淺析風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)抑制的研究

【文章摘要】

隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸提高，為了有效利用風(fēng)能， 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)勢(shì)在必行，風(fēng)電場(chǎng)的出力具有隨機(jī)性，并網(wǎng)時(shí)會(huì)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量帶來(lái)問(wèn)題。本文分析了風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)一些儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動(dòng)抑制的不同方法以及其它抑制功率波動(dòng)的方法，并做了簡(jiǎn)要的比較分析。

【關(guān)鍵詞】

風(fēng)力發(fā)電；功率波動(dòng)；儲(chǔ)能裝置

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源， 其儲(chǔ)藏量豐富，可以為構(gòu)建全球的可持續(xù)能源結(jié)構(gòu)體系作出重要貢獻(xiàn)。因此近年來(lái)世界各地掀起了開(kāi)發(fā)風(fēng)電的熱潮，但隨著風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，其風(fēng)能的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。風(fēng)能所產(chǎn)生的功率帶有隨機(jī)性和波動(dòng)性這個(gè)缺點(diǎn)，給當(dāng)下的電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊越來(lái)越顯著，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大威脅。

對(duì)于怎樣抑制風(fēng)力并網(wǎng)中功率波動(dòng)這個(gè)問(wèn)題的研究，其方法大致分為兩類(lèi)： 直接功率控制即利用調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)其輸出功率，但對(duì)波動(dòng)范圍大的調(diào)節(jié)能力有限；間接功率控制即利用附加的儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)的范圍較寬，效果較好。此外，風(fēng)電機(jī)所產(chǎn)出功率的波動(dòng)成分主要集中在1Hz 以下，尤其在0.01~1Hz 之間對(duì)電力系統(tǒng)沖擊最明顯。結(jié)合上述研究現(xiàn)狀，本文先對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)特性進(jìn)行闡述，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)輸出功率波動(dòng)抑制的可行性研究給出幾種抑制風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動(dòng)的方法，當(dāng)下抑制風(fēng)電并網(wǎng)中功率波動(dòng)的流行的主要方法是利用儲(chǔ)能裝置來(lái)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)抑制，而所用的儲(chǔ)能裝置種類(lèi)有很多，比如蓄電池，超導(dǎo)電容，超導(dǎo)磁，飛輪，釩液流，電池儲(chǔ)能，混合儲(chǔ)能。另外還有人提出對(duì)部分風(fēng)電合理?xiàng)夛L(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電的去風(fēng)電化的觀點(diǎn)，這個(gè)也是值得繼續(xù)深入研究的。本文基于文獻(xiàn)所給的關(guān)于對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率抑制的方法和實(shí)例，進(jìn)行一些比較和分析。

1 電網(wǎng)風(fēng)電功率波動(dòng)特性分析

眾所周知，風(fēng)電利用的能源是風(fēng)能， 而它最顯著的特點(diǎn)是不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電出力具有波動(dòng)性和隨機(jī)性。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)我國(guó)華北電網(wǎng)2010-2011 年的實(shí)測(cè)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出以下特點(diǎn)：夏秋兩季風(fēng)電日平均出力大部分比較集中， 且相對(duì)較小；冬春兩季風(fēng)電日平均出力較分散，同時(shí)日間的風(fēng)電出力增減幅度較大。這個(gè)分析結(jié)果也驗(yàn)證了風(fēng)電出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性。另外還有學(xué)者結(jié)合內(nèi)蒙古風(fēng)電并網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析得出：1）電網(wǎng)在有功方面所能容納的風(fēng)電電量是由電網(wǎng)的峰谷差、調(diào)峰容量和風(fēng)電集聚效應(yīng)這三者來(lái)決定的。2）當(dāng)今僅利用風(fēng)電的短期功率預(yù)測(cè)是不夠的，還需增加新的氣象分析手段。3）從風(fēng)電并網(wǎng)的電量的占比來(lái)看，我國(guó)電網(wǎng)容納風(fēng)電的潛力還很大。

