大型并網(wǎng)風(fēng)電場儲能容量優(yōu)化方案

另外，風(fēng)電場一般占地上百平方公里，在這樣大的面積中，各臺風(fēng)機(jī)受風(fēng)不可能一樣，這也會影響風(fēng)電場出力。不過，目前采用的數(shù)學(xué)模型基本上是假設(shè)風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速相同，把所有風(fēng)電機(jī)組的輸出功率相加作為風(fēng)電場的輸出功率，同時不考慮風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速的變化。

本文不考慮尾流效應(yīng)和風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)機(jī)受風(fēng)不均的影響，采用Matlab7.6/Simulink7.1 模型庫中的風(fēng)力機(jī)模型，該風(fēng)力機(jī)模型的功率特性如圖3所示。

圖中槳距角為0°，風(fēng)速基值為11m/s時，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速–功率特性曲線為：

f (v) =−0.49v10−10.16v9+91.26v8−300.68v7+518.45v6 −506.49v5+273.98v4-73.71v3+9.16v2−0.32v+0.0043

3 風(fēng)電場風(fēng)速的概率分布

目前，已有許多學(xué)者采用不同的數(shù)學(xué)算法對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速預(yù)測越精確，越有利于對含并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。但實際上對幅值波動和時間間隔較小的風(fēng)進(jìn)行精確預(yù)測是很困難的，可以根據(jù)氣象信息推斷某個時間段(數(shù)h)內(nèi)風(fēng)電場有風(fēng)還是無風(fēng)。從常年的風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，風(fēng)電場風(fēng)速變化符合統(tǒng)計規(guī)律。圖4給出了某風(fēng)電場2006年全年風(fēng)速概率分布柱狀圖，根據(jù)圖4擬合出的8階曲線概率分布曲線如下：

q(v) = −1.75e−11v8 −9.88e−11v7 +1.44e−7v6−8.44e−6v5+2.13e−4v4 −0.0026v3 +0.0126v2-0.004v+0.0114

4 風(fēng)電場儲能容量優(yōu)化方案

充分利用風(fēng)能，以最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效能、減少傳統(tǒng)能源的消耗成為風(fēng)電廠建成后的首要目標(biāo)。然而，從上述仿真分析可以看出，風(fēng)速的變化給風(fēng)電機(jī)組的出力帶來了很大影響，但電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的客觀規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向用戶提供電壓、頻率合格的優(yōu)質(zhì)電力。要達(dá)到保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行且最大化利用風(fēng)能這個目標(biāo)，必須運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術(shù)已不存在技術(shù)瓶頸，只是儲能成本過高，研究如何用最小的儲能裝置實現(xiàn)風(fēng)電場長時間穩(wěn)定輸出是一個有意義的課題，具體步驟如下：

1)根據(jù)風(fēng)速概率密度曲線計算風(fēng)電場輸出功率的數(shù)學(xué)期望，其計算公式為：

式中：f(v)為風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù);q(v)為風(fēng)電場風(fēng)速概率密度函數(shù);vin、vn 和vout分別為切入、額定和切出風(fēng)速。

2)將上述計算得到的輸出功率期望值設(shè)定為風(fēng)電場平均功率水平。

3)找出與平均功率水平對應(yīng)的風(fēng)速值V1，該值比風(fēng)電機(jī)額定風(fēng)速小。

4)以風(fēng)速V1為基準(zhǔn)值，如果風(fēng)速大于V1，則風(fēng)電場按V1對應(yīng)的有功功率輸出，將超出的部分能量用儲能設(shè)備儲存起來;如果風(fēng)速小于V1，則風(fēng)電場仍按V1對應(yīng)的有功功率輸出，不足的能量由儲能設(shè)備補足。

