摘 要：【目的】針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電出力的波動性和間歇性給電網(wǎng)調(diào)度運行帶來的挑戰(zhàn)，探索儲能技術(shù)與風(fēng)電系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，以提高風(fēng)電的消納水平和經(jīng)濟性。【方法】在分析風(fēng)力發(fā)電和儲能技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，重點研究儲能在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與集成優(yōu)化，包括儲能系統(tǒng)的集成設(shè)計原則、功率管理與能量調(diào)度策略及儲能控制和優(yōu)化算法?！窘Y(jié)果】通過合理配置儲能系統(tǒng)，優(yōu)化其控制和調(diào)度策略，能有效平滑風(fēng)電出力波動，提高風(fēng)電的利用效率，減少棄風(fēng)限電，增強電網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力?！窘Y(jié)論】將儲能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行深度融合，對促進風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用、提高其經(jīng)濟性和供電可靠性具有重要意義。該研究為風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計和運行優(yōu)化提供有益參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；儲能技術(shù)；波動性；系統(tǒng)集成；消納能力

中圖分類號：TK82" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0012-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.003

Exploration of Practical Applications of Energy Storage Technology in New Energy Wind Power Generation Systems

Abstract： [Purposes] In response to the challenges posed by the fluctuation and intermittency of wind power output to the dispatch and operation of power grid in wind power generation systems， this paper explores the solution of integrating energy storage technology with wind power systems to improve the level of wind power consumption and its economic efficiency. [Methods] Based on the analysis of the characteristics of wind power generation and energy storage technology， this study focuses on the application and integration optimization of energy storage in wind power systems， including the principles of energy storage system integration design， power management and energy scheduling strategies， as well as energy storage control and optimization algorithms. [Findings] By rationally configuring energy storage systems and optimizing their control and scheduling strategies， wind power output fluctuations can be effectively smoothed， wind power utilization efficiency can be improved， wind abandonment and power curtailment can be reduced， and the grid's capacity to absorb wind power can be enhanced. [Conclusions] The deep integration of energy storage technology with wind power generation systems is of great significance for promoting the large-scale development of wind power， improving its economic efficiency and power supply reliability. This study provides useful references for the planning， design， and operation optimization of wind farms.

Keywords： wind power generation; energy storage technology; fluctuation; system integration; absorptive capacity

0 引言

化石能源的大量開采和利用已影響到人類的生存環(huán)境，可再生清潔能源的開發(fā)利用已成為應(yīng)對能源危機和解決環(huán)境污染的關(guān)鍵舉措。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，近年來實現(xiàn)快速發(fā)展，但風(fēng)能資源的間歇性和波動性給風(fēng)電并網(wǎng)和消納帶來了挑戰(zhàn)，嚴重影響電網(wǎng)調(diào)度運行和電能質(zhì)量［1］。為了克服這些問題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注儲能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過引入儲能單元，能平滑風(fēng)電出力，提高電能質(zhì)量，增強系統(tǒng)的靈活性和可靠性，緩解風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)風(fēng)電能量的優(yōu)化配置，提高風(fēng)電利用效率和經(jīng)濟性。因此，研究儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的實踐應(yīng)用，對促進風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電與儲能技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 風(fēng)力發(fā)電原理與關(guān)鍵組件

風(fēng)力發(fā)電通過風(fēng)輪葉片捕獲風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成。其中，風(fēng)輪負責(zé)高效捕獲風(fēng)能，傳動系統(tǒng)通過增速齒輪箱來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換，控制系統(tǒng)則實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，確保其能安全、穩(wěn)定、高效運行。

1.2 儲能技術(shù)的分類與特性

儲能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能緩解風(fēng)電出力波動，提高并網(wǎng)性能和電能質(zhì)量。不同儲能技術(shù)在技術(shù)原理、性能特征和適用場景等方面存在差異［2］。機械儲能（如抽水蓄能）容量大、壽命長、成本低，但響應(yīng)慢；電化學(xué)儲能（如鋰離子電池）能量密度高、響應(yīng)快，但成本高、安全性有待提升；化學(xué)儲能（如氫儲能）可長時間、大容量儲能，但轉(zhuǎn)化效率低；電磁儲能（如超導(dǎo)磁儲能）功率密度和響應(yīng)速度超高，但容量和成本限制其大規(guī)模應(yīng)用。

