張飛，楊雨薇

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

近年來，風電在全世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，風電裝機容量大幅增長。作為新能源，風電具有資源巨大、易開發(fā)、低碳環(huán)保等優(yōu)點。然而，風力的波動性和隨機性是卻是制約風電企業(yè)發(fā)展和并網(wǎng)的技術難題。隨著風電并網(wǎng)規(guī)模的日益增大，風力機組并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行等方面產(chǎn)生的不利影響更加顯著［1－2］。與此同時，風電消納能力受到極大限制，高比例的棄風現(xiàn)象普遍存在，造成了資源浪費和風電企業(yè)的經(jīng)濟損失。

在電力系統(tǒng)中，利用儲能技術可以將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量儲存起來［3］，并在需要時利用發(fā)電裝置重新轉(zhuǎn)換為電能。常見的儲能技術主要有抽水蓄能技術、飛輪儲能技術、壓縮空氣儲能技術和超導儲能技術等。其中，抽水蓄能電站具有儲能容量大、對負荷跟蹤能力強、運行方式靈活和水電效益高等特點，可在電力系統(tǒng)中承擔調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)峰和事故備用的任務［4－5］。在風電系統(tǒng)中配置適當容量的儲能系統(tǒng)(ESS)，可以有效平滑風力輸出，在提高風電功率輸出的可控性的同時，大大提高了風電的消納能力，保證了電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和可靠性。作為應用范圍最廣、利用效率的最高的聯(lián)合運行系統(tǒng)，國內(nèi)外專家學者已經(jīng)對風儲聯(lián)合運行進行了大量研究。

文獻［6］介紹了大容量風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓和頻率的產(chǎn)生的影響，并進行了運行特性分析。仿真表明，接入風電場后，由風速變化引起風機輸出功率的波動會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。當有功功率的大范圍變化時，運行區(qū)間上的電壓也相應產(chǎn)生較大偏差。文獻［7］建立了SVC模型，發(fā)現(xiàn)使用補償裝置可改善異步發(fā)電機組恒速風電機組的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻［8］指出運用飛輪儲能技術能夠提高永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。通過控制飛輪電機變換器和風電機組側(cè)變換器，穩(wěn)定系統(tǒng)直流鏈電壓，從而維持系統(tǒng)輸出無功功率水平，提高風電機組低電壓穿越能力(LVRT)。文獻［9］考慮了風電并網(wǎng)對電壓波動與閃變的影響，算例表明，電壓波動、閃變和系統(tǒng)短路容量、線路電抗與電阻比有關。因此，在線路設計時，選取合適的線路電抗與電阻比可以有效抑制電壓波動。同時，選取合適的并網(wǎng)點和電壓等級對抑制電壓波動也有幫助。

本文對大規(guī)模風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)儲能裝置能夠解決風電并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的下列技術難題。

2 大規(guī)模風電并網(wǎng)帶來的問題

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

由于風力發(fā)電受到氣候和季節(jié)的影響很大，相較于傳統(tǒng)發(fā)電，風電出力的可控性較差。由此引起的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性問題是亟待解決的問題。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在運行過程中受到擾動后，保持原運行平衡狀態(tài)的能力。根據(jù)擾動的大小，可分為靜態(tài)穩(wěn)定性(小干擾穩(wěn)定性)和暫態(tài)穩(wěn)定性(大干擾穩(wěn)定性)［10］。顧名思義，靜態(tài)穩(wěn)定性(小干擾穩(wěn)定性)是指電力系統(tǒng)受到小擾動后，系統(tǒng)電壓保持在允許的偏差范圍內(nèi)，保持漸進穩(wěn)定運行。

對于含有風電機組的電力系統(tǒng)而言，除來自于負荷變化引起的擾動外，還有自身出力隨機變化對系統(tǒng)的擾動，因此對風電系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究十分必要。風電場運行過程中，通常需要吸收大量無功功率。一般來說，系統(tǒng)的無功裕度隨風電場的發(fā)電容量的增大而減小，由此造成靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題也就越突出。在風電系統(tǒng)中，通常使用電壓穩(wěn)定裕度衡量靜態(tài)電壓穩(wěn)定的能力。暫態(tài)穩(wěn)定性的衡量標準則是在系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障的情況下，風電機組在切除故障后恢復機端電壓并逐漸穩(wěn)定運行的能力。在電網(wǎng)基礎比較薄弱的地區(qū)，發(fā)生故障后，風機無法重建機端電壓，進而導致運行超速失去穩(wěn)定，將會對地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生破壞性的沖擊。且由于風電機組的可控性比傳統(tǒng)的同步發(fā)電機差，系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)瞬間功率不平衡。儲能系統(tǒng)(ESS)的功率響應迅速，體現(xiàn)出其和風電系統(tǒng)的互補特性，能顯著提高含風電電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，風電機組必須配備儲能裝置。

