大型并網風電場儲能容量優(yōu)化方案

另外，風電場一般占地上百平方公里，在這樣大的面積中，各臺風機受風不可能一樣，這也會影響風電場出力。不過，目前采用的數學模型基本上是假設風電場內所有風電機組的風速相同，把所有風電機組的輸出功率相加作為風電場的輸出功率，同時不考慮風電場內風速的變化。

本文不考慮尾流效應和風電場內部風機受風不均的影響，采用Matlab7.6/Simulink7.1 模型庫中的風力機模型，該風力機模型的功率特性如圖3所示。

圖中槳距角為0°，風速基值為11m/s時，風電機組風速–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 風電場風速的概率分布

目前，已有許多學者采用不同的數學算法對風速進行預測，發(fā)現風速預測越精確，越有利于對含并網風電場系統進行調度。但實際上對幅值波動和時間間隔較小的風進行精確預測是很困難的，可以根據氣象信息推斷某個時間段(數h)內風電場有風還是無風。從常年的風速統計數據來看，風電場風速變化符合統計規(guī)律。圖4給出了某風電場2006年全年風速概率分布柱狀圖，根據圖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 風電場儲能容量優(yōu)化方案

充分利用風能，以最大限度地發(fā)揮設備的效能、減少傳統能源的消耗成為風電廠建成后的首要目標。然而，從上述仿真分析可以看出，風速的變化給風電機組的出力帶來了很大影響，但電網必須按照發(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)質電力。要達到保證系統安全穩(wěn)定運行且最大化利用風能這個目標，必須運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術已不存在技術瓶頸，只是儲能成本過高，研究如何用最小的儲能裝置實現風電場長時間穩(wěn)定輸出是一個有意義的課題，具體步驟如下：

1)根據風速概率密度曲線計算風電場輸出功率的數學期望，其計算公式為：

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

2)將上述計算得到的輸出功率期望值設定為風電場平均功率水平。

3)找出與平均功率水平對應的風速值V1，該值比風電機額定風速小。

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

5)用S=EH計算儲能設備容量，其中H為啟動風速以下期望風電場持續(xù)輸出的小時數。對儲能設備容量進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確的持續(xù)大風或無風小時數(本文認為氣象部門預報數h內無風的準確度遠大于預報風速的實時變化)、建設風電場需承擔的儲能設備成本、風電場在電網中的比重及電網調頻能力。

6)風速長時間低于啟動風速時，調度部門應提前做好準備，應對風電場無輸出功率的情況。

7)實現多個風電場配合互補可以在上述基礎上進一步減少儲能容量。

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風電場經計算后得出的期望值為59MW，調度中心可將此風電場看成是一個裝機容量為59MW的發(fā)電廠。

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

現以該儲能備用容量值代入風電場進行檢驗，除去風速持續(xù)小于風電機切入風速值5h以上的數據。圖5給出了風電場在2006年3月份的儲能容量和風電場輸出功率。

由圖5可以看出，裝設儲能設備后風電場能在相當長的時間內持續(xù)保持穩(wěn)定輸出，但仍有個別時間段不能實現穩(wěn)定輸出。這是因為當風電場持續(xù)低風速后，儲能設備中的容量已經用完，而風況并沒有好轉，這時只能有多少風力發(fā)多少電。

按照上述方式儲能，從系統側看去，風電場處于“降額發(fā)電”狀態(tài)(按最大功率的59%發(fā)電)，而實際上風電場內部風力發(fā)電機仍是全額發(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值在0到最大值間來回波動，這說明儲能設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月份有幾天風速特別大，儲能設備處于充滿狀態(tài)，不過這種情況的預知性較強，可調高風電場平均出力來避免造成風資源的浪費。

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