2 電網(wǎng)風(fēng)電功率波動(dòng)抑制方法

目前平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的方法有兩種: 一是直接調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組中渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)后的風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)抑制。不過(guò)其缺點(diǎn)是，該法的調(diào)節(jié)范圍有限且不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用。二是通過(guò)給風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，可在利用風(fēng)能最大化的基礎(chǔ)上有效抑制其所帶來(lái)的功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性。但是當(dāng)今的儲(chǔ)能裝置成本高，還不能進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要的介紹以上所提到的基于各種儲(chǔ)能技術(shù)抑制風(fēng)電功率波動(dòng)方法，并做簡(jiǎn)要的比較。1）蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)系統(tǒng)主要由三相PWM 變流器、DC-DC 變流系統(tǒng)、蓄電池組以及性能監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，經(jīng)仿真研究確認(rèn)該裝置能夠?qū)︼L(fēng)電并網(wǎng)所帶來(lái)的功率波動(dòng)進(jìn)行快速有效的抑制，且注入電網(wǎng)的諧波較少。2） 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置。該裝置可根據(jù)客戶需求因地制宜進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)的功率需求。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率超出電網(wǎng)功率參考值時(shí)，功率超出的部分可由電容吸收；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率不夠時(shí)，電容可釋放功率，來(lái)降低風(fēng)電功率波動(dòng)所帶來(lái)的影響。3）超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）技術(shù)。該技術(shù)基于頻率和電壓調(diào)節(jié)，并引入可快速補(bǔ)償系統(tǒng)的不平衡功率的控阻尼元件，使其穩(wěn)定性得以提高。4）飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)裝置是在分析飛輪運(yùn)行原理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出的，并聯(lián)在永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)。5）超級(jí)電容器—蓄電池混合儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)綜合超級(jí)電容器和蓄電池儲(chǔ)能的特點(diǎn)，構(gòu)建出并聯(lián)在風(fēng)電場(chǎng)出口處的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。該技術(shù)由于引入超級(jí)電容，進(jìn)而提升其輸出功率，優(yōu)化蓄電池充放電功率，減少充放電循環(huán)次數(shù)。6）釩液流儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能裝置。該裝置是利用釩液流電池充放電過(guò)程中內(nèi)部電抗的變化規(guī)律，構(gòu)建相應(yīng)模型，并與AC/DC 變換器功率解耦控制功能相結(jié)合得到的。7）模糊自適應(yīng)的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理：當(dāng)風(fēng)電功率大于目標(biāo)值時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)多余功率; 反之，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電， 補(bǔ)償功率的缺額，再結(jié)合模糊自適應(yīng)控制策略來(lái)對(duì)裝置的充放電進(jìn)行優(yōu)化控制，最終達(dá)到平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)參閱這些關(guān)于風(fēng)電功率波動(dòng)抑制的文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)除對(duì)波動(dòng)較大的風(fēng)能拋棄來(lái)保證風(fēng)電安全上網(wǎng)的觀點(diǎn)外，其余的是圍繞儲(chǔ)能裝置改進(jìn)來(lái)提高對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)抑制的效果。在這些文獻(xiàn)中主要是基于儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，其抑制風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的效果如何，就要看采取的何種儲(chǔ)能技術(shù)和何種的控制技術(shù)。由以上幾種儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)抑制的效果來(lái)看，通過(guò)比較可知采用混合儲(chǔ)能的儲(chǔ)能裝置結(jié)合模糊自適應(yīng)控制所構(gòu)成的系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)抑制效果比較好，比較明顯，具有一定的實(shí)用價(jià)值。不過(guò)，這些改進(jìn)仍然存在許多不足和值得探討的地方，比如剛才所說(shuō)的混合儲(chǔ)能結(jié)合模糊自適應(yīng)控制的系統(tǒng)就存在如何將電池模型理想化為容量較大的電容器和相關(guān)理論不完善這2 個(gè)問(wèn)題。由于所參考文獻(xiàn)畢竟有限，還有一些其他類(lèi)型的未包含在內(nèi)，以后還需要更進(jìn)一步的歸納和探討。

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