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第34卷第13期Vol.34No.13
2010年7月10日July10,2010

基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制

毕大强1,葛宝明2,王文亮2,柴建云1
(1.电力系统国家重点实验室,清华大学电机系,北京市100084;2.北京交通大学电气工程学院,北京市100044)

摘要:随着风力发电并网容量的增加,风电场功率波动对电网的影响越来越大。为提高风电场并
网运行的稳定性,在其出口处增加新型环保钒氧化还原液流电池(VRB)储能系统,以有效调节并
网功率。根据VRB的等效数学模型,分析了VRB荷电状态与端电压之间的变化特点,采用一级
双向DC/AC变换器作为VRB储能系统的功率调节器,设计了相应的充放电控制与能量管理策
略,并对具有VRB储能单元的风电场并网系统进行了建模和仿真。仿真结果表明,在风速波动的
情况下,采用VRB储能系统能够快速、有效地平滑风电场输出的有功功率波动,并可为电网提供
一定的无功支持,有效地改善了风电场的并网运行性能。
关键词:储能;风电场;功率波动;钒氧化还原液流电池

0引言运行状态的方法来平滑其输出功率,但该方法对功
率调节能力有限。文献[3]通过在全风速范围内结
风力发电作为可再生能源发电中最具有大规模
合变桨距和变速控制来平滑发电机输出有功功率,
开发条件和商业化前景的发电方式,其技术发展迅
但该方法不能最大效率地利用风能。文献[425]采
猛,应用日趋成熟,已由小容量离网型发展为大规模
用并联静止无功补偿装置调节无功波动,维持风力
并网型。风力发电机组的输出功率取决于风速,而
发电电网接入点电压的稳定,但不能平滑有功功率
风速具有间歇性和随机波动特性,导致风力发电机
波动。
组的输出功率波动较大,随机波动的功率接入电网
储能技术的发展为风力发电大规模并网及改善
会影响电网运行稳定性和电能质量[1]。研究表明,
风力发电性能提供了一种有效途径,储能既可平滑
如果风电装机占电网容量的比例达到20%以上,电
有功功率波动又可调节无功功率在很大程度上解
网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。国内已,,
决了风力发电的随机性和波动性问题[627]。储能技
经出现因为风电功率波动超出了火电调峰能力范围
术主要分为物理、电磁、化学储能三大类型。物理储
而对风电采取拉闸限制并网的现象。另一方面,由
于中国风能资源最丰富的地区主要分布在华北、西能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储
能包括超导、超级电容储能;电化学储能包括铅酸、
北、东北和东南沿海等偏远地区,绝大部分处于电网
镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能。文献
末梢,电网建设相对薄弱,伴随着风场的建设,为调
研究了电池储能系统在改善并网风电场电能质
节控制风电的不稳定因素和提高保障电网稳定性,[8]
量和稳定性中的应用但没有考虑具体的电池特点
周围需要配套建造一些火电厂,其实这样有违大力,;
发展风电等清洁能源的初衷。文献[9]提出利用飞轮储能系统提高并网风电场的
电能质量和稳定性文献利用超导储能系统
随着国内GW级风电场的建设、风电装机容量;[10211]
可平滑风电输出功率波动文献利用超级电
的不断提高和风力发电规模的不断增大,越来越多;[12213]
容调节并网风电场的输出功率。抽水蓄能和压缩空
的大中型风电场相继直接并网运行,风力发电在电
气储能虽具有规模大、能量转换效率高、循环寿命长
力系统中所占的比重将越来越大,风电场输出功率
的波动性给电网运行带来的不利影响亟待解决。和运行费用低等优点,但需要特殊的地理条件,建设
目前,已提出了多种方法来解决风电场输出功的局限性较大,且一次性投资费用也较高。飞轮储
率波动的平滑。文献[2]采用直接调节风力涡轮机能、超级电容器、燃料电池及超导储能在蓄电容量和
价格等方面的限制使其不适用于大规模蓄电场合。
收稿日期:2010203205;修回日期:2010205219。目前大规模蓄电主要采用铅酸蓄电池,虽具有技术
台达电力电子科教发展计划基金资助项目成熟、价格低廉、安全性能相对可靠的优点,但仍存
(DREG2009006)。在循环寿命较短、不可深度放电、其容量与放电的功

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·绿色电力自动化·毕大强,等基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制

率密切相关、运行维护费用高等缺点,很难满足大规1.2VRB的等效电路与数学模型[18219]
模蓄电发展的要求。VRB等效电路如图2所示。考虑到VRB的物

相对其他储能电池(如铅酸电池、钠硫电池等),理和数学特性,该电池模型采用以下等效:①SSOC代
钒氧化还原液流电池(VRB)具有许多优点[14215],如表活性化学物质数量,被等效成一个动态更新的变

规模大、寿命长、响应快、低维护、在室温下运行、材量;②电池堆电势被等效成一个受