大規(guī)模儲能系統(tǒng)在風(fēng)電接入電網(wǎng)中的優(yōu)化配置研究

大規(guī)模儲能系統(tǒng)在風(fēng)電接入電網(wǎng)中的優(yōu)化配置研究

0風(fēng)電場儲能系統(tǒng)到2009年底，中國的風(fēng)速發(fā)展非常迅速，擁有25.1gw的電網(wǎng)。但是隨著風(fēng)電規(guī)模占全網(wǎng)容量比例的激增,原有常規(guī)電源對電網(wǎng)運行的調(diào)整與控制能力被削弱。由于風(fēng)能具有隨機性、間歇性的特點,因此風(fēng)電場輸出有功功率存在著很大的波動性,無法滿足電網(wǎng)對于電源調(diào)峰調(diào)頻的要求。并且風(fēng)資源豐富的地方大都位于電網(wǎng)末端,電網(wǎng)基礎(chǔ)較為薄弱,因此風(fēng)電場接入電網(wǎng)后會對區(qū)域系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來顯著影響。近年來為大型風(fēng)力發(fā)電場添加儲能設(shè)備來平滑風(fēng)電場輸出有功功率以及提高風(fēng)電場的調(diào)峰能力成為了人們的共識。目前儲能技術(shù)分為物理儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能和相變儲能4類。物理儲能主要包含飛輪儲能、抽水蓄能和壓縮空氣等方式;電磁儲能主要有超導(dǎo)儲能;電化學(xué)儲能主要有電池儲能和超級電容器儲能;相變儲能主要有冰蓄冷儲能等。其中電池儲能系統(tǒng)目前發(fā)展迅速,包括磷酸鐵鋰、鈉硫、全釩液流電池隨著制備技術(shù)的發(fā)展,成本的降低以及技術(shù)指標(biāo)的進一步提高,均開始了初步的示范應(yīng)用,展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。日本已經(jīng)出現(xiàn)帶有儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場示范工程,因此我國也計劃開展儲能系統(tǒng)和可再生能源結(jié)合的工程研究。其中確定儲能系統(tǒng)的容量是一個關(guān)鍵問題,會直接影響儲能系統(tǒng)的工程造價,進而影響到儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)的推廣和應(yīng)用。因此為風(fēng)電場儲能系統(tǒng)容量進行優(yōu)化配置成為了建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲能裝置的關(guān)鍵步驟。本文主要介紹大型風(fēng)電場用儲能裝置容量的優(yōu)化配置。1風(fēng)電場儲能單元圖1是典型的含有儲能系統(tǒng)的雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機由背靠背變流器控制,將吸收到的風(fēng)能Pw通過定子繞組和與轉(zhuǎn)子繞組連接的變流器共同通過升壓變壓器送到風(fēng)電場中的交流母線上。風(fēng)電場中的儲能系統(tǒng)(輸出功率Pb)通過升壓變壓器直接連接到交流母線處,儲能系統(tǒng)包含有儲能單元以及功率變換單元兩部分,儲能單元根據(jù)低通平滑濾波器(lowpassfilter,LPF)的計算結(jié)果通過功率變換單元通過向交流母線注入和抽取能量來平抑整個風(fēng)電場輸出有功功率Pout的波動,起到改善風(fēng)電場接入友好性的作用。因此儲能單元的容量大小以及變流器額定輸出功率直接決定了整套儲能系統(tǒng)對風(fēng)電場輸出功率波動補償能力的強弱。如何在經(jīng)濟性和儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力之間取得平衡成為了一個急需解決的問題[18,19,20,21,22,23]。2風(fēng)電場輸出無功功率曲線浙江省作為我國經(jīng)濟較為發(fā)達的一個沿海省區(qū),對于能源有著巨大的需求。因此在發(fā)展常規(guī)能源的基礎(chǔ)上積極發(fā)展可再生能源,建成了眾多大型風(fēng)力發(fā)電場。本文選取位于浙江省天臺山地區(qū)的一個大型風(fēng)電場進行統(tǒng)計分析。風(fēng)電場共有780kW額定功率的失速定槳距型風(fēng)力發(fā)電機14臺。功率統(tǒng)計數(shù)據(jù)時間跨度為2009-08—2009-12,數(shù)據(jù)采樣時間間隔為1min。風(fēng)電場額定輸出功率為11MW。