2.2 低電壓穿透問題(LVRT)

風電機組的LVRT問題是指風電機組接入公共連接點(PCC)產(chǎn)生電壓跌落時能夠保持并網(wǎng)狀態(tài)，且向電網(wǎng)提供一定的無功功率，維持供電電壓，直至電網(wǎng)恢復正常，穿越低電壓區(qū)域［11］。PCC點的電壓跌落時，風電機組會產(chǎn)生過電壓、過電流，對風力機組運行安全造成威脅。若風電并網(wǎng)容量所占比例較低，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，風電機組會啟動自我保護機制實施自動解列。此時，風電機組幾乎不受到損壞，因此可忽略故障的對風機的影響。但當風電并網(wǎng)容量所占比例較高時，若在系統(tǒng)發(fā)生故障時仍實施自動解列，電網(wǎng)將失去支撐，可能引起其他機組全部解列，嚴重時會使電網(wǎng)崩潰。

2.3 穿透功率極限問題

在我國風電場運行規(guī)程中，風電穿透功率極限fwpp為系統(tǒng)所能接受的風電場最大容量與系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度容量的比值［12］。即:

式中:Cmax為系統(tǒng)所能接受的風電場最大容量;Lmax為系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度容量。

當系統(tǒng)中風電所占比例較低時，風電穿透功率較小，電力系統(tǒng)可以減弱和克服風電并網(wǎng)負面效應。隨著風電所占比例的增大，傳統(tǒng)發(fā)電機組的容量相應的減少，系統(tǒng)中風電穿透功率增大。系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機組應能跟隨風電功率變化，及時相應調(diào)整，從而使系統(tǒng)始終保持運行平衡狀態(tài)。若風電大規(guī)模并網(wǎng)后電能質(zhì)量無法滿足要求，會降低系統(tǒng)能接受的風電場并網(wǎng)容量。影響風電穿透功率極限的因素同時也會影響系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量。除此之外，風電穿透功率極限問題還會對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.4 供電充裕性問題

在電力系統(tǒng)中，負荷靜態(tài)特性是供電充裕性的研究基礎。為保持靜態(tài)電力負荷的實時平衡，研究目標主要有負荷預測、電源和電網(wǎng)規(guī)劃、電源運行調(diào)度等。由于負荷波動及機組啟停會對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生破壞，因此在運行調(diào)度過程中，要求系統(tǒng)能夠提供足夠的備用電源。

風電并網(wǎng)后，系統(tǒng)負荷將由風電機組和傳統(tǒng)發(fā)電機組共同承擔。除負荷波動和機組啟停問題外，大規(guī)模的風電并網(wǎng)將對供電充裕性產(chǎn)生新的影響。主要體現(xiàn)在以下2個方面:

(1)凈負荷波動速率和范圍增加;

(2)凈負荷波動速率及范圍的不確定性增加。

研究表明:當風電在電網(wǎng)中所占比例較低時，凈負荷特性隨之改變，系統(tǒng)對負荷跟蹤電源的需求增多;與此對應的是，當風電所占比例較高時，系統(tǒng)對基荷電源的需求減少。此時，常規(guī)電源的載荷水平降低、機組啟停愈加頻繁，供電裕度不夠，將會大大降低整個電力系統(tǒng)的運行效率。

3 儲能技術在風電并網(wǎng)過程中的應用

3.1 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本問題是功率平衡問題。電力系統(tǒng)的有功功率、無功功率交換可以借助儲能系統(tǒng)的快速功率響應來實現(xiàn)，進而能夠保障系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。風電場從系統(tǒng)中吸收的無功功率會隨著風電并網(wǎng)容量增大而增大，引起系統(tǒng)電壓上升。為應對這種情況，風電場應配置合理容量的儲能裝置來保障系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。同時，儲能系統(tǒng)的快速響應能力可在在系統(tǒng)發(fā)生故障時進行快速、高效的補償，降低諧波畸變率，提高系統(tǒng)抗擾動、保持功率平衡的能力，保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

綜上所述，為風力發(fā)電系統(tǒng)配置一定容量的具有快速響應能力的儲能系統(tǒng)，可以靈活有效地提高風電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 提高風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力(LVRT)

LVRT問題是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵問題，風電大規(guī)模并網(wǎng)中時，LVRT問題尤為突出。實現(xiàn)LVRT功能的途徑主要有［13］:

(1)改進控制策略;

