李 強(qiáng),袁 越,談定中

(1.河海大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.江蘇省電力公司,江蘇 南京 210024)

在能源安全和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下,技術(shù)成熟、具備規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件的風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)取得飛速發(fā)展.尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),世界風(fēng)力發(fā)電規(guī)模發(fā)展迅猛,總裝機(jī)容量自2000年的1804萬(wàn)kW增至2008年的12119萬(wàn)kW,年均增長(zhǎng)26.88%,且呈現(xiàn)增速逐步加快趨勢(shì)[1].

風(fēng)電是典型的隨機(jī)性、間歇性電源,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)帶來(lái)一系列挑戰(zhàn).風(fēng)電接入電網(wǎng)造成的影響主要有:(a)風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)性使得風(fēng)電成為擾動(dòng)源,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅;(b)電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組受低電壓穿越能力(low voltage ride through,LVRT)限制將自動(dòng)脫網(wǎng),導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行狀況惡化;(c)由于電網(wǎng)承受擾動(dòng)的能力有限,超過(guò)電網(wǎng)容納能力的風(fēng)電將難以消納;(d)風(fēng)電的波動(dòng)性還會(huì)造成系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓波動(dòng),帶來(lái)閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題;(e)作為電源,風(fēng)電接入電網(wǎng)將影響原有電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式,增加系統(tǒng)備用容量的需求,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響.

儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system,ESS)具有動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)釋放的特點(diǎn),能有效彌補(bǔ)風(fēng)電的間歇性、波動(dòng)性缺點(diǎn),改善風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的可控性,提升穩(wěn)定水平.此外,儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置還能有效增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能、增大電力系統(tǒng)的風(fēng)電穿透功率極限(wind power penetration,WPP)、改善電能質(zhì)量及優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

本文首先介紹了儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍,然后對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)及風(fēng)電機(jī)組自身帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上詳細(xì)探討了儲(chǔ)能技術(shù)用于解決相關(guān)挑戰(zhàn)的可行性,最后給出了儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中應(yīng)用的建議.

1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)與應(yīng)用

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式的不同,可以將儲(chǔ)能技術(shù)分為4類(lèi):機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能[2-3].

機(jī)械儲(chǔ)能的典型特征是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行儲(chǔ)存,常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式有3種:抽水蓄能[3-5](pumped hydro storage,PHS)、壓縮空氣儲(chǔ)能[6](compressed air energy storage,CAES)和飛輪儲(chǔ)能[7](flywheel energy storage,FES).電磁儲(chǔ)能的典型特征是將電能轉(zhuǎn)化為電磁能進(jìn)行儲(chǔ)存,常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式有2種:超導(dǎo)儲(chǔ)能[8](superconducting magnetic energy storage,SMES)和超級(jí)電容儲(chǔ)能[9](super capacitor energy storage,SCES).化學(xué)儲(chǔ)能的典型特征是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存,常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式有3種:鉛酸電池[10]、液體電池[11]以及NaS和Li等新型電池[12].

常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方向如表1所示.

表1 常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方向[2]Table1 Common energy storage technologies and their application in power system[2]

2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題

2.1 穩(wěn)定性問(wèn)題

由于受到風(fēng)資源隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性的影響,風(fēng)電場(chǎng)輸出功率會(huì)隨機(jī)變化,因此,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題.由于異步風(fēng)電機(jī)組在啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中需吸收大量無(wú)功,從而導(dǎo)致風(fēng)電接入電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)的電壓波動(dòng),容易引起電網(wǎng)薄弱地區(qū)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題;而在有功備用不足的孤立電網(wǎng)中,過(guò)高比例的風(fēng)電將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)頻困難,頻率穩(wěn)定問(wèn)題突出.

2.1.1 電壓穩(wěn)定性問(wèn)題

風(fēng)電并網(wǎng)引起的電壓穩(wěn)定問(wèn)題,主要包括靜態(tài)電壓穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題.

靜態(tài)電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后,系統(tǒng)電壓保持在允許的范圍內(nèi),不發(fā)生電壓崩潰的能力.靜態(tài)電壓穩(wěn)定通常借助電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)來(lái)衡量.當(dāng)風(fēng)電接入電網(wǎng)后,若風(fēng)電場(chǎng)吸收無(wú)功,則風(fēng)電場(chǎng)的容量越大系統(tǒng)的無(wú)功裕度越小,靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題越突出.文獻(xiàn)[13]從靜態(tài)電壓穩(wěn)定的角度探討了風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,分別采用V-Q分析法、靈敏度分析法和模態(tài)分析法對(duì)一個(gè)6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,隨著風(fēng)電容量的增加,系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備逐漸減小.文獻(xiàn)[14]結(jié)合實(shí)際電網(wǎng),研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組(double fed induction generator,DFIG)和定速異步風(fēng)電機(jī)組引起的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題,結(jié)果表明,定速異步風(fēng)電機(jī)組需從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功,惡化系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平,而DFIG能夠吸收或發(fā)出無(wú)功,暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性遠(yuǎn)優(yōu)于普通異步風(fēng)電機(jī)組.