1.3 風(fēng)電儲能系統(tǒng)的配置與優(yōu)化

風(fēng)電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計要從技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等多維度綜合考量。儲能系統(tǒng)的功率和容量要與風(fēng)電場規(guī)模和負荷特性匹配，并兼顧平滑風(fēng)電波動和成本效益平衡［3］。此外，儲能系統(tǒng)的響應(yīng)特性、充放電效率和環(huán)境影響也是關(guān)鍵因素。為滿足風(fēng)電系統(tǒng)的多元化需求，以多種儲能技術(shù)互補組合的混合儲能系統(tǒng)逐漸成為主流，如抽水蓄能與電池儲能、飛輪與超級電容器的組合等，在風(fēng)電并網(wǎng)中提供更可靠的功率支撐和頻率調(diào)節(jié)能力。

2 儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與集成

2.1 儲能系統(tǒng)集成設(shè)計原則與方法

儲能系統(tǒng)集成設(shè)計應(yīng)遵循安全可靠、經(jīng)濟高效、靈活可控的原則。要確保儲能系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運行，盡可能避免故障和事故的發(fā)生；要合理配置儲能容量、降低投資和運維成本，提高經(jīng)濟效益；要具備靈活的控制能力，以適應(yīng)風(fēng)電場的特點和需求。在設(shè)計方法上，可采用集中式或分布式。集中式儲能通過配置大容量集中儲能裝置，實現(xiàn)集中控制和規(guī)模效應(yīng)，但投資大、故障風(fēng)險高；分布式儲能是在每臺或每組風(fēng)電機組中配置小容量儲能單元，通過分散控制就地平衡調(diào)節(jié)風(fēng)電出力，提高可靠性和靈活性，但投資和維護成本較高。此外，還要考慮儲能裝置與風(fēng)電機組及電網(wǎng)之間的接口和控制方式，采用分層協(xié)調(diào)控制的方式，在風(fēng)電機組控制基礎(chǔ)上，增加儲能功率控制和能量管理策略，實現(xiàn)風(fēng)電出力平滑調(diào)節(jié)和能量優(yōu)化配置。

2.2 儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的功率管理與能量調(diào)度

儲能技術(shù)可通過功率管理和能量調(diào)度策略來平滑風(fēng)電功率波動，提高風(fēng)電出力的可預(yù)測性和可控性，增強電網(wǎng)對風(fēng)電的友好接納能力［4］。儲能功率管理包括功率變換器控制和儲能充放電管理。功率變換器采用雙向DC/AC變流器拓撲，可實現(xiàn)儲能與風(fēng)電機組或電網(wǎng)之間雙向功率流動；變流器控制采用矢量控制或雙閉環(huán)控制，即內(nèi)環(huán)電流控制、外環(huán)直流電壓或有功/無功功率控制，實現(xiàn)儲能有功/無功獨立調(diào)節(jié)，維持直流母線電壓穩(wěn)定。儲能充放電管理根據(jù)風(fēng)電出力、儲能SOC和電網(wǎng)調(diào)度指令等，優(yōu)化儲能充放電功率，吸收風(fēng)電剩余功率，避免儲能過充過放。儲能系統(tǒng)的能量調(diào)度是在更長的時間尺度上優(yōu)化儲能 充放電策略，平衡風(fēng)電出力的波動，跟蹤電網(wǎng)調(diào)度曲線，從而最大化風(fēng)電消納和經(jīng)濟收益。設(shè)風(fēng)電場某時段內(nèi)的預(yù)測出力為[Pwt]、電網(wǎng)調(diào)度曲線為[Pdt]、儲能系統(tǒng)的充放電功率為Ps（t）、輸出功率為Po（t），則儲能系統(tǒng)的能量平衡方程為式（1）、式（2）。

[Et=Et?1+ηc·Pst·Δt]

當[Ps]gt;0時 （充電） （1）

[Et=Et?1?Pst/ηd·Δt]

當[Ps]lt;0時（放電）" （2）

式中：[Pst] =[Pwt] -[Pdt]，表示儲能系統(tǒng)在t時刻的充放電功率。當[Pwt]gt;[Pdt]時，[Pst]gt;0，儲能系統(tǒng)充電；當[Pwt]lt;[Pdt]時，[Pst]lt;0，儲能系統(tǒng)放電。同時，風(fēng)電場的實際輸出功率[Pot]的表示見式（3）。

