大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化方案

21ic智能電網(wǎng)：為減少大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率不穩(wěn)定給系統(tǒng)頻率造成的較大影響，在Matlab平臺(tái)中仿真了風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速變化的規(guī)律，以風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率分布函數(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種計(jì)算大型風(fēng)電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輸出所需儲(chǔ)能容量的方法，并用實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性，以期為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)提供決策參考。

0 引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式。風(fēng)力發(fā)電作為一種特殊的電力，其原動(dòng)力是風(fēng)。自然界風(fēng)的變化是很難預(yù)測(cè)的，風(fēng)速和風(fēng)向的變化影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的不穩(wěn)定性使風(fēng)力發(fā)電具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點(diǎn)。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-2]、電能質(zhì)量[3-6]的影響不容忽視，如果這些問(wèn)題得不到適當(dāng)?shù)奶幚?，不僅會(huì)危及負(fù)荷端用電，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)崩潰，而且會(huì)制約風(fēng)能的利用，限制風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模。

我國(guó)《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》[7]指出，在“十一五”期間全國(guó)將重點(diǎn)建設(shè)約30個(gè)10萬(wàn)kW以上的大型發(fā)電場(chǎng)和5個(gè)百萬(wàn)kW 級(jí)風(fēng)電基地。大型風(fēng)電并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)頻率產(chǎn)生一定影響。風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化輸出[8]是保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要技術(shù)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[9]用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)輸出功率補(bǔ)償，具有儲(chǔ)能密度大、充放電速度快且無(wú)環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]仿真研究了串并聯(lián)型超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，具有高功率密度、高充放電速度、控制簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[11]研究了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量方面的應(yīng)用情況，具有快速的功率吞吐率和靈活的4 象限調(diào)節(jié)能力。

文獻(xiàn)[12-14]對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置(superconducting magnetic energy storage，SMES)在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用作了深入研究，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性、4 象限運(yùn)行能力和無(wú)損儲(chǔ)能等優(yōu)勢(shì)。

儲(chǔ)能技術(shù)在并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用已被廣泛研究，相關(guān)學(xué)者正努力攻克大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，并不斷降低單位儲(chǔ)能成本。目前，容量為5GW.h 的SMES已通過(guò)可行性分析和技術(shù)論證[15]。不過(guò)，按現(xiàn)有的儲(chǔ)能方式，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終以最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方式運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷較輕(如夜間)時(shí)，部分電能被儲(chǔ)存，當(dāng)負(fù)荷重且遇到弱風(fēng)時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備中的能力被轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行補(bǔ)償，這時(shí)因?yàn)殡娋W(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)特性往往并不與風(fēng)電功率的波動(dòng)特性一致，仍存在如何合理選取儲(chǔ)能容量大小的問(wèn)題。另一種辦法是降額發(fā)電，即在正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)不按照最大功率點(diǎn)跟蹤的方式運(yùn)行，而是按最大功率的一定百分比發(fā)電，當(dāng)風(fēng)力下降或上升時(shí)，相應(yīng)地提升或降低發(fā)電能力，以減緩發(fā)電量的隨機(jī)波動(dòng)。這種方法直接影響了風(fēng)能利用的效率，大大降低了運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)，且調(diào)節(jié)能力有限。

本文將以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率密度曲線為基礎(chǔ)，研究大型風(fēng)電場(chǎng)要達(dá)到長(zhǎng)期有功功率穩(wěn)定輸出所需儲(chǔ)能能量的計(jì)算方法，合理選取儲(chǔ)能容量使風(fēng)電場(chǎng)輸出功率均勻，風(fēng)能利用率最大。

1 風(fēng)電場(chǎng)輸出功率隨風(fēng)速的變化情況

電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)的直接原因是發(fā)電機(jī)輸入功率和輸出功率之間不平衡。在傳統(tǒng)的水電、火電發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，原動(dòng)機(jī)功率是恒定不變的，這取決于本臺(tái)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)和調(diào)速器的特性，是相對(duì)容易控制的因素;發(fā)電機(jī)電磁功率的變化不僅與本臺(tái)發(fā)電機(jī)的電磁特性有關(guān)，更取決于電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性，是難以控制的因素，也是引起電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)的主要原因[16]。然而在含有大型風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)中，原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)頻繁，難以預(yù)測(cè)，為便于研究，需要將負(fù)荷設(shè)為恒定值(或認(rèn)為其波動(dòng)由傳統(tǒng)機(jī)組平衡)，來(lái)探討風(fēng)電場(chǎng)因風(fēng)速波動(dòng)給系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來(lái)的影響。

本文在Matlab7.6 的Simulink 平臺(tái)中搭建了圖1 所示的含大型風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模擬由50臺(tái)容量為1.5MW 雙饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)并聯(lián)電容補(bǔ)償容量為150kvar，這些發(fā)電機(jī)通過(guò)690V/10kV變壓器升壓后再經(jīng)10kV/220kV升壓變壓器接入系統(tǒng)。本文采用Matlab7.6/Simulink7.1中雙饋異步發(fā)電機(jī)的平均模型。該模型用程控電壓源代替絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電壓源換流器，它不產(chǎn)生諧波，仿真時(shí)間更長(zhǎng)，有利于研究風(fēng)速變化后風(fēng)電機(jī)組出力的變化規(guī)律。

當(dāng)t=15s時(shí)，用這個(gè)模型對(duì)風(fēng)速分別從11m/s降至9m/s 和3m/s 的過(guò)程進(jìn)行仿真，風(fēng)電場(chǎng)出力的變化情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出：當(dāng)風(fēng)速下降幅度不大(11m/s降至9m/s)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組有功輸出非線性下降，約15s后穩(wěn)定;如果下降到啟動(dòng)風(fēng)速以下，則有一個(gè)輸出功率快速減少的過(guò)程，輸出功率下降更快(歷時(shí)約8s)。在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)速不可能只是呈現(xiàn)單一的減小變化，而是經(jīng)常上下波動(dòng)，這就使風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)頻繁，從而使電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)頻繁。

2 風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動(dòng)力數(shù)學(xué)模型為：

式中：PM為風(fēng)電機(jī)額定功率;ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù);R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑;Vω為注入風(fēng)速;λ為葉尖速比;β為槳距角。

風(fēng)電場(chǎng)中上百臺(tái)風(fēng)力機(jī)布置在一起，一些風(fēng)力機(jī)將處于其它風(fēng)力機(jī)的尾流中，風(fēng)力機(jī)的性能會(huì)受到影響，這會(huì)影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)總的有功功率輸出[17]。受尾流效應(yīng)的影響，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率呈現(xiàn)出方向性。因此合理布置風(fēng)力機(jī)，可以盡量減小風(fēng)力機(jī)尾流的影響，提高風(fēng)電場(chǎng)效率，使風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。相關(guān)研究結(jié)果[17]表明：在平坦地形的風(fēng)電場(chǎng)中布置風(fēng)力機(jī)時(shí)，可沿順行方向菱形排列風(fēng)力機(jī)，前后排風(fēng)力機(jī)錯(cuò)開(kāi)布置，間距可取風(fēng)力機(jī)直徑的8~10 倍，風(fēng)力機(jī)左右間距可取風(fēng)力機(jī)直徑的2~3 倍，這樣可以很好地減小風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的影響。