淺析風(fēng)電并網(wǎng)功率波動抑制的研究

【文章摘要】

隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸提高，為了有效利用風(fēng)能， 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)勢在必行，風(fēng)電場的出力具有隨機(jī)性，并網(wǎng)時會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量帶來問題。本文分析了風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動對電網(wǎng)的影響，總結(jié)了目前國內(nèi)一些儲能裝置對風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動抑制的不同方法以及其它抑制功率波動的方法，并做了簡要的比較分析。

【關(guān)鍵詞】

風(fēng)力發(fā)電；功率波動；儲能裝置

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源， 其儲藏量豐富，可以為構(gòu)建全球的可持續(xù)能源結(jié)構(gòu)體系作出重要貢獻(xiàn)。因此近年來世界各地掀起了開發(fā)風(fēng)電的熱潮，但隨著風(fēng)電場越來越多，其風(fēng)能的缺點(diǎn)越來越明顯。風(fēng)能所產(chǎn)生的功率帶有隨機(jī)性和波動性這個缺點(diǎn)，給當(dāng)下的電網(wǎng)帶來的沖擊越來越顯著，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大威脅。

對于怎樣抑制風(fēng)力并網(wǎng)中功率波動這個問題的研究，其方法大致分為兩類： 直接功率控制即利用調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來調(diào)節(jié)其輸出功率，但對波動范圍大的調(diào)節(jié)能力有限；間接功率控制即利用附加的儲能設(shè)備來調(diào)節(jié)輸出功率，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)的范圍較寬，效果較好。此外，風(fēng)電機(jī)所產(chǎn)出功率的波動成分主要集中在1Hz 以下，尤其在0.01~1Hz 之間對電力系統(tǒng)沖擊最明顯。結(jié)合上述研究現(xiàn)狀，本文先對風(fēng)電并網(wǎng)功率波動特性進(jìn)行闡述，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)輸出功率波動抑制的可行性研究給出幾種抑制風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動的方法，當(dāng)下抑制風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動的流行的主要方法是利用儲能裝置來對風(fēng)電并網(wǎng)功率波動抑制，而所用的儲能裝置種類有很多，比如蓄電池，超導(dǎo)電容，超導(dǎo)磁，飛輪，釩液流，電池儲能，混合儲能。另外還有人提出對部分風(fēng)電合理?xiàng)夛L(fēng)來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電的去風(fēng)電化的觀點(diǎn)，這個也是值得繼續(xù)深入研究的。本文基于文獻(xiàn)所給的關(guān)于對風(fēng)電并網(wǎng)功率抑制的方法和實(shí)例，進(jìn)行一些比較和分析。

1 電網(wǎng)風(fēng)電功率波動特性分析

眾所周知，風(fēng)電利用的能源是風(fēng)能， 而它最顯著的特點(diǎn)是不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電出力具有波動性和隨機(jī)性。國內(nèi)有學(xué)者對我國華北電網(wǎng)2010-2011 年的實(shí)測風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出以下特點(diǎn)：夏秋兩季風(fēng)電日平均出力大部分比較集中， 且相對較小；冬春兩季風(fēng)電日平均出力較分散，同時日間的風(fēng)電出力增減幅度較大。這個分析結(jié)果也驗(yàn)證了風(fēng)電出力的波動性和隨機(jī)性。另外還有學(xué)者結(jié)合內(nèi)蒙古風(fēng)電并網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析得出：1）電網(wǎng)在有功方面所能容納的風(fēng)電電量是由電網(wǎng)的峰谷差、調(diào)峰容量和風(fēng)電集聚效應(yīng)這三者來決定的。2）當(dāng)今僅利用風(fēng)電的短期功率預(yù)測是不夠的，還需增加新的氣象分析手段。3）從風(fēng)電并網(wǎng)的電量的占比來看，我國電網(wǎng)容納風(fēng)電的潛力還很大。