(2)增加硬件設備。

改進控制策略可以降低風電機組的暫態(tài)過電壓、過電流，但是在發(fā)生故障時，由故障引起的過電壓、過電流問題無法通過改進控制策略消除。因此，此方案僅適用于故障電壓變化較小的情形。其他情形則還需要增加硬件電路增強風電機組的LVRT功能。在增加硬件電路眾多實現(xiàn)途徑中，快速儲能系統(tǒng)的作用尤為突出。風電機組運行時，將儲能系統(tǒng)與風電機組能量轉(zhuǎn)換接口的直流母線并聯(lián)。儲能系統(tǒng)的快速響應機制，可在電網(wǎng)發(fā)生故障時存儲瞬時過剩能量，緩解電網(wǎng)運行壓力，改善了機組的暫態(tài)穩(wěn)定性。而在風電場中，連接在風電場出口母線上的儲能系統(tǒng)，可在電網(wǎng)發(fā)生故障時吸收風電場無法送出的有功功率，抑制產(chǎn)瞬時過電流，保護風機。除此之外，儲能裝置還可以提供持續(xù)穩(wěn)定的無功功率，在故障過程中進行電壓恢復，降低電網(wǎng)電壓崩潰的風險，從而提高風電場的LVRT能力。

在風電系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng)可以相應的提高風電系統(tǒng)的LVRT能力。然而，在配置儲能系統(tǒng)時，一定要充分考慮到電網(wǎng)發(fā)生故障時的暫態(tài)過程十分短暫，選擇具備快速響應能力的儲能系統(tǒng)尤為重要。

3.3 增加風電穿透功率極限

風電出力的隨機性和波動性是大規(guī)模風電并網(wǎng)問題的根本原因，由此產(chǎn)生的電力系統(tǒng)的電壓波動、電壓電流波形畸變、閃變等電能質(zhì)量問題，會降低風電穿透功率極限。儲能裝置與先進的電力電子裝置相結合可以提高電能質(zhì)量。影響風電穿透功率極限(WPP)水平的因素因系統(tǒng)而異，因此不同系統(tǒng)配備的儲能技術也不同。風電大規(guī)模并網(wǎng)后，若為了保證電能質(zhì)量而強行降低風電場的并網(wǎng)容量，會降低風電穿透功率。對此，主要靠短時功率的動態(tài)補償提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，這就要求儲能系統(tǒng)具備毫秒級功率動態(tài)調(diào)節(jié)能力。因此，儲能技術可以提高系統(tǒng)的WPP水平。此外，風電場發(fā)生出力波動或故障時，其中的異步發(fā)電機加速失去穩(wěn)定，產(chǎn)生電壓崩潰，對風電穿透功率極限的影響十分明顯。此時，借助儲能系統(tǒng)可為系統(tǒng)增加風電穿透功率。

3.4 提高供電充裕性

此外，風電機組出力波動和負荷變化還會引起系統(tǒng)供電充裕性不足。這是由于大規(guī)模風電的并網(wǎng)，使得系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機組的出力靜態(tài)特性發(fā)生變化，導致系統(tǒng)供電不足。此時，儲能技術可作為備用電源進行發(fā)電，平滑風電出力曲線。根據(jù)儲能電源的響應特性，將備用電源可分為以下3類:

(1)調(diào)頻電源(分鐘級)，一般是啟停具有在線快速響應特性的電源;

(2)負荷跟蹤電源(小時級)，一般是啟停具有快速響應特性的電源(如水電等);

(3)基荷電源(日級)，一般是啟停具有慢速響應特性的電源(如火電、核電等)。

當風力發(fā)電比例較高時，系統(tǒng)對調(diào)頻及負荷跟蹤和事故備用有了更高的要求。這就要求儲能系統(tǒng)的充放電周期應在分鐘級，同時，也提高了系統(tǒng)對基荷機組組合的要求。當風電并網(wǎng)容量較大時，儲能系統(tǒng)的充放電周期可維持在小時至日級。針對風電發(fā)力的隨機性和波動性給電網(wǎng)帶來的不適應，儲能裝置的靈活響應特性使得其在電力系統(tǒng)中可以當作一個具有不同時間尺度的電源，為解決大規(guī)模風電并網(wǎng)供電充裕性問題提供了思路。

4 結語

隨著國家對低碳發(fā)電的推廣以及對風力資源的開發(fā)，風電企業(yè)蓬勃發(fā)展，風電并網(wǎng)容量所占比例逐年增大，風電并網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響不容忽視。本文針對大規(guī)模風電并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的典型問題，結合儲能技術的特點，介紹了其在風電并網(wǎng)過程的具體應用。大規(guī)模的風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了嚴峻的考驗。若不能解決風電并網(wǎng)時技術瓶頸問題，將會極大限制我國的風電發(fā)展和風電消納能力。儲能技術在改善風電并網(wǎng)調(diào)峰和電能質(zhì)量方面的作用，保障了電力系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性，對于風電健康發(fā)展有著借鑒意義。

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