風(fēng)電友好并網(wǎng)的新引擎-儲能系統(tǒng)

發(fā)布日期：2018-01-29 來源：北極星電力 瀏覽次數(shù)：632

近年來,風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風(fēng)電滲透率不斷增大,風(fēng)力發(fā)電在為電網(wǎng)輸送大量清潔電能的同時,對電力系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性等方面的影響愈發(fā)顯著。究其原因,主要在于風(fēng)速的波動性、間歇性及隨機性引起風(fēng)電功率波動,并且難以準(zhǔn)確預(yù)測。因此,研究平滑風(fēng)電出力,實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的風(fēng)電輸出具有重要意義。

為減小風(fēng)電功率波動對電力系統(tǒng)的不利影響,不同國家根據(jù)自身電力系統(tǒng)的特點對風(fēng)電場設(shè)置了不同的風(fēng)電波動限制指標(biāo)。例如：美國ERCOT電力公司與德國E.ON電力公司的風(fēng)電波動限制指標(biāo)均為每1 min最大波動量不超過風(fēng)電場裝機容量的10%;中國根據(jù)風(fēng)電場裝機容量,分別在1 min、10 min兩個時間尺度對最大波動量進行限制?；诖?本文中平滑風(fēng)電出力是指在風(fēng)電場內(nèi)部或端口采取措施,減小風(fēng)電場分鐘級功率波動,使其滿足風(fēng)電波動限制指標(biāo)要求。

目前,平滑風(fēng)電出力主要包括風(fēng)電機組改進控制與儲能系統(tǒng)輔助控制兩類方法。文獻[5]提出了一種結(jié)合風(fēng)力機變槳控制和發(fā)電機變速控制的發(fā)電機有功功率平滑控制策略,該策略可降低直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機輸出有功功率的波動,控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行范圍。然而,風(fēng)電機組改進控制多以犧牲風(fēng)能捕獲效率為代價,影響了風(fēng)電機組的運行經(jīng)濟性。在能源互聯(lián)網(wǎng)的推動下,以大規(guī)模電池儲能為代表的新型儲能技術(shù)得以快速發(fā)展,在風(fēng)電場端口集成儲能系統(tǒng)以平滑風(fēng)電出力正逐漸成為理論研究與工程示范的熱點。在理論研究領(lǐng)域,研究主要集中在儲能系統(tǒng)的風(fēng)電平滑策略、功率容量配置方法等關(guān)鍵技術(shù);在工程示范領(lǐng)域,世界上已有多個可用于平滑風(fēng)電出力的儲能示范項目,例如美國Kahuku風(fēng)電場儲能示范項目、中國張北風(fēng)光儲輸示范項目等。

綜上,本文首先總結(jié)了新型儲能技術(shù)示范項目的建設(shè)成果,其次梳理了儲能系統(tǒng)的類型選取,再次論述了儲能系統(tǒng)的風(fēng)電平滑策略、功率容量配置方法等關(guān)鍵技術(shù)。最后,探討了未來待研究的關(guān)鍵科學(xué)問題,以期為儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力的研究與應(yīng)用提供一定借鑒。

1 新型儲能技術(shù)示范項目的建設(shè)成果

首先總結(jié)了新型儲能技術(shù)示范項目的建設(shè)成果,隨后列舉了國內(nèi)外典型的可用于平滑風(fēng)電出力的儲能示范項目,最后選取一個典型項目進行介紹。

1.1 建設(shè)成果

根據(jù)美國能源部信息中心項目庫的不完全統(tǒng)計,截至2016年8月,全球新型儲能技術(shù)示范項目高達1000余項,其中已運行儲能項目約900項,已宣布與在建項目約100項。已運行或在建的儲能示范項目國家分布如圖1所示。

美國在儲能裝機規(guī)模與示范項目數(shù)量上都處于領(lǐng)先地位,項目數(shù)量占全球總數(shù)量的48%,主要為太陽能熱發(fā)電熔融鹽儲能;我國次之,項目數(shù)量占全球總數(shù)量的7%,主要為電化學(xué)儲能;韓國占6%,全部為電化學(xué)儲能;西班牙占5%,主要為太陽能熱發(fā)電熔融鹽儲能。

