王建平
沈阳世杰电器有限公司，辽宁 沈阳 110000
摘要：电力系统通过系统运行状态分析为风电场爬坡控制提供动态爬坡限制指标；风电场根据风电爬坡事件、风电实时功率与储能运行状态优化计算储能系统总功率指令；储能系统接受风电场爬坡控制器计算得到的总功率指令并根据各储能单元状态优化分配总功率指令，同时实时反馈储能系统能量状态给风电场爬坡控制器完成爬坡控制优化。基于此，本文主要对储能技术辅助风电并网控制的应用进行分析探讨。
关键词：储能技术；风电并网控制；辅助应用
1储能辅助风电并网控制
针对各电网的并网导则提出的风电并网要求，除了改进风机控制策略之外，增加储能系统用以辅助风电并网控制成为了有效手段之一。储能技术由于具有对功率和能量的时间迁移能力，且具有控制灵活和响应快速的特点，能有效改善常规发电静态出力特性及风力发电动态响应特性。在全球范围内有许多风电场配备了储能系统示范工程，以增强风电并网的充裕性与稳定性。储能系统在风电场侧的主要作用就是辅助风电场实现并网导则中的相关技术规定。根据能量转换形式的不同，常见的储能技术可以分为机械储能、电磁储能、化学储能和相变储能。根据技术特点，储能技术可分为功率型储能和能量型储能。
1.1储能辅助风电有功功率与频率控制
目前，对风电功率进行控制的方法主要有风力发电改进控制和储能系统辅助控制两类。根据风电场自身的技术特性，通常以利用桨距角控制和停机等手段降低当前有功功率为主。与风力发电改进控制相比，储能系统能够通过灵活控制吸收或释放功率实现对风电场有功功率的控制，且不需要改变已并网的风电机组控制方式。
为了控制风电并网功率的波动性和不确定性、满足并网导则对风电有功功率不同时间尺度的要求，储能系统需要在实时功率和可用容量两个方面满足控制要求。对于短时间尺度、大功率幅值的风电功率波动，储能系统需要提供响应快速、功率较大的交换功率。功率型储能技术具有功率密度高和响应速度快的特点，适用于风电有功功率短时控制，包括超级电容器、超导磁储能、钠硫电池、飞轮储能等。而当风电发生剧烈的爬坡事件时，储能系统需要在较长时间内持续吸收或释放功率，此时储能系统必须能提供一定的可用容量以满足控制要求。能量型储能技术具有较高的容量密度、较长的额定功率充放电时间，可提供充足的能量满足
风电爬坡事件期间的有功功率调节需求。常见的能量型储能技术包括锂电池、铅酸电池、液流电池、压缩空气和抽水蓄能等。因此，多类型储能系统协调互补，共同解决风电并网有功功率控制问题成为了一种研究趋势。
在实现有功功率辅助控制时，储能系统的安装位置可分为两种。最普遍的方式为将储能系统通过DC/AC电力电子变流器连接至风电场并网点(pointofcommoncoupling，PCC)，以实现储能系统与风电场的联合输出功率满足电网的并网导则技术规定；另一种是将储能系统连接至双馈感应风机(doublyfedinductiongenerator，DFIG)背靠背变流器中的直流母线上。由于电化学储能主要以直流形式进行充放电，因此该方式仅需要通过DC/DC变流器即可实现储能系统对风电有功功率的调节控制。
由于风电场内部数十台乃至上百台风电机组的运行工况不尽相同，其可用于虚拟惯量控制以实现频率响应的转子动能也不同，需要较为复杂的协调配合。另外，在系统扰动清除后，风电机组需要尽快恢复至最优转速，短时间内大量机组的转速恢复容易导致系统的二次频率跌落。桨距角控制调节能力较强，调节范围较大，但是由于其执行机构为机械部件，因而响应速度较慢；且桨距角的频繁变化容易加剧机组的机械磨损，缩短使用寿命、增加维护成本。因此，风电机组自身的频率响应能力存在一定的局限性。储能系统具有功率响应快速的特点，可以简单有效地辅助风电场实现频率响应。
常用的储能技术主要包括超导磁储能、超级电容器等功率型储能技术。
随着系统对风电吸纳能力的逐渐提升，风电的短时小幅波动对系统的影响逐渐减小。而剧烈爬坡事件由于持续时间长、波动幅度大，对系统的功率平衡冲击较大，影响较强。因此，未来风电有功功率控制的研究趋势之一是基于风电爬坡事件驱动和考虑系统运行状态的风电有功功率优化控制。
1.2储能辅助风电无功功率与电压控制
随着风电开发规模的不断扩大，风电场无功功率的波动对局部地区电压稳定、无功平衡的影响日益增大。对风电场无功功率的传统控制手段主要包括无功补偿电容器、静止无功发生器(staticvargenerator，SVG)、静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)、静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)、风机无功功率控制、风电场变压器分接头调整以及多种手段协调控制等。
储能系统具有灵活的四象限运行特性，可根据需要快速灵活地进行双向无功功率、双向有功功率交换。另外一种研究思路是将储能系统与传统的无功补偿设备相结合，以提高风电场无功功率的控制能力。未来研究的趋势之一是将风电场中配置的储能系统进行有功功率控制和无功功率控制相结合的复合控制，根据风电场和电网不同运行状态和故障状态下的控制需要，协调储能系统的有功功率输出和无功功率输出。这种应用方案可以进一步提高储能系统的利用效率，从而降低单一应用储能的经济成本。
2储能辅助风电故障穿越控制
以低电压穿越为例，风电机组实现LVRT运行的基本要求包括：确保风电机组各部件安全、可靠地不脱网持续运行；充分利用机组的功率容量向电网提供无功功率支撑。DFIG实现低电压穿越最常用的方法是采用电阻短接转子绕组来旁路转子侧变流器，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，即撬棒电路。撬棒电路将电压穿越过程中直流环节上过剩的能量通过卸荷电阻进行消耗，但存在效率较低，系统发热增加，造成散热设计困难等问题。且撬棒电路投入后，转子侧变流器闭锁，无法实现对DFIG的有功、无功功率控制。此时DFIG相当于一台传统的异步发电机，开始向电网吸收无功功率，会加剧电网电压的跌落，阻碍故障消除后电压的恢复。
在风电场配备储能系统，除在稳态运行中能平抑风电机组有功功率输出的波动外，在电网发生故障时还能增强风电机组的故障穿越能力。通过储能系统将多余的能量存储起来，可以快速地控制直流母线电压，实现风机的低电压穿越，同时在故障后将吸收的能量逐渐释放到电网中，避免了能量的浪费。常见的辅助风电故障穿越的储能类型包括超级电容储能、飞轮储能、电池储能、超导磁储能等。
另一种方式是通过补偿设备提高并网风电场的电压水平，使风电机组不脱网运行。随着风电机组制造水平的不断提高，新型风电机组的低电压穿越能力也日益提高。储能辅助风电故障穿越控制的未来研究趋势主要包括以最小的成本改造原本不具备故障穿越能力的机组和改善风电机组高电压穿越能力等。
结语
综上所述，储能系统在辅助风电并网控制中有着广泛的应用前景。除了储能技术自身的发展使其进一步降低成本外，探索更多的适用场景以扩大应用面、改善控制算法以降低储能容量需求、优化储能系统能量管理策略以延长其运行寿命、对储能系统进行多重功能复用以提高其利用效率是未来研究的主要方向。
参考文献
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