由于風(fēng)電場輸出功率統(tǒng)計時間長達4個月并且功率數(shù)據(jù)采樣時間間隔很短,因此可以更加真實地反映出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在長時間尺度下輸出有功功率的變化情況,為制定相應(yīng)的儲能系統(tǒng)平滑策略提供參考。圖2、3是#1單臺風(fēng)力機和#1~#6多臺風(fēng)力機輸出有功功率的曲線。曲線顯示風(fēng)電場風(fēng)力資源較為豐富,在10月初和11月中旬時風(fēng)電場輸出功率達到甚至超過了額定功率。圖中曲線出現(xiàn)負(fù)的輸出功率是由于浙江天臺山風(fēng)力發(fā)電場發(fā)電機的類型是失速型風(fēng)力發(fā)電機,這種風(fēng)力發(fā)電機在無風(fēng)狀態(tài)下部分風(fēng)力機仍然會同電網(wǎng)保持連接,因此可能會導(dǎo)致發(fā)電機從電網(wǎng)中吸收有功功率,從而造成輸出負(fù)有功功率的情況。此外圖2、3顯示無論是單臺還是多臺機組的有功功率輸出曲線均存在著很大的波動,尤其是10月初和11月中旬期間。因此為了滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945—2008對風(fēng)電場輸出有功功率單位時間內(nèi)波動的規(guī)定,為風(fēng)電場添加大規(guī)模儲能系統(tǒng)對輸出功率進行平滑是必要的。3soc模糊控制單元圖4為風(fēng)電場儲能系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖。首先風(fēng)電場輸出有功功率Pw經(jīng)過低通濾波器LPF得到初步的有功功率目標(biāo)曲線,進而電池單元充電狀態(tài)(stateofcharge,SOC)模糊控制單元根據(jù)SOC來修正LPF中的平滑時間常數(shù),同時SOC模糊控制單元還會根據(jù)得到的儲能系統(tǒng)輸出功率Pb的正負(fù)符號結(jié)合SOC數(shù)值來修正最終發(fā)送到蓄電池能量管理系統(tǒng)(BESS)中的輸出功率參考值。蓄電池能量管理系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,BESS)會將總的輸出功率Pb拆分為多個功率給定值Pcn,再根據(jù)監(jiān)測到的所有電池模塊的具體情況來對蓄電池組進行功率分配,在確保輸出目標(biāo)功率Pb的基礎(chǔ)上盡量減小各個蓄電池組的充放電次數(shù)來延長蓄電池組的使用壽命。3.17系統(tǒng)穩(wěn)定性分析圖5~圖7是儲能系統(tǒng)對#1機組進行平滑處理的結(jié)果,平滑時間常數(shù)設(shè)為100min。圖5是風(fēng)電場輸出有功功率平滑前后的對比,細(xì)實線是平滑前風(fēng)電場輸出有功功率,粗實線是平滑后風(fēng)電場輸出有功功率,顯示對于單臺機組而言,具有儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場輸出功率的波動明顯小于不具備儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場。圖6顯示儲能系統(tǒng)在對#1機組進行平滑時系統(tǒng)能量的上限未超過95%,下限維持在50%左右,因此電池系統(tǒng)能夠保持在有一定安全裕量的范圍內(nèi)運行。同時圖7顯示儲能系統(tǒng)對#1機組進行平滑處理后總系統(tǒng)輸出有功功率波動率在絕大部分時間內(nèi)低于±30kW/min,即低于10%額定功率每分鐘的設(shè)定值(78kW/min),因此可以認(rèn)為滿足接入電網(wǎng)的條件。并且由于絕大部分時間內(nèi)功率波動<30kW/min(即5%額定功率每分鐘),系統(tǒng)容量上存在著一定的裕量可以用于實現(xiàn)更多的功能,例如每日的削峰填谷,改善電網(wǎng)電能質(zhì)量等功能。3.27儲能系統(tǒng)剩余能量運行圖8~10是儲能系統(tǒng)對#1~#4機組進行平滑處理后的結(jié)果,平滑時間常數(shù)設(shè)為30min。圖8是風(fēng)電場輸出有功功率平滑前后的對比,細(xì)實線是平滑前風(fēng)電場輸出有功功率,粗實線是平滑后風(fēng)電場輸出有功功率。顯示對于4臺機組,儲能系統(tǒng)能夠抑制風(fēng)力發(fā)電場輸出功率的瞬間波動。圖9顯示儲能系統(tǒng)的剩余能量在運行過程中保持在5%~95%的安全區(qū)間內(nèi),剩余能量的上下限值為93.4%和14.9%,滿足安全運行的要求。圖10顯示平滑后系統(tǒng)的波動幅度由于系統(tǒng)總?cè)萘吭黾佣兴黾?