上述示范項目的應(yīng)用模式主要包括：促進集中式風(fēng)電、光伏接入電網(wǎng),提高輸配電及用電側(cè)可靠性,提升分布式發(fā)電或微電網(wǎng)運行能力,以及提供電網(wǎng)輔助服務(wù)。表1列出了國內(nèi)外典型的可用于平滑風(fēng)電出力的儲能示范項目。由表1可知,示范項目的儲能系統(tǒng)多為電池儲能。這主要由于,電池儲能布點靈活且具有較快的響應(yīng)速度及較高的能量密度,既可平滑風(fēng)電出力,也可實現(xiàn)緩解棄風(fēng)、參與調(diào)峰、提供備用等功能。

1.2 中國遼寧臥牛石風(fēng)電場

中國遼寧臥牛石風(fēng)電場安裝有33臺1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組,總裝機容量49.5 MW。風(fēng)電場經(jīng)66 kV母線接入遼寧電網(wǎng)。儲能系統(tǒng)選用全釩液流電池(5MW/10 MW?h),采用模塊化設(shè)計,單元儲能系統(tǒng)輸出功率為352 kW,整套儲能系統(tǒng)由15套可獨立調(diào)控的352 kW單元儲能系統(tǒng)構(gòu)成。在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下,儲能系統(tǒng)包含平滑風(fēng)電出力、跟蹤計劃出力、緩解棄風(fēng)、暫態(tài)有功出力緊急響應(yīng)及暫態(tài)電壓緊急支撐等功能。

實際運行數(shù)據(jù)表明,儲能平滑風(fēng)電出力后,風(fēng)電場1 min最大波動量大幅減小,可以實現(xiàn)其小于GB/T 19963—2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中最大波動量限值4.95 MW的控制目標(biāo)。

2 儲能系統(tǒng)的類型選取

儲能系統(tǒng)的類型選取是儲能風(fēng)電平滑策略及功率容量配置方法的前提,而風(fēng)電波動限制指標(biāo)及儲能系統(tǒng)功率特性是影響儲能系統(tǒng)類型選取的關(guān)鍵因素。為此,本節(jié)根據(jù)風(fēng)電波動限制指標(biāo)及儲能系統(tǒng)功率特性,給出了平抑不同時間尺度風(fēng)電功率波動的儲能系統(tǒng)參考類型。

為定量描述風(fēng)電功率波動,現(xiàn)有研究提出了給定時間尺度風(fēng)電功率最大波動量、相鄰采樣時刻風(fēng)電功率波動量及歸一化標(biāo)準(zhǔn)差等評價指標(biāo)。給定時間尺度風(fēng)電功率最大波動量,從時間尺度、波動幅值兩個維度對風(fēng)電功率波動進行描述。相鄰采樣時刻風(fēng)電功率波動量,多反映風(fēng)電功率的爬坡速率。歸一化標(biāo)準(zhǔn)差本質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)幺值,基準(zhǔn)值為風(fēng)電場裝機容量。該指標(biāo)越大,風(fēng)電波動越明顯,反之亦然。

目前,不同國家多采用給定時間尺度風(fēng)電功率最大波動量,作為風(fēng)電波動限制指標(biāo)。該指標(biāo)的時間尺度和波動幅值分別對儲能系統(tǒng)的功率特性和存儲容量提出了要求。因此,儲能系統(tǒng)的類型選取應(yīng)重點關(guān)注儲能系統(tǒng)的功率特性。表2給出了主要儲能系統(tǒng)的功率特性指標(biāo)。

