储能技术辅助风电并网控制的应用综述

章 凡

国家电投集团湖南娄底新能源有限公司 湖南 长沙 410116

【摘要】在现代生态环境污染日渐严重的新形势下，国家对可再生清洁能源的发展不断加大扶持力度，使得我国能源结构得以进一步优化，2021年双碳政策的出台对新能源发展起到了前所未有的推动作用。在此背景下，我国风电事业蒸蒸日上，风电装机容量也呈现不断增加趋势，其高不稳定性对电力系统的安全稳定性和供电充足性的影响也随之增加。因此，本文就常用储能技术辅助风险并网控制的应用进行研究，旨在发挥储能技术的应用价值，助力于风电事业的发展。

【关键词】储能技术；风电并网控制；双碳；应用

随着能源危机的加剧及对环境问题的高度重视，以光伏、风电为代表的可再生能源在世界各国得到迅速发展。2021年随着碳达峰、碳中和被首次写入政府工作报告，2030年实现碳达峰，2060实现年碳中和，新能源发展前景广阔，我国作为一个风能资源储藏十分丰富的国家，为大规模开发风电提供了支持，然而，风电、光伏具有较强的间歇性和波动性，目前的风光功率预测精度仍不能满足运行要求，大规模风电并网将对电力系统调度控制、运行品质以及系统安全稳定性产生不利影响。为促进可再生能源有效消纳，国家发改委《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》与国家能源局关于印发《完善电力辅助服务补偿（市场）机制工作方案》的通知均表示需要推进储能发展，鼓励储能参与电力辅助服务。这对构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义，继而为风电系统的安全、稳定、高效运行奠定良好的基础。

发展大规模电池储能符合各方利益诉求，一是符合国家能源变革战略发展方向，有利于提高整个社会能效利用水平，有利于清洁能源消纳，有利于提高电网安全稳定水平，提升电网消纳能力；二是符合电网运行效率提升需求，既能平滑负荷曲线，又能提高电网运行可靠性、灵活性以及经济性；三是符合新能源发电侧提高能效水平要求，能够提高并网供电可靠性，又能通过电价政策获得额外收益、降低发电成本。

1.储能技术类型分析

在现代电力系统中，目前存在的主要储电方式可分为三类 ：物理储能（机械储能 ）、电磁储能和电化学储能，具体如下：

（1）化学储能。化学储能是目前种类最多的储能技术，主要为各类储能电池如铅酸电池、裡离子电池、液流电池、钢流电池等等。相比其他储能技术，电池储能系统具有技术成熟度高、储能功率可达ＭＷ级别、试点应用完善、回收处理可循环利用、不受地形环境限制等诸多优势，因而成为当前最具大规模发展潜力的储能技术之一。蓄电池储能技术相比其他技术而言，起步较早，且有着相对成熟的制造技术。风电与高能量密度的蓄电池储能的相结合，能够产生诸多效用，既可以满足高峰负荷用电需求，又可以协助功率补偿装置来提高风电的调度性。

（2）抽水蓄能：是在用电负荷低谷时期将水从下水库抽到上水库，将电能转化成水的重力势能储存起来，在用电负荷高峰期再将上水库中存储的水释放用于发电。抽水储能的释放时间可从几个小时到几天，综合效率在７０％？８５％之间，可用于系统的削峰调谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能是目前世界上技术最成熟，应用最广泛的储能技术。但是抽水蓄能电站的建设在很大程度上受到地形条件的制约，并且当电站距离负荷区域较远时输存在较大的电损耗。

（3）压缩空气储能：在负荷低谷期用电能对空气进行压缩，将压缩的空气密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，而在用电负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。压缩空气储能主要用于电力调峰和系统备用。与抽水蓄能相似，压缩空气储能电站的建设也受地形条件的制约，对地质结构有特殊要求。

（4）超导储能。此储能方式主要使用超导线圈进行电网供电励磁能量的存储，后在有需求的情况下进行磁能向电能的转换，并输入电网或者是直接供电。相比其他储能技术，超导储能优势在于凭借高能量密度、利用率高等特性，使得其可以快速响应负荷用电需求，从而有利于提升风机系统运行的稳定性和高效性。