[Pot] = [Pwt]- [Pst]" "（3）

式中：[Et]為儲能系統(tǒng)[t]時刻的剩余電量；[ηc]和[ηd]分別為儲能充電和放電效率；[Δt]為時間步長。同時，還要滿足儲能容量和功率的約束條件，見式（4）。

Emin≤E（t）≤ Emax ，Pmax≤Ps（t）≤Pmax" "（4）

式中：Emin和Emax分別為儲能系統(tǒng)允許的最小和最大剩余電量；Pmax為儲能變流器額定功率。

在實際應(yīng)用中，儲能系統(tǒng)的能量調(diào)度通常采用基于預(yù)測的滾動優(yōu)化策略，即根據(jù)未來一段時間內(nèi)風(fēng)速和負荷的預(yù)測值，提前優(yōu)化儲能的充放電計劃，并根據(jù)實際運行情況進行實時校正［5］。優(yōu)化目標可以是最小化風(fēng)電削減量、最大化風(fēng)電收益或最小化運行成本等，同時考慮電價等外部因素的影響。此外，還可引入模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強化學(xué)習(xí)等智能算法，自適應(yīng)調(diào)整儲能充放電策略，進一步提高風(fēng)電消納和運行效益。

2.3 儲能系統(tǒng)的控制策略與優(yōu)化算法

儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場中的優(yōu)化控制是一個涉及多時間尺度、多約束條件的復(fù)雜問題。為了最大限度發(fā)揮儲能系統(tǒng)在平滑風(fēng)電波動、跟蹤調(diào)度曲線、提高風(fēng)電消納等中的作用，針對不同的應(yīng)用場景和需求，設(shè)計出合理的控制策略和優(yōu)化算法。

在儲能變流器的控制方面，常用的控制方法有雙閉環(huán)控制和模型預(yù)測控制（Model Predictive Control， MPC）。雙閉環(huán)控制采用內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓/功率控制的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)儲能變流器的解耦控制。其控制律見式（5）、式（6）。

[ud=kp（i?d?id）+ki∫（i?d?id）dt?ωLfiq]" （5）

[uq=kp（i?q?iq）+ki∫（i?q?iq）dt+ωLfid]" （6）

式中：[ud]和[uq]分別為變流器輸出電壓的d、q軸分量；[id]和[iq]分別為電感電流的d、q軸分量；[i?d]和[i?q]分別為 d 軸和 q 軸的參考電流指令；[kp]和[ki]均為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；[Lf]為濾波電感；ω為電網(wǎng)角頻率。

MPC是一種基于系統(tǒng)模型和滾動優(yōu)化的控制方法，通過在每個采樣時刻預(yù)測未來一段時間內(nèi)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，并求解優(yōu)化問題來確定當前時刻的最優(yōu)控制量，具有響應(yīng)快、魯棒性強等優(yōu)點。以儲能變流器的有功功率控制為例，其狀態(tài)空間模型見式（7）、式（8）。

[xk+1=Axk+Buk]" （7）

[yk=Cxk]" （8）

式中：k為時間步長或離散時刻；x為系統(tǒng)狀態(tài)變量（如電感電流、直流電壓等）；u為控制變量（如調(diào)制波占空比）；y為輸出變量（如有功功率）；A、B、C為系統(tǒng)矩陣。

MPC的優(yōu)化控制問題的描述見式（9）至式（13）。

[minJ=∑yk+i?yrefk+i2+]

[∑Δuk+i?12] （9）

[s.t.xk+i+1=Axk+i+Buk+i]

[i=0，1，…，N?1] （10）

[yk+i=Cxk+i" "i=1，2，…， N]" （11）

[umin≤uk+i≤umax" "i=0，1，…， N?1]" （12）

[Δumin≤Δuk+i≤Δumax" "i=0，1，…， N?1]" （13）

式中：J為目標函數(shù)；[yref]為參考軌跡；[Δu]為控制增量；N為預(yù)測時域；[umin]、[umax]、[Δumin]和[Δumax]分別為控制量和控制增量的約束。