5)用S=EH計算儲能設(shè)備容量，其中H為啟動風(fēng)速以下期望風(fēng)電場持續(xù)輸出的小時數(shù)。對儲能設(shè)備容量進(jìn)行取值時需考慮多方面的因素，主要有氣象部門能提供的較準(zhǔn)確的持續(xù)大風(fēng)或無風(fēng)小時數(shù)(本文認(rèn)為氣象部門預(yù)報數(shù)h內(nèi)無風(fēng)的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)大于預(yù)報風(fēng)速的實時變化)、建設(shè)風(fēng)電場需承擔(dān)的儲能設(shè)備成本、風(fēng)電場在電網(wǎng)中的比重及電網(wǎng)調(diào)頻能力。

6)風(fēng)速長時間低于啟動風(fēng)速時，調(diào)度部門應(yīng)提前做好準(zhǔn)備，應(yīng)對風(fēng)電場無輸出功率的情況。

7)實現(xiàn)多個風(fēng)電場配合互補可以在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少儲能容量。

5 儲能容量優(yōu)化方案的可行性分析與討論

按式(2)計算得E=0.59pu，這表明1個100MW風(fēng)電場經(jīng)計算后得出的期望值為59MW，調(diào)度中心可將此風(fēng)電場看成是一個裝機(jī)容量為59MW的發(fā)電廠。

H的選擇主要由氣象部門預(yù)測無風(fēng)(啟動風(fēng)速以下)的準(zhǔn)確度決定，如果風(fēng)電在系統(tǒng)中的比重不大、系統(tǒng)調(diào)頻能力較強或風(fēng)電建設(shè)成本不允許，則H可取一個較小的值，否則要取大一些，以保證風(fēng)電場有持續(xù)穩(wěn)定輸出的能力。H可在風(fēng)電場規(guī)劃期由設(shè)計單位綜合考慮。如H 取5h時，一個10萬kW級風(fēng)電場應(yīng)裝設(shè)的儲能容量為59 MW×5h=295MW.h。

現(xiàn)以該儲能備用容量值代入風(fēng)電場進(jìn)行檢驗，除去風(fēng)速持續(xù)小于風(fēng)電機(jī)切入風(fēng)速值5h以上的數(shù)據(jù)。圖5給出了風(fēng)電場在2006年3月份的儲能容量和風(fēng)電場輸出功率。

由圖5可以看出，裝設(shè)儲能設(shè)備后風(fēng)電場能在相當(dāng)長的時間內(nèi)持續(xù)保持穩(wěn)定輸出，但仍有個別時間段不能實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是因為當(dāng)風(fēng)電場持續(xù)低風(fēng)速后，儲能設(shè)備中的容量已經(jīng)用完，而風(fēng)況并沒有好轉(zhuǎn)，這時只能有多少風(fēng)力發(fā)多少電。

按照上述方式儲能，從系統(tǒng)側(cè)看去，風(fēng)電場處于“降額發(fā)電”狀態(tài)(按最大功率的59%發(fā)電)，而實際上風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍是全額發(fā)電，只是將59%的有功功率直接發(fā)出，將多出的部分儲存起來。較理想的情況是儲能容量數(shù)值在0到最大值間來回波動，這說明儲能設(shè)備一直處在不斷充電和放電的動態(tài)過程中。如果儲能值持續(xù)為0或最大，則表示儲能容量不夠或是有風(fēng)能浪費。圖5中有一段時間儲能值一直最大，這說明在2006年3月份有幾天風(fēng)速特別大，儲能設(shè)備處于充滿狀態(tài)，不過這種情況的預(yù)知性較強，可調(diào)高風(fēng)電場平均出力來避免造成風(fēng)資源的浪費。

如果風(fēng)電場所處地理位置的風(fēng)具有季節(jié)性，可根據(jù)季度風(fēng)速概率密度曲線調(diào)節(jié)風(fēng)電場輸出功率期望值。如果某風(fēng)電場夏季強風(fēng)持續(xù)時間長，則該季風(fēng)電場應(yīng)多出力。如果冬季風(fēng)況不好，則要降低出力。