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        風電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究進展

        2020-11-18 22:38:17鄭東青辛東昊王立強
        中國電氣工程學報 2020年14期
        關(guān)鍵詞:儲能技術(shù)研究進展問題

        鄭東青 辛東昊 王立強

        摘要:本文對風電并網(wǎng)儲能技術(shù)進行了研究,首先分析目前風電并網(wǎng)的主要問題,然后介紹儲能技術(shù),最后分析如何使用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),改變儲能的效果,保證風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

        關(guān)鍵詞:風電并網(wǎng);儲能技術(shù);研究進展;問題

        引言:風電系統(tǒng)在輸出功率上具有明顯的不穩(wěn)定性,收到風力的影響,往往會存在比較大的波動,嚴重威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定。為此,需要合理使用儲能技術(shù),配合電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),來發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用,滿足對電網(wǎng)調(diào)控的要求。

        一、風電并網(wǎng)存在的問題

        傳統(tǒng)的風電并網(wǎng)普遍存在輸出功率不穩(wěn)定的問題,導(dǎo)致風電并網(wǎng)的安全性和可靠性比較低,會面臨能量轉(zhuǎn)換接口動態(tài)響應(yīng)特性等問題。

        1.1 運行穩(wěn)定性問題

        風電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性問題是保證傳統(tǒng)電力系統(tǒng)高效運行的基礎(chǔ),對于風電并網(wǎng)的在運行過程中主要出現(xiàn)的若穩(wěn)定性和強干擾性的問題,是給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成威脅的主要不穩(wěn)定因素。穩(wěn)定性的保證需要基于負載的動態(tài)特性,在運行過程中通過功率的實時平衡來完成,包括系統(tǒng)中的干擾問題,都以這種方式解決。無論是大擾動還是小擾動,對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性都是傳統(tǒng)技術(shù)性問題,結(jié)合相關(guān)的專業(yè)研究,在風電并網(wǎng)的安全性的運行機制中采用動態(tài)控制的防御機制。目前,風電并網(wǎng)的可靠運行主要來自于兩點,包括動態(tài)有限源控制,對風力系統(tǒng)和相位頻率波動進行動態(tài)控制;動態(tài)無功功率控制,使用電力系統(tǒng)中的電壓波動進行抑制,達到動態(tài)控制的目的。但是,風電的波動性和不確定性,以及風電所具有的的弱穩(wěn)定性和弱免疫力是影響風電長途運輸?shù)某R娪绊懸蛩兀⑶以跈C電動態(tài)尺度的干擾下,很難保證穩(wěn)定性。

        1.2 功率可控性問題

        從工程的實際運行角度分析,以實現(xiàn)基礎(chǔ)的功率可控性內(nèi)容作為基礎(chǔ),可以保證對功率可控性,在處理的過程中,通過變化功率,能夠保證可控性的問題得到解決。在風力渦輪機發(fā)電過程中,有效輸出會隨著風俗的波動不斷產(chǎn)生變化,一般情況下,發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)動能提供的額定功率輸出時間都是用慣性時間常數(shù)來表征,如果慣性時間常數(shù)比較小,那么其宣傳功率也可能比較小,從而在故障期間,系統(tǒng)的頻率則會加快。

        1.3 ECS動態(tài)響應(yīng)問題

        目前,絕大多數(shù)渦輪機都是通過電力電子接口連接,其動態(tài)響應(yīng)特性和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機不同,而且,風力渦輪機的控制策略都是在他們連接在強電網(wǎng)的前提下設(shè)計的,但是很多風力發(fā)電機和電網(wǎng)都是采取長距離大規(guī)模連接的方式,導(dǎo)致風力發(fā)電機和電網(wǎng)之間的連接相對比較弱。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制和故障保護措施難以有效應(yīng)付問題,必然導(dǎo)致風力影響系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。風電可控性和ECS動態(tài)響應(yīng)是風電并網(wǎng)的主要問題,由于風電本身有較強的不可控性,導(dǎo)致電力供應(yīng)的穩(wěn)定性不足,或者存在供應(yīng)不充足的問題,一般采用有功控制和無功控制兩種方式。傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的角度來看,有功控制是保證整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出功率的主要方式,但是由于風力渦輪所存在的特殊機制,以及風力有不規(guī)則變化,導(dǎo)致風力的可控性非常差,還有很多需要解決的問題。

        二、儲能技術(shù)概述

        儲能技術(shù)方式包括化學能力儲存、物理能量儲存、電磁能力儲存和相變能量儲存四種類型,其中物理儲能包括泵送、壓縮空氣、飛輪這幾種儲能方式;電磁能量儲存包括超導(dǎo)電磁能儲存和超級電容能量儲存;化學能連儲存目前主要使用鉛酸蓄電池進行儲能、鋰離子蓄電池儲能、鈉硫電池儲能;相變能量存儲包括冰存儲能量、箱變建筑材料能量儲存。隨著電網(wǎng)的智能化發(fā)展,箱變儲能將會在需求側(cè)發(fā)揮出更大的作用,由于不同的儲能模式都有各自的響應(yīng)速度、能量、經(jīng)濟效益,所以可以發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。