動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析需要考慮電網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下,電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓變化情況.文獻(xiàn)[15]采用線(xiàn)路故障極限切除時(shí)間為風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo),分別研究了恒速和變速風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性,結(jié)果表明,隨著風(fēng)電場(chǎng)接入容量的增大,系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平明顯降低,但變速風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性?xún)?yōu)于恒速風(fēng)電機(jī)組.文獻(xiàn)[16]從電網(wǎng)的角度研究了風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題,結(jié)果表明,PCC短路容量越小同一風(fēng)電場(chǎng)接入引起的電壓穩(wěn)定問(wèn)題越突出,風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)輸電線(xiàn)路阻抗比(x/r)越大電壓波動(dòng)越嚴(yán)重.

2.1.2 頻率穩(wěn)定性問(wèn)題

風(fēng)電并網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問(wèn)題主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:(a)有功波動(dòng)帶來(lái)的頻率變動(dòng);(b)風(fēng)電改變系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致頻率波動(dòng)速度的增加.

受風(fēng)速波動(dòng)的影響,風(fēng)電機(jī)組有功輸出也時(shí)刻發(fā)生變化,在備用容量不足的孤立電網(wǎng)中,頻率穩(wěn)定問(wèn)題明顯.文獻(xiàn)[17]基于北愛(ài)爾蘭電網(wǎng)的實(shí)際情況,認(rèn)為風(fēng)電比例增加到系統(tǒng)總?cè)萘康?0%時(shí),旋轉(zhuǎn)備用需在目前的基礎(chǔ)上增加25%,否則難以保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性.

慣性時(shí)間常數(shù)表征發(fā)電機(jī)利用其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能提供額定功率輸出的持續(xù)時(shí)間,慣性時(shí)間常數(shù)越小,旋轉(zhuǎn)動(dòng)能越小,故障期間系統(tǒng)頻率變化越快.DFIG已被廣泛應(yīng)用于新建風(fēng)電場(chǎng),由于DFIG轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的完全解耦控制,使得電網(wǎng)頻率發(fā)生改變時(shí)DFIG無(wú)法對(duì)電網(wǎng)提供頻率響應(yīng),因此,變速恒頻DFIG的固有慣量對(duì)系統(tǒng)的慣性常數(shù)貢獻(xiàn)為0,無(wú)法幫助電網(wǎng)降低頻率的變化速率[15].分別采用DFIG、普通異步機(jī)和同步機(jī)替代風(fēng)電場(chǎng),在系統(tǒng)損失同樣的功率時(shí),DFIG接入電網(wǎng)引起的系統(tǒng)頻率偏移最大[15].

2.2 低電壓穿越問(wèn)題

風(fēng)電機(jī)組的LVRT是指風(fēng)電機(jī)組在PCC電壓跌落時(shí)保持并網(wǎng)狀態(tài),并向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率以支撐電網(wǎng)電壓,從而穿越低電壓區(qū)域的能力[18].PCC的電壓跌落會(huì)使風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生一系列過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)題,危及風(fēng)電機(jī)組的安全,為保護(hù)風(fēng)電機(jī)組免遭損壞,通常電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)解列,不考慮故障的持續(xù)時(shí)間及嚴(yán)重程度.文獻(xiàn)[19]指出,故障發(fā)生時(shí),若大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組同時(shí)從系統(tǒng)解列,電網(wǎng)將失去支撐,可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng),嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行.德國(guó)E.ON電力公司對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求,如圖1所示.

在風(fēng)電比例較高的地區(qū),若風(fēng)電機(jī)組不具備LVRT,電網(wǎng)的瞬時(shí)嚴(yán)重故障將導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)切除,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行.因此,研究如何提升風(fēng)電機(jī)組的LVRT具有重要的理論及應(yīng)用價(jià)值.