波動幅度超過額定功率10%的次數(shù)與單臺機組的情況相比有明顯的增加,但是仍然基本滿足接入電網(wǎng)的條件。3.37風(fēng)電場平滑仿真結(jié)果圖11~13是儲能系統(tǒng)對#1~#5機組進行平滑處理的結(jié)果,平滑時間常數(shù)設(shè)為30min。圖11是風(fēng)電場輸出有功功率平滑前后的對比,細(xì)實線是平滑前風(fēng)電場輸出有功功率,粗實線是平滑后風(fēng)電場輸出有功功率。顯示對于5臺機組,儲能系統(tǒng)的作用仍主要體現(xiàn)在抑制風(fēng)力發(fā)電場輸出功率的瞬間波動。圖12顯示儲能系統(tǒng)剩余能量在運行過程中已經(jīng)超出了0~100%的安全區(qū)間,剩余能量的上下限值為105.6%和5.5%,不滿足安全運行的要求。圖13顯示平滑后系統(tǒng)的波動幅度由于系統(tǒng)總?cè)萘吭黾永^續(xù)有所增加,波動幅度超過額定功率10%的情況更為嚴(yán)重,不能滿足接入電網(wǎng)的條件,因此750kW/4h的儲能系統(tǒng)不能夠滿足1~5臺機組構(gòu)成的風(fēng)電場對有功功率進行平滑處理的要求。圖5~13的仿真結(jié)果說明儲能系統(tǒng)選取為750kW/4h時基本能夠滿足1~4臺風(fēng)力發(fā)電機規(guī)模風(fēng)電場的平滑要求。平滑后風(fēng)電場輸出有功功率每分鐘變化量小于額定功率的10%。但是當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模增加到5~6臺風(fēng)力機時(3.9~4.68MW),儲能系統(tǒng)對風(fēng)電場輸出功率進行平滑后仍無法達到國家規(guī)定的風(fēng)電場接入電網(wǎng)的要求。同時,750kW/4h的儲能系統(tǒng)對單臺機組進行平滑的結(jié)果顯示儲能系統(tǒng)具有一定的調(diào)節(jié)裕量,因此可以對儲能系統(tǒng)功率平滑以外的功能展開研究,進一步提升儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。圖14顯示當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模達到5~6臺風(fēng)力機(3900~4680kW)規(guī)模時系統(tǒng)越限次數(shù)會急劇提高,超過了100次,這是由于750kW/4h儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場規(guī)模增加時容量出現(xiàn)了明顯不足,無法維持30min的平滑時間常數(shù),而選取較小的時間常數(shù)后系統(tǒng)越限情況會更加惡劣。因此說明750kW/4h的儲能系統(tǒng)無法滿足5~6臺風(fēng)力機(3900~4680kW)規(guī)模的風(fēng)電場平滑要求。圖15是風(fēng)電場經(jīng)過儲能系統(tǒng)平滑后輸出有功功率每分鐘功率波動的最大值。圖15顯示隨著風(fēng)電場規(guī)模增大每分鐘功率波動最大值出現(xiàn)了明顯上升,尤其是由1臺風(fēng)力機增加到2臺風(fēng)力機時,這是由于這個階段風(fēng)電場總規(guī)模增加最為明顯,并且2臺風(fēng)力機的數(shù)據(jù)會明顯增加系統(tǒng)極限值的數(shù)值。圖16是風(fēng)電場規(guī)模不同時750kW/4h儲能系統(tǒng)電池剩余電量上下限曲線。曲線顯示當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模達到5~6臺風(fēng)力機時,儲能系統(tǒng)電池剩余能量SOC出現(xiàn)了明顯的越界,無法達到安全運行的要求。并且此時風(fēng)電場輸出功率瞬時變化經(jīng)常會越過10%額定功率的限制。無法進一步加大平滑時間常數(shù),說明750kW/4h的儲能系統(tǒng)容量僅能夠滿足1~4臺規(guī)模的風(fēng)電場平滑運行要求。4風(fēng)電場輸出平滑1)儲能系統(tǒng)的輸出功率限制和容量限制對平滑結(jié)果均有明顯的影響。在儲能系統(tǒng)輸出容量為750kW/4h風(fēng)力發(fā)電機單機容量為780kW時儲能系統(tǒng)可以滿足絕大多數(shù)時間內(nèi)將1~4臺規(guī)模的風(fēng)電場系統(tǒng)輸出功率每分鐘波動限制在裝機容量的10%以內(nèi)。無法滿足5臺以上規(guī)模的風(fēng)電場輸出平滑要求。2)結(jié)果顯示針對大型風(fēng)電場進行統(tǒng)一平滑處理可以達到更佳的經(jīng)濟性,因為隨著風(fēng)電場規(guī)模的增加,對儲能系統(tǒng)容量的增加并不是線性增加的。因為多臺