求解該優(yōu)化問題，可得到未來N步的最優(yōu)控制序列，每次只執(zhí)行第一步控制，然后移動優(yōu)化時域，重復(fù)求解。

在儲能系統(tǒng)能量管理方面，常用的優(yōu)化算法有動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）、混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed Integer Programming，MIP）等。DP將多階段決策問題分解為一系列單階段決策問題，遞歸求解每個階段的最優(yōu)值函數(shù)，得到全局最優(yōu)解。設(shè)第k時段的系統(tǒng)狀態(tài)為SOC（k），控制變量為P（k），狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為式（14）、式（15）。

[SOCk+1=SOCk+ηc·Pk·Δt/Emax]

當[Pk]≥0時 （充電） （14）

[SOCk+1=SOCk?Pk·Δt/ηd·Emax]

當P（k）lt;0時 （放電）" （15）

式中：[ηc]和[ηd]分別為儲能充放電效率；Emax為儲能額定容量；[Δt]為時段長度。

每個階段的目標函數(shù)可描述為式（16）。

J[kSOCk，Pk=ck·Pk·Δt+]

[J?k+1SOCk+1] （16）

式中：[ck]為第k時段的電價；[J?k+1]為下一階段的最優(yōu)值函數(shù)。

DP的求解過程為式（17）、式（18）。

[JSOCKK=mincK·PK·Δt]" （17）

[JSOCkk][=minck·Pk·Δt+J?k+1SOCk+1]

[k=K?1，…，1]" （18）

MIP適用于含有連續(xù)變量和離散變量的混合優(yōu)化問題，通過引入0-1變量來描述儲能的運行狀態(tài)（充電、放電、閑置），將能量管理問題建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃（Mixed Integer Linear Programming，MILP）問題，具體見式（19）至式（25）。

[min∑ck·Pk·Δt]" （19）

[s.t.SOCk+1=SOCk+ηc·uck·Pk·Δt/Emax-]

[udk·Pk·Δt/ηd·Emax] （20）

[SOCmin≤SOCk≤SOCmax] （21）

[0≤Pk≤Pmax·uck]" （22）

[?Pmax·udk≤Pk≤0] （23）

[uck+udk≤1] （24）

[uck，udk∈0，1] （25）

式中：[uck]和[udk]分別為表示儲能在第[k]時段充電和放電狀態(tài)的0-1變量；[SOCmin]和[SOCmax]均為荷電狀態(tài)約束；[Pmax]為儲能額定功率。

該MILP問題可用單純形法、分支定界法、切平面法等方法進行求解。在實際應(yīng)用中，可結(jié)合風(fēng)速和負荷預(yù)測、電價信息等，采用啟發(fā)式算法、智能算法等，提高儲能系統(tǒng)能量管理的經(jīng)濟性和魯棒性。綜上所述，儲能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的優(yōu)化控制涉及變流器控制和能量管理這兩個層面，可分別采用基于反饋或預(yù)測的控制策略和基于模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化算法。合理的儲能控制能有效抑制風(fēng)電波動，提高風(fēng)電出力質(zhì)量，減少棄風(fēng)限電，為風(fēng)電的大規(guī)模消納和高效利用提供技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

本研究通過深入分析儲能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的融合應(yīng)用，系統(tǒng)地闡述了儲能在風(fēng)電系統(tǒng)中的集成設(shè)計原則和方法，重點探討了儲能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和能量優(yōu)化調(diào)度策略。研究表明，合理設(shè)計儲能系統(tǒng)的容量配置和拓撲結(jié)構(gòu)、優(yōu)化儲能變流器控制和能量管理策略，能顯著提升風(fēng)電場的出力品質(zhì)，增強電網(wǎng)對風(fēng)電的友好承載能力。希望本研究的成果能為儲能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的進一步應(yīng)用提供參考和借鑒，推動風(fēng)電與儲能的規(guī)模化發(fā)展，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型電力系統(tǒng)貢獻力量。

參考文獻：

［1］許嘉雯.新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的實踐應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2023（11）：43-47.

［2］高福偉.儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.電子制作，2022，30（4）：95-97.

［3］丁志康，王維俊，米紅菊，等.新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)現(xiàn)狀與分析［J］.當代化工，2020，49（7）：1519-1522.

［4］劉益廷.新能源開發(fā)中的電氣自動化環(huán)保技術(shù)分析［J］.集成電路應(yīng)用，2023，40（11）：70-72.

［5］宋智勇.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用分析［J］.電氣時代，2023（8）：44-46.