2.3 穿透功率極限問(wèn)題

風(fēng)電穿透功率極限fWPP通常定義為系統(tǒng)所能容納的最大風(fēng)電裝機(jī)容量占系統(tǒng)最大負(fù)荷的比例[20],即

圖1 德國(guó)E.ON公司對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組LVRT的要求Fig.1 Requirements for LVRT of wind generator of E.ON Company in Germany

式中:Cmax——系統(tǒng)所能容納的最大風(fēng)電裝機(jī)容量;Lmax——系統(tǒng)最大負(fù)荷.

fWPP主要取決于系統(tǒng)所能容納的最大風(fēng)電裝機(jī)容量.在不同電網(wǎng)或同一電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式下,限制風(fēng)電準(zhǔn)入容量的主導(dǎo)因素不同,因此應(yīng)具體問(wèn)題具體分析.文獻(xiàn)[21]研究了頻率穩(wěn)定為主導(dǎo)因素的WPP問(wèn)題,結(jié)果表明,要使系統(tǒng)的頻率偏差不超過(guò)1%,風(fēng)電裝機(jī)容量不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)火電裝機(jī)容量的5%.文獻(xiàn)[22]通過(guò)對(duì)丹麥等風(fēng)電比例較高的電網(wǎng)研究得出:電網(wǎng)互聯(lián)能有效增大備用水平,提升WPP水平.隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電比例的逐步增長(zhǎng),研究系統(tǒng)如何容納更多的風(fēng)電顯得非常必要.

2.4 電能質(zhì)量問(wèn)題

風(fēng)速的隨機(jī)變化以及風(fēng)電機(jī)組本身固有的塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切、偏航誤差等均會(huì)導(dǎo)致PCC的電壓波動(dòng),進(jìn)而引起閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題,而DFIG等風(fēng)電機(jī)組中的換流器會(huì)產(chǎn)生一定的諧波污染,從而帶來(lái)電壓波動(dòng)與閃變、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題.

文獻(xiàn)[23]基于新疆達(dá)坂城電網(wǎng)研究了風(fēng)電接入所引起的電能質(zhì)量問(wèn)題,結(jié)果表明,在達(dá)坂城接入400MW的風(fēng)電機(jī)組后,達(dá)坂城電網(wǎng)的電壓波動(dòng)與閃變、諧波均能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)(GB12326—2000,GB14549—93)要求,風(fēng)電的接入不會(huì)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響.但相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明,風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定的諧波污染,對(duì)電能質(zhì)量要求較高的地區(qū),風(fēng)電引起的電能質(zhì)量問(wèn)題值得關(guān)注.

2.5 經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題

風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題主要源于風(fēng)電的隨機(jī)間歇性使得電力系統(tǒng)為風(fēng)電提供全容量備用,導(dǎo)致備用容量增加,經(jīng)濟(jì)性降低.此外,在歐洲Nord Pool等電力市場(chǎng)環(huán)境下,風(fēng)電自身可控性差的特點(diǎn)使其參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的時(shí)候缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,難以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益[24].

文獻(xiàn)[25]結(jié)合美國(guó)FCRPS(Federal Columbia River Power System),探討了大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題,認(rèn)為風(fēng)電只能作為負(fù)的負(fù)荷考慮,會(huì)增加系統(tǒng)的備用容量,降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,并提出了采用風(fēng)電-水電聯(lián)合運(yùn)行來(lái)改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的設(shè)想.

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電穩(wěn)定性

增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本措施是改善系統(tǒng)平衡度,儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速吸收或釋放有功及無(wú)功功率,改善系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率平衡水平,增強(qiáng)穩(wěn)定性.

針對(duì)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題,文獻(xiàn)[14]探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)改善電壓穩(wěn)定性并增加系統(tǒng)的風(fēng)電接入容量問(wèn)題,但該文僅對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)做了理想的假設(shè),缺乏有效的動(dòng)態(tài)仿真及理論分析.文獻(xiàn)[26-27]分別探討了利用超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電穩(wěn)定性的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略,結(jié)果顯示,超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)均能有效降低風(fēng)電并網(wǎng)PCC的電壓波動(dòng),平滑風(fēng)電機(jī)組的有功輸出,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

頻率穩(wěn)定性問(wèn)題的研究主要集中在儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電輸出功率方面.文獻(xiàn)[28]研究了采用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)改善頻率穩(wěn)定性問(wèn)題,仿真結(jié)果表明,超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在文中既定的條件下使得系統(tǒng)的最大頻率偏差從0.369Hz降為0.095Hz,有效改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性,且超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越大系統(tǒng)頻率偏差越小.此外,文獻(xiàn)[26,29-30]分別研究了超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑風(fēng)電場(chǎng)有功輸出的性能及相關(guān)控制策略,結(jié)果表明,超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效改善風(fēng)電輸出功率及系統(tǒng)的頻率波動(dòng).文獻(xiàn)[15,31]針對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)了附加頻率控制環(huán)節(jié),分別通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子和風(fēng)輪機(jī)的附加控制,使得DFIG對(duì)系統(tǒng)的一次調(diào)頻有所貢獻(xiàn).針對(duì)這些控制方案將降低風(fēng)電機(jī)組效率的缺陷,文獻(xiàn)[32]提出了采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行,通過(guò)對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制,實(shí)現(xiàn)平滑風(fēng)電輸出功率、參與電網(wǎng)頻率控制的雙重目標(biāo),并通過(guò)仿真驗(yàn)證了方案的可行性.

