)電場無輸出功率的情況。

7)實現(xiàn)多個風(fēng)電場配合互補(bǔ)可以在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少儲能容量。

5 儲能容量優(yōu)化方案的可行性分析與討論

按式(2)計算得E=0.59pu，這表明1個100MW風(fēng)電場經(jīng)計算后得出的期望值為59MW，調(diào)度中心可將此風(fēng)電場看成是一個裝機(jī)容量為59MW的發(fā)電廠。

H的選擇主要由氣象部門預(yù)測無風(fēng)(啟動風(fēng)速以下)的準(zhǔn)確度決定，如果風(fēng)電在系統(tǒng)中的比重不大、系統(tǒng)調(diào)頻能力較強(qiáng)或風(fēng)電建設(shè)成本不允許，則H可取一個較小的值，否則要取大一些，以保證風(fēng)電場有持續(xù)穩(wěn)定輸出的能力。H可在風(fēng)電場規(guī)劃期由設(shè)計單位綜合考慮。如H 取5h時，一個10萬kW級風(fēng)電場應(yīng)裝設(shè)的儲能容量為59 MW×5h=295MW.h。

現(xiàn)以該儲能備用容量值代入風(fēng)電場進(jìn)行檢驗，除去風(fēng)速持續(xù)小于風(fēng)電機(jī)切入風(fēng)速值5h以上的數(shù)據(jù)。圖5給出了風(fēng)電場在2006年3月份的儲能容量和風(fēng)電場輸出功率。

由圖5可以看出，裝設(shè)儲能設(shè)備后風(fēng)電場能在相當(dāng)長的時間內(nèi)持續(xù)保持穩(wěn)定輸出，但仍有個別時間段不能實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是因為當(dāng)風(fēng)電場持續(xù)低風(fēng)速后，儲能設(shè)備中的容量已經(jīng)用完，而風(fēng)況并沒有好轉(zhuǎn)，這時只能有多少風(fēng)力發(fā)多少電。

按照上述方式儲能，從系統(tǒng)側(cè)看去，風(fēng)電場處于“降額發(fā)電”狀態(tài)(按最大功率的59%發(fā)電)，而實際上風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍是全額發(fā)電，只是將59%的有功功率直接發(fā)出，將多出的部分儲存起來。較理想的情況是儲能容量數(shù)值在0到最大值間來回波動，這說明儲能設(shè)備一直處在不斷充電和放電的動態(tài)過程中。如果儲能值持續(xù)為0或最大，則表示儲能容量不夠或是有風(fēng)能浪費。圖5中有一段時間儲能值一直最大，這說明在2006年3月份有幾天風(fēng)速特別大，儲能設(shè)備處于充滿狀態(tài)，不過這種情況的預(yù)知性較強(qiáng)，可調(diào)高風(fēng)電場平均出力來避免造成風(fēng)資源的浪費。

如果風(fēng)電場所處地理位置的風(fēng)具有季節(jié)性，可根據(jù)季度風(fēng)速概率密度曲線調(diào)節(jié)風(fēng)電場輸出功率期望值。如果某風(fēng)電場夏季強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時間長，則該季風(fēng)電場應(yīng)多出力。如果冬季風(fēng)況不好，則要降低出力。

作為對比，圖6給出了無儲能容量時風(fēng)電場輸出的情況。

圖7給出了儲能容量分別為240MW.h和400MW.h時風(fēng)電場的輸出功率。從圖7可以看出：若要求儲能容量小，則要犧牲風(fēng)電場輸出功率的穩(wěn)定性;若儲能容量較大，則可實現(xiàn)風(fēng)電場持續(xù)穩(wěn)定輸出，但對儲能技術(shù)要求較高，成本會較高。

6 結(jié)論

1)本文給出了一種計算大型風(fēng)電場長時穩(wěn)定輸出所需儲能容量的方法，該方法可使風(fēng)電場具有較穩(wěn)定的輸出且所需儲能設(shè)備容量較小。

2)按照本文方法計算出的儲能備用容量值就目前的技術(shù)和成本而言相對偏大，風(fēng)電場建設(shè)設(shè)計階段應(yīng)充分權(quán)衡大容量儲能備用的投資需求與風(fēng)場輸出穩(wěn)定性的相互關(guān)系。

3)因多個風(fēng)電場的風(fēng)況在同一時間段內(nèi)不可能相同，出現(xiàn)多個風(fēng)電場同時無風(fēng)的概率很小，故可用多個風(fēng)電場形成互補(bǔ)動態(tài)平衡關(guān)系，進(jìn)一步降低儲能設(shè)備的容量值。具體能降低多少儲能容量有待進(jìn)一步研究。

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