當(dāng)平抑短時間尺度(1 min以下)風(fēng)電功率波動時,對儲能系統(tǒng)的響應(yīng)時間、循環(huán)次數(shù)提出了較高要求,多采用超級電容儲能、飛輪儲能及超導(dǎo)磁儲能;當(dāng)平抑較長時間尺度(數(shù)min到數(shù)10 min)風(fēng)電功率波動時,對儲能系統(tǒng)的能量密度提出了較高要求,多采用鋰電池、鉛酸電池及液流電池等電池儲能;壓縮空氣儲能、抽水蓄能雖然技術(shù)成熟,但由于其對地理環(huán)境的特殊要求以及其典型放電時間與平滑風(fēng)電出力時間尺度的不匹配,兩者不適合配置在風(fēng)電場端口平滑風(fēng)電出力。此外,當(dāng)需平抑多個時間尺度的風(fēng)電功率波動時,多采用混合儲能系統(tǒng),例如超級電容與電池混合儲能系統(tǒng)。

綜上,雖然根據(jù)風(fēng)電波動限制指標(biāo)及儲能系統(tǒng)功率特性,可得到平抑不同時間尺度風(fēng)電功率波動的儲能系統(tǒng)參考類型,但儲能系統(tǒng)最終類型的確定還需結(jié)合儲能系統(tǒng)的風(fēng)電平滑策略及功率容量配置方法進行綜合分析。

3 儲能系統(tǒng)的風(fēng)電平滑策略

圖2給出了儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力的基本流程。首先獲取風(fēng)電目標(biāo)出力,隨后綜合風(fēng)電功率及風(fēng)電目標(biāo)出力確定儲能初始功率計劃,并通過能量狀態(tài)反饋控制予以修正,最終在儲能內(nèi)部單元間進行功率分配,確定各單元充放電功率指令。其中,獲取風(fēng)電目標(biāo)出力、能量狀態(tài)反饋控制是風(fēng)電平滑策略的核心。

3.1 獲取風(fēng)電目標(biāo)出力

風(fēng)電目標(biāo)出力是指經(jīng)儲能系統(tǒng)平滑后期望得到的風(fēng)電功率。風(fēng)電目標(biāo)出力的獲取方法與儲能系統(tǒng)的風(fēng)電平滑策略密切相關(guān)。目前,風(fēng)電平滑策略可分為兩類：直接平滑策略與間接平滑策略。兩者區(qū)別在于平滑后能否實現(xiàn)風(fēng)電調(diào)度,其中風(fēng)電調(diào)度是指風(fēng)電功率在給定時間窗口內(nèi)為一定值。由于前者僅需滿足風(fēng)電波動限制指標(biāo)要求,所需儲能功率容量較小,而后者需實現(xiàn)風(fēng)電調(diào)度,所需儲能功率容量較大?；诖?風(fēng)電目標(biāo)出力的獲取方法也相應(yīng)分為兩類：直接平滑策略的風(fēng)電目標(biāo)出力獲取方法與間接平滑策略的風(fēng)電目標(biāo)出力獲取方法。

3.1.1 直接平滑策略的風(fēng)電目標(biāo)出力獲取方法

風(fēng)電目標(biāo)出力獲取方法主要包括以下幾種：一階濾波、卡爾曼濾波及小波濾波等濾波控制算法,滑動平均、加權(quán)移動平均及模型預(yù)測控制等其他控制算法。

1)濾波控制算法。

一階濾波算法的關(guān)鍵控制參數(shù)為濾波時間常數(shù),濾波時間常數(shù)越大,風(fēng)電目標(biāo)出力越平滑,需要的儲能功率容量越大,反之亦然。文獻[12]通過一階濾波算法獲取風(fēng)電目標(biāo)出力,分析了不同濾波時間常數(shù)下的風(fēng)電平滑效果。文獻[14]采用一階濾波算法得到風(fēng)電場側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲能的風(fēng)電目標(biāo)出力,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合儲能配置容量、濾波時間常數(shù)與風(fēng)電波動評價指標(biāo)的關(guān)系,最終得到儲能最佳配置容量與最佳濾波時間常數(shù)。上述文獻均通過定時間常數(shù)一階濾波算法獲取風(fēng)電目標(biāo)出力,但由于風(fēng)電功率的不確定性,定時間常數(shù)一階濾波算法易引起過補償,增大儲能配置容量。