可以看出:增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要配備快速響應(yīng)能力的儲(chǔ)能系統(tǒng),如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和蓄電池等儲(chǔ)能技術(shù),它們能在暫態(tài)過(guò)程中快速補(bǔ)償功率不平衡量,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性.用于提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的儲(chǔ)能系統(tǒng)通常對(duì)儲(chǔ)能容量的要求不高,但應(yīng)具備短時(shí)釋放或吸收高功率的能力,只有配備合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)及容量并采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗圆拍苋〉米顑?yōu)的效果.

3.2 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組LVRT功能

在風(fēng)電機(jī)組比例較高的電力系統(tǒng)中,LVRT是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一.文獻(xiàn)[20,33-34]比較了有、無(wú)LVRT功能的風(fēng)電機(jī)組在故障情況下的電網(wǎng)電壓恢復(fù)情況,結(jié)果顯示,有LVRT功能的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)能夠有效解決風(fēng)電并網(wǎng)所產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強(qiáng).

LVRT功能實(shí)現(xiàn)的途徑主要有2種[20]:(a)改進(jìn)控制策略;(b)增加硬件電路.改進(jìn)控制策略只能降低電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)過(guò)電壓、過(guò)電流,從能量守恒角度來(lái)看,不可能從根本上解決故障過(guò)程中的暫態(tài)能量過(guò)剩而產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)題,只能在電壓、電流之間達(dá)到較好的一種均衡狀態(tài),減小故障期間過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響,僅適用于故障電壓跌落不十分明顯的狀況[35-36].而增加硬件電路則能從根本上解決風(fēng)電機(jī)組故障期間的過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)題,極大地增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能,尤其是儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入,為這一問(wèn)題提供了較好的解決方案.文獻(xiàn)[34]比較了改善風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的2種措施:(a)在變流器直流部分并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)或在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)增加Crowbar電路,電路如圖2所示;(b)通過(guò)改進(jìn)電機(jī)磁通Flux的控制策略來(lái)控制轉(zhuǎn)子電流.結(jié)果表明,這2種措施均能較好地改善風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能,但增加儲(chǔ)能系統(tǒng)或Crowbar電路具有更好的效果.

文獻(xiàn)[37]研究了STATCOM/BESS(battery energy storage system)用于增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的問(wèn)題,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略,仿真結(jié)果表明,STATCOM/BESS儲(chǔ)能能有效增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能.增強(qiáng)DFIG風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能屬于ms級(jí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,僅有響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為ms級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)方能在電網(wǎng)故障期間迅速吸收多余的能量,保證風(fēng)電機(jī)組不受過(guò)電壓、過(guò)電流的損害,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的目標(biāo).

儲(chǔ)能系統(tǒng)用于增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的研究主要集中在2個(gè)方面:(a)儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇;(b)控制策略的設(shè)計(jì).鑒于LVRT屬于電磁暫態(tài)過(guò)程,為吸收此瞬態(tài)過(guò)程中的多余能量以保護(hù)風(fēng)電機(jī)組免遭損壞,必須選擇快速響應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng),采用合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)配以合理的控制策略才能達(dá)到理想的效果.

3.3 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增加風(fēng)電穿透功率極限

不同電網(wǎng),限制WPP水平的主導(dǎo)因素不同,采用的儲(chǔ)能系統(tǒng)也不同.

文獻(xiàn)[38]探討了采用飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)增加WPP的問(wèn)題,結(jié)果表明,這3種儲(chǔ)能系統(tǒng)都能有效增加系統(tǒng)的WPP,并能改善PCC的電壓波動(dòng)性.文獻(xiàn)[39]結(jié)合新疆電網(wǎng)的實(shí)際情況探討了該地區(qū)WPP的主導(dǎo)因素,計(jì)算結(jié)果表明,在冬季大方式和夏季小方式兩種極端工況下,頻率偏移和線(xiàn)路功率約束是限制WPP的主要因素.