（5）飞轮储能。风速具有不确定性，风轮响应速度快，可以及时跟踪电气量的波动。在风机输出功能大于负荷功率的情况下，飞轮转子将会加速旋转，毛将电能转化为机械能并存储下来；反之，飞轮会带动电机释放能量，使得风电系统能够实现平稳输出，继而可以保持电力系统的供电稳定性^[1]。

（6）超级电容储能。该储能技术既继承了传统电容释放能量快的优势，又在技术领域进行了创新，有着更高的介电常数，不仅如此，耐压能力、储存容量也在技术创新支持下得以大幅度提升。通常来说，在边防哨所、高山气象站等地区建设风电微电网时，由于偏远因素，往往要选择存储容量较大的储能设施，这种情况下，超级电容储能就有了突出的应用优势，也正因如此，被广泛应用在偏远地区的风电储能系统建设中

^[2]。

根据各种储能技术容量及响应速度等特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能主要用于需要提供较大的脉冲功率的场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量和系统稳定性等；而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适用于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。但是，由于抽水蓄能及压缩空气储能受到地质条件的影响很大，而新型化学储能技术因其容量较大、体积小、能量转换效率高、响应速度快、不受地形条件限制等诸多优势成为可再生能源发展应用领域最具发展潜力的技术之一，这也是本文将化学储能技术确定为研巧对象的一个重要原因。

2.储能技术在风电并网控制中的具体应用分析

在风电并网中，由于风电存在较高的不稳定性，使得风电大规模接入电网系统中，容易出现电能输出不稳定现象，从而影响电力系统的正常运行，直接影响风电事业的进一步发展。因此，在风电并网中加强并网控制具有显著的现实意义，而储能技术应用在风电并网控制中，可以极大地提升风电并网控制效果，继而有利于提升风电系统运行稳定性。关于储能技术在风电并网控制中的应用，总结体现在以下几个方面：

（1）降低风电功率波动。由于风速具有不可控性，且具有瞬变特性，这使得风电输出功能波动在控制上存在较大的难度，这使得风电并网后缺乏较高的稳定性，并且难以保障风电电能质量，还不利于电能调度。而在风电系统中应用储能技术，就可以有效解决风电功率波动问题，减少风速不稳定对风力发电量输出产生的不良影响^[3]。不仅如此，在风电系统中应用储能技术，可以在风电供应不足情况下，储能系统可以提供短时供电，确保电力系统供电的持续性。

（2）提高风电电能质量。在风电并网中，风电属于可再生清洁能源，应用在电网系统中，一旦在技术成熟支持下进行大规模使用，会大幅度增加电能输出功能，从而容易引发电压波动问题及其他问题，不利于电力系统稳定、高效运行。针对这种情况，在风电并网中，结合当地实际来选择储能技术，可以有效提高风电系统供电质量^[4]。例如：在风电并网系统中，使用超导储能技术，可以提高风机设备的输出稳定性，继而可以提高风力发电效果。不仅如此，在超导蓄能技术支持下，可以减少系统响应时间，快速平衡电力系统功率输出状态，从而可以解决当前风电并网中不稳定性问题，进而有利于风电事业的发展。

（3）提高电源电网的稳定性。在风电并网中，储能技术的有效应用可以解决电源电网扰动问题，进一步提高系统的响应能力，从而有利于提高电源电网的稳定性，进而有利于提升风电系统的抗干扰能力和稳定性，确保风电并网系统可以高效、稳定运行^[5]。但是，由于风电并网过程中，往往会出现适应性问题，这种情况下，传统电力生产和传输方式显然无法满足电力系统运行需求，容易出现供电不稳定现象。因此，为平衡系统输出功率，应注重先进储能技术的应用，在电力系统中集中接入大规模风电，应明确电力系统中是否存在电源不适应问题，继而在储能技术应用支持下，设置灵活响应的电源结构，不断提升电力系统的供电柔性，这样不仅可以保障电网系统高效运行，还可以提高电力供电质量，从而有利于风电事业的发展。在发电侧，储能可用于调峰调频或作为备用电源；在电网侧，储能可缓解电网阻塞、降低输配网络投资；在用电侧，储能可降低用户的综合电费支出。对投资者而言，可以依托储能参与系统调峰、调频、黑启动，获得辅助服务收入；可以降低限电损失，削峰填谷，斩获峰谷电价剪刀差。通过储能，可以打通“源网荷储氢”的壁垒，打造电力系统闭环生态，创新能源产业形态和商业模式。

