储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析.pdf

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睁◎i幽黝j储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析U‰丁题驴j工袁小明，程时杰，文劲宇引言大规模风电并网基本问题摘要：在大规模风电集中并网的电力系统中，风力发电不同于常规发电的静态出力特性和动态响应特性给电力系统供电的充裕性及运行的安全稳定性带来新的重大挑战。各种储能装置由于具有对功率和能量的时间迁移能力，是改善常规发电静态出力特性及风力发电动态响应特性的有效手段。文中阐述了应用储能装置解决大规模风电并网问题的基本思路，并就目前储能技术大规模应用所面临的问题及前景进行了展望。关键词：储能；风力发电；动态响应特性；静态出力特性；供电充裕性；运行稳定性作为目前最经济和最成熟的一种可再生能源发电技术，风力发电吸引了几乎所有致力于可再生能源利用国家的广泛关注。近十年来，风力发电在国内发展迅速，去年国内风电机组的新装机容量位居世界第1位，是全世界所有其他国家风电机组新装机容量的总和。风力是风电机组的原动力，风速是决定风力大小的最重要因素。众所周知，波动性大和不确定性程度高是风速变化的固有特点，这些特点必然导致风电机组出力的大波动和高不确定性。在规模化风电机组集中接入的电力系统中，风电机组出力变化的这些特点会直接影响到所连电力系统的供电充裕性，同时对电力系统的常规调频、负荷跟踪，以及基荷电源等提出了新的要求。另一方面，由于风电机组不具有参与平抑电网扰动的能力，而且部分风电机组还难以“穿越”所连电网中发生的扰动，这些势必会影响到整个电力系统的运行稳定性。因此，在具有大规模风电集中并网的电力系统中，除了对电网的运行特性提出一些特殊的要求外，也会对风电机组的动态特性提出不同的要求。本文在讨论大规模风电集中并网存在的基本问题的基础上，提出了利用储能技术解决这些问题的基本思路，并进一步讨论了各种储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景和目前存在的主要问题。图1给出了常规火电(以燃煤电站为例)并网和一14一风电(以全功率型机组为例)并网的常用分析模型。图中：SG表示同步发电机；V。为风速；T。。为转子输出的机械转矩；T。为电磁转矩。由图1可以看出，与常规火力发电相比，风力发电在以下2个方面具有完全不同的特点。1)在一次能源及静态出力特性方面，常规火电机组的出力取决于煤、油、天然气等燃料的供给，它们是可人为控制的一次能源，因而是稳定和确定的。但风力发电的出力取决于风能的大小，而风能在发电过程中是不可控的，其波动性和随机性使风电出力的预测结果存在较大的不确定性。图2给出了德国某风电场2004年12月21日至31日的风电机组、风电场和区域风电场群的出力。可以看出，尽管风电场内各风电机组之间和风电场群内各风电场之间的出力波动性有相互平抑的作用，但风电出力仍然表现出很大程度的波动性和不确定性。2)在发电机组的动态出力特性方面，传统发电第37卷第1期电力系统自动化DOI：10．7500／AEPS201210050(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市430074)01收稿日期：2012—10—09；修回日期：2012—12—03。国家自然科学基金重大项目(51190104)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB215104)。^]常规火电和风电的并网分析模型power2013年1月10(a)常规火电机侧网侧变压器传动机模变换模型学模(b)风电图1EtAutomationofElectricSystemsV01．37No．1Jan．10，2013空气动力发电风力比型外部模网格Fig．1Grid-connectedmodelsthermalPower’●andwind
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叁荟一≤nd盈≯如吣o———爻竺≈o———心盘均沪气么■挚a夕繇冀4委os善04霉04、o％0机组具有平抑电网运行中由于运行方式或负荷变化引起的不平衡功率的能力及可以“穿越”电网扰动的能力，因而具有较强的致稳性和抗扰性。然而，风电机组却不同，它们不响应系统中出现的功率不平衡，而且难以“穿越”电网扰动，因而具有弱致稳性和弱抗扰性。图3以单机无穷大系统为例，说明了风电机组运行过程中对电网稳定运行表现出的弱致稳性和弱抗扰性。图中：E。和E。’分别为扰动前后的风电机组电势；Ewi州和EWi。。’分别为扰动前后的电网电势；U酬和U。a’分别为扰动前后的电网电压。由图3(a)和(b)可以看出，锁相同步方式下风电对电网的阻尼弱，风电输出功率不随电网电压相位的变化而变化，易导致电网失稳；由图3(c)和(d)可以看出，弱电网条件下电网对风电的阻尼弱，电网电压相位随风电输出功率的变化而变化，易导致风电失稳。由于含大规模风电的电力系统具有上述基本特点，必然带来这类电力系统安全运行中的供电充裕性问题和运行稳定性问题，以下分析这2个问题的具体内容。1)供电充