圖2 采用附加電路提升DFIG的LVRT結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of appendix circuit for LVRT of DFIG

可見(jiàn),不同的系統(tǒng)限制WPP的主導(dǎo)因素不同.欲增加系統(tǒng)的WPP,應(yīng)首先確定限制WPP水平的主導(dǎo)因素,根據(jù)主導(dǎo)因素來(lái)尋求解決方案,方能起到良好的效果.

3.4 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高供電電能質(zhì)量

儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高電能質(zhì)量方面的應(yīng)用主要集中在降低電壓波動(dòng)、電壓暫降等方面.

文獻(xiàn)[40]研究了采用DSTATCOM/BESS來(lái)提高電能質(zhì)量的問(wèn)題,結(jié)果表明,該儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的快速有功、無(wú)功功率交換,有效改善電壓波動(dòng)性,改善電壓暫降、電壓電流波形畸變及閃變等,適用于解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題.文獻(xiàn)[27]設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器的串并聯(lián)混合型補(bǔ)償方案,該方案通過(guò)并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與系統(tǒng)的功率交換以平滑風(fēng)電輸出功率,通過(guò)串聯(lián)系統(tǒng)有效改善供電電壓可靠性,抑制電壓暫降.

可以看出,提高電壓波動(dòng)、電壓暫降等電能質(zhì)量主要是短時(shí)功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,需要儲(chǔ)能系統(tǒng)具備ms級(jí)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的能力,因此,選擇超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是比較合適的.

3.5 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性

隨機(jī)波動(dòng)的間歇性風(fēng)電接入電網(wǎng),將導(dǎo)致系統(tǒng)備用容量增加,系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低.合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效解決這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)的雙贏.此外,在電力市場(chǎng)環(huán)境下,風(fēng)電的競(jìng)爭(zhēng)力較差,采用儲(chǔ)能系統(tǒng)配合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行,能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電效益最大化.

風(fēng)電-儲(chǔ)能電站聯(lián)合系統(tǒng)已在西班牙等地得到實(shí)際應(yīng)用.文獻(xiàn)[41-42]通過(guò)對(duì)島嶼電力系統(tǒng)中風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的建模分析,并結(jié)合西班牙Canary島的實(shí)際情況,得出風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略.文獻(xiàn)[43-44]研究了峰谷電價(jià)下風(fēng)電和水電聯(lián)合運(yùn)行最優(yōu)運(yùn)行策略,指出聯(lián)合運(yùn)行能夠取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.文獻(xiàn)[45]探討了峰谷電價(jià)下抽水蓄能配合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的能量轉(zhuǎn)化效益,結(jié)果表明,采用20 MW的蓄能電站配合50MW風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的日能量轉(zhuǎn)化效益達(dá)1.9萬(wàn)～6.6萬(wàn)元,同時(shí)還能有效平抑風(fēng)電輸出功率的波動(dòng),降低風(fēng)電引起的備用容量需求.

可見(jiàn),采用抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效解決風(fēng)電隨機(jī)性帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)備用容量需求增加的問(wèn)題,改善系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.尤其是在電力市場(chǎng)峰谷電價(jià)下,儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電在時(shí)間坐標(biāo)上的平移,使風(fēng)電參與電力調(diào)峰,優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

4 結(jié) 論

a.為增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性,應(yīng)選擇響應(yīng)時(shí)間較快的超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能及飛輪儲(chǔ)能等具備短時(shí)快速功率調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能技術(shù),它們的快速功率響應(yīng)能有效增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

b.為增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能,應(yīng)采用具備ms級(jí)響應(yīng)能力的超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能等電磁儲(chǔ)能技術(shù),它們能快速吸收電磁暫態(tài)過(guò)程中過(guò)剩的能量,保證風(fēng)電機(jī)組的安全.

c.為提高風(fēng)電穿透功率極限水平,應(yīng)根據(jù)限制穿透功率的主導(dǎo)因素來(lái)確定合適的儲(chǔ)能系統(tǒng).若系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性為WPP的主要制約因素時(shí)應(yīng)選用飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等具備快速響應(yīng)能力的短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù),而當(dāng)系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力為主導(dǎo)因素時(shí)則應(yīng)選用抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等大容量長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù).

d.為提高系統(tǒng)供電電能質(zhì)量,應(yīng)選用超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能等具備快速功率交換能力的儲(chǔ)能技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,改善供電電能質(zhì)量.

e.為優(yōu)化風(fēng)電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)選用儲(chǔ)能容量大的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng),如抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等儲(chǔ)能系統(tǒng),通過(guò)能量存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電在時(shí)間坐標(biāo)上的平移,并降低風(fēng)電引起系統(tǒng)備用增加的幅度,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化.

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