        儲能技術(shù)利用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),將電能轉(zhuǎn)化為化學能等形式的能量,從而保證整個能量在有效轉(zhuǎn)換的過程中,讓相應(yīng)的動力釋放得到有效實施。由于使用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換具有有功和無功的調(diào)節(jié)功能,能夠保證ESS在風力發(fā)電系統(tǒng)中的正確配置和使用,從而有效保證風電系統(tǒng)的可控新、穩(wěn)定性,最終提升電能質(zhì)量,并且降低電力系統(tǒng)的運行成本。

        三、儲能技術(shù)在風電并網(wǎng)中的應(yīng)用

        3.1 提高風電低壓穿透力

        風力發(fā)電的過程中,經(jīng)常出現(xiàn)低壓電穿越這種問題,導(dǎo)致整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了嚴重的影響。為此,需要提升風電并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越標準,滿足風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。通過不斷優(yōu)化電力系統(tǒng)的控制策略,以及加大在硬件方面的投入,讓電力系統(tǒng)能夠在低壓電穿越這種問題的應(yīng)對能力上有所提升。但同時,采用這種方法也會導(dǎo)致大量的資金投入,一般情況下電力系統(tǒng)都會通過配置電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)增加系統(tǒng)的低壓電穿越能力,而且由于電網(wǎng)的故障往往是短暫的,所以儲能系統(tǒng)需要具有較快的反應(yīng)能力,可以在故障的時候有效掛起網(wǎng)絡(luò)。

        3.2 平抑功率波

        風電系統(tǒng)電能質(zhì)量低,并網(wǎng)后電網(wǎng)穩(wěn)定性差,根本原因在于輸出本身就存在一定的波動,而且具有較高的控制難度。所以,通過引入電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行控制,在風電接入到電網(wǎng)中時,可以減小因為風速的隨機變化導(dǎo)致的電網(wǎng)輸出功率影響,避免電網(wǎng)有過強的輸出波動。近年來,在電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)抑制風電波動的研究很多,包括單機應(yīng)用和風電場應(yīng)用。目前,有研究提出在雙饋異步發(fā)電機的母線上并聯(lián)超級電容器,用于通過相關(guān)控制策略來減弱風力發(fā)電機的波動。針對這種方式,在儲能和波動的有效性研究上發(fā)現(xiàn),改善穩(wěn)定性主要來取決于風機的輸出。對于風電場中的各種單元,由于尾流效應(yīng)的影響和許多相關(guān)因素,導(dǎo)致難以準確地進行輸出功率的預(yù)測,所以在實踐當中實現(xiàn)是比較困難的。為此,可以采用模糊控制和在飛輪儲能裝置并聯(lián)母線上使用永磁風力同步單元儲能,實現(xiàn)對風力渦輪機功率波動的抑制。

        3.3 參與系統(tǒng)頻率控制

        由于風電輸出的頻率輸出具有隨機性、薄動心和爬升性,所以在實際的應(yīng)用中很難對風電并網(wǎng)作出準確的預(yù)測和調(diào)控,尤其是對在電網(wǎng)的輸出功率變化比較大的時候,就容易出現(xiàn)響應(yīng)不足等問題,并且會出現(xiàn)反應(yīng)不靈敏等問題,導(dǎo)致電網(wǎng)難以有效協(xié)調(diào)調(diào)頻任務(wù)。而且在大規(guī)模風電集成的情況下,也將會對電網(wǎng)的功率控制難度產(chǎn)生更為嚴重的影響。為了保證電力系統(tǒng)的有功功率平衡,確保電力系統(tǒng)有大規(guī)模風電接入的穩(wěn)定性,需要有與風電容量相同的備用電源,并且使用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)調(diào)節(jié)雙向功率,可以改善風力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)頻特性,滿足雙調(diào)的要求,確保經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。在使用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行調(diào)頻中,可以借助能量轉(zhuǎn)換來分析系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定因素,通過不同的儲能行駛進行規(guī)范化的調(diào)整,實際應(yīng)用過程中,通過做好規(guī)范和技術(shù)內(nèi)容的分析,實現(xiàn)相關(guān)工程應(yīng)用環(huán)節(jié)的有效性,同時還要做好對電池的優(yōu)化,保證電池的使用壽命。

        結(jié)束語:風電由于本身具有不穩(wěn)定性、波動性,導(dǎo)致并網(wǎng)工作存在一定的困難。通過合理使用技術(shù)有利于提升穩(wěn)定性,降低波動對電網(wǎng)的影響。使用電子開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),能夠確保電力系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié),有效利用風能,推動能源結(jié)構(gòu)的清潔化。

        參考文獻:

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