針對上述不足,已有學(xué)者開展了利用變時間常數(shù)一階濾波算法獲取風(fēng)電目標(biāo)出力的研究。文獻[15]根據(jù)實測波動率調(diào)整濾波時間常數(shù),減小了儲能出力與荷電狀態(tài)的變化。文獻[16]提出了一種通過優(yōu)化模型調(diào)整濾波時間常數(shù)的新思路,首先將多時間尺度的風(fēng)電波動限制指標(biāo)轉(zhuǎn)化為不等式約束,隨后滾動求解優(yōu)化模型調(diào)整濾波時間常數(shù),提高了風(fēng)電平滑效果。

卡爾曼濾波算法已在短期負荷預(yù)測、動態(tài)狀態(tài)估計等方面得到了廣泛應(yīng)用。文獻[17]提出了一種模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波控制策略,在平滑風(fēng)電出力的條件下,有效管理儲能荷電狀態(tài)。文獻[18]根據(jù)風(fēng)電功率波動量,調(diào)整卡爾曼濾波的過程噪聲和量測噪聲協(xié)方差,減小了儲能配置容量。

小波變換具有處理非平穩(wěn)信號序列的強大能力,在處理風(fēng)電波動特性方面具有顯著的優(yōu)勢。文獻[19]通過Meyer小波獲取風(fēng)電目標(biāo)出力,利用超級電容儲能平抑風(fēng)電功率波動的高頻分量,雙電池儲能平抑風(fēng)電功率波動的低頻分量,并根據(jù)電池容量與荷電狀態(tài)的乘積在雙電池儲能間分配功率。文獻[20]提出了一種混合儲能協(xié)調(diào)控制策略：首先通過小波濾波獲取滿足風(fēng)電波動限制指標(biāo)要求的混合儲能綜合出力,隨后根據(jù)超級電容儲能與電池儲能的最佳匹配頻帶分配功率。

2)其他控制算法。

滑動平均算法的關(guān)鍵控制參數(shù)為滑動平均時段長度M：若M選擇過大,風(fēng)電功率隨時間變化的長期趨勢會反映在分鐘級波動分量上;若M選擇過小,風(fēng)電功率的短時波動會反映在持續(xù)分量上。文獻[21]將M取為30 min,選擇風(fēng)電功率持續(xù)分量作為風(fēng)電目標(biāo)出力,并設(shè)計了一種儲能在線運行策略,避免了儲能在充放電狀態(tài)間頻繁轉(zhuǎn)換。

加權(quán)移動平均算法的兩個重要參數(shù)分別為權(quán)重與移動平均項數(shù)N。前者反映對各時刻風(fēng)電功率的重視程度,后者與濾波效果緊密相關(guān)：N越大,通帶越窄,濾波后風(fēng)電出力越平滑,反之亦然。文獻[22]根據(jù)前一時刻充放電平衡度指標(biāo)調(diào)整N,并將前N-1時刻的風(fēng)電功率加權(quán)平均值作為當(dāng)前時刻的風(fēng)電目標(biāo)出力,克服了普通方法在風(fēng)電功率驟變時平滑效果變差的不足。

模型預(yù)測控制算法是一種基于過程預(yù)測模型,采用回退視界策略,綜合考慮系統(tǒng)動態(tài)性能、控制目標(biāo)及約束條件的在線優(yōu)化控制方法。文獻[23]構(gòu)建了以控制時域內(nèi)儲能出力與儲能存儲能量偏差平方和最小為目標(biāo),考慮風(fēng)電爬坡速率等約束的優(yōu)化模型,采用二次規(guī)劃算法求解。

本文由中國電氣網(wǎng)搜集整理，不代表中國電氣網(wǎng)的立場，中國電氣網(wǎng)承諾:我們不制造電氣電力資訊，我們是電氣電力資訊的搬運工。歡迎加入電氣網(wǎng)。我們這里有你需要的電氣信息。