（4）解决风电机组应用问题。就储能技术来说，其中包含的最高功率点跟踪技术，可以较大程度上提高风电机组的应用效果，从而有利于将更多地风能收集起来，并转化为电能。例如：在风电并网系统中设置飞轮、蓄电池、超导蓄能等技术系统，就可以大幅度提升系统的穿透功率，继而有利于整个风电机组运行效率的提升。不仅如此，在储能技术系统支持下，在风电功率大于系统传输功率时，风场中剩余功率可以进行存储处理，在风电功率低于正常输出功率时，可以及时进行功率补充，不仅可以避免电能浪费问题，还可以大幅度提升风电并网中风电机组应用问题，从而有利于风电事业的发展。

由于在很大程度上受到天气状况的影响，风电输出具有显著的随机性和波动性，给系统调度造成困难。且风电的反调峰性导致大量风力资源无法得到有效利用。通过风储系统联合运行，将富裕风电转化为化学能形式存储于储能系统中，能够实现平滑风力出力波动性，提高风电可调度性；提高响应速度，增加风电出力可靠性；同时储能系统还能够为风电场提供无功支持，参与风电场公共接入点的自动电压控制；增加风电并网发电量，提高风力资源的利用率。

3.储能系统在风电场中应用的优化运行与控制研究

储能系统的优化运行和控制策略主要表现在接入方式、工作模式及相关控制策略等方面的不同。就接入方式而言，目前主要有两种：一是将储能系统与风电站的电力电子变换器（ＤＣ／ＡＣ变换器）的直流段并联起来，并通过此变换器实现储能系统与风电站及电网之间的能源变换与控制；二是将储能系统并联在风力发电站变换器的交流端。这两种方式各有不同优缺点，前者的控制重点在于直流段的风力发电与储能系统、负荷之间的协调控制，但是受到变换器的容量限制，储能系统的能量及功率控制能力会受到显著的影响。而后种接入方式具有便于进行模块化管理控制且可根据需要进行容量扩展，因而成为目前应用最为广泛的接入方式。就工作模式及相关控制策略而言，常用的工作模式包括并网运行和离网运行两种模式。在不同的工作模式下，通常会对储能系统采用不同的控制策略。在并网运行模式下，储能系统通常被视为ＰＱ节点，因而大多采用简易的ＰＱ控制策略。目前的相关研究大多针对储能系统在离网运行模式下控制策略。离网运行也就是风储孤网系统为研究对象，对于储能系统的常用控制策略包括：主从式控制策略和对等式下垂控制策略两种。从相关研究中可看出，由于对等式下垂控制策略具有可靠性高、便于扩展、可实现即插即用等优点而应用更为广泛。

4.结语

综上所述，在电力技术不断发展的背景下，我国风力发电技术也得到了长足的发展，并为我国电力事业的发展作出了突出贡献。但是随着风电集中接入规模的不断扩大，在风电并网中容易出现电压不稳定等现实问题，这不仅影响风电事业的发展，还直接影响电力系统的安全、高效、稳定运行。因此，在风电并网过程中，应注重先进储能技术的合理使用，有效解决风电并网中存在的风电机组应用、风电电能质量、电网扰动等问题，不断提高风电系统输出功率的稳定性，继而有效提高电网系统运行的可靠性，为风电事业的进一步发展奠定良好的基础。

【参考文献】

[1]李惠琴,和佳琪,王静,李柱华.风能与低温绝热压缩空气储能集成的并网发电优化策略[J].可再生能源,2020,38(12):1679-1685.

[2]郭松林,孙博洋,姚峣,胡丽华,柴宏钊,黄阮明,赵晶晶.储能技术及其在新能源并网系统中的典型应用[J].工业控制计算机,2020,33(11):142-144+148.

[3]刘多禄,马林,王炳文.风电并网引起潮流分布对电力系统小干扰功角稳定性的影响研究[J].中国测试,2020,46(10):144-150.

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[5]魏世杰,樊静丽,杨扬,贾莉,张贤.燃煤电厂碳捕集、利用与封存技术和可再生能源储能技术的平准化度电成本比较[J].热力发电,2021,50(01):33-42.