2 電網(wǎng)風(fēng)電功率波動抑制方法

目前平抑風(fēng)電場功率波動的方法有兩種: 一是直接調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組中渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距來實(shí)現(xiàn)對并網(wǎng)后的風(fēng)電機(jī)組功率波動抑制。不過其缺點(diǎn)是，該法的調(diào)節(jié)范圍有限且不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用。二是通過給風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)，可在利用風(fēng)能最大化的基礎(chǔ)上有效抑制其所帶來的功率的隨機(jī)性和波動性。但是當(dāng)今的儲能裝置成本高，還不能進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。下面簡要的介紹以上所提到的基于各種儲能技術(shù)抑制風(fēng)電功率波動方法，并做簡要的比較。1）蓄電池儲能技術(shù)。該技術(shù)系統(tǒng)主要由三相PWM 變流器、DC-DC 變流系統(tǒng)、蓄電池組以及性能監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，經(jīng)仿真研究確認(rèn)該裝置能夠?qū)︼L(fēng)電并網(wǎng)所帶來的功率波動進(jìn)行快速有效的抑制，且注入電網(wǎng)的諧波較少。2） 超級電容儲能裝置。該裝置可根據(jù)客戶需求因地制宜進(jìn)行設(shè)計，使其能夠滿足風(fēng)電場的功率需求。當(dāng)風(fēng)電場功率超出電網(wǎng)功率參考值時，功率超出的部分可由電容吸收；當(dāng)風(fēng)電場輸出功率不夠時，電容可釋放功率，來降低風(fēng)電功率波動所帶來的影響。3）超導(dǎo)磁儲能（SMES）技術(shù)。該技術(shù)基于頻率和電壓調(diào)節(jié)，并引入可快速補(bǔ)償系統(tǒng)的不平衡功率的控阻尼元件，使其穩(wěn)定性得以提高。4）飛輪儲能技術(shù)。該技術(shù)裝置是在分析飛輪運(yùn)行原理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出的，并聯(lián)在永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)。5）超級電容器—蓄電池混合儲能技術(shù)。該技術(shù)綜合超級電容器和蓄電池儲能的特點(diǎn)，構(gòu)建出并聯(lián)在風(fēng)電場出口處的混合儲能系統(tǒng)。該技術(shù)由于引入超級電容，進(jìn)而提升其輸出功率，優(yōu)化蓄電池充放電功率，減少充放電循環(huán)次數(shù)。6）釩液流儲能電池儲能裝置。該裝置是利用釩液流電池充放電過程中內(nèi)部電抗的變化規(guī)律，構(gòu)建相應(yīng)模型，并與AC/DC 變換器功率解耦控制功能相結(jié)合得到的。7）模糊自適應(yīng)的混合儲能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理：當(dāng)風(fēng)電功率大于目標(biāo)值時，混合儲能系統(tǒng)存儲多余功率; 反之，儲能系統(tǒng)放電， 補(bǔ)償功率的缺額，再結(jié)合模糊自適應(yīng)控制策略來對裝置的充放電進(jìn)行優(yōu)化控制，最終達(dá)到平抑風(fēng)電功率波動的目的。

3 結(jié)語

通過參閱這些關(guān)于風(fēng)電功率波動抑制的文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)除對波動較大的風(fēng)能拋棄來保證風(fēng)電安全上網(wǎng)的觀點(diǎn)外，其余的是圍繞儲能裝置改進(jìn)來提高對風(fēng)電并網(wǎng)功率波動抑制的效果。在這些文獻(xiàn)中主要是基于儲能技術(shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)電場的輸出功率，其抑制風(fēng)電輸出功率波動的效果如何，就要看采取的何種儲能技術(shù)和何種的控制技術(shù)。由以上幾種儲能裝置對風(fēng)電功率波動抑制的效果來看，通過比較可知采用混合儲能的儲能裝置結(jié)合模糊自適應(yīng)控制所構(gòu)成的系統(tǒng)對風(fēng)電功率波動抑制效果比較好，比較明顯，具有一定的實(shí)用價值。不過，這些改進(jìn)仍然存在許多不足和值得探討的地方，比如剛才所說的混合儲能結(jié)合模糊自適應(yīng)控制的系統(tǒng)就存在如何將電池模型理想化為容量較大的電容器和相關(guān)理論不完善這2 個問題。由于所參考文獻(xiàn)畢竟有限，還有一些其他類型的未包含在內(nèi)，以后還需要更進(jìn)一步的歸納和探討。

【參考文獻(xiàn)】

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