利用压缩空气储能技术抑制风电场功率波动的研究
李国杰 1, 谭靖 1,唐志伟 2 (1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市,100084;2.东北电力大学,吉林市,132012)
摘要:风能的间歇性和波动性给目前风力发电大规模并网应用带来了诸如功率平衡,系统稳定性等很多 不利的影响,储能技术能够平抑风电的波动性,它将很好的解决上述问题.本文提出了利用压缩空气储 能技术抑制风电场功率波动的方法,研究系统所需的调节容量,优化储能装置的容量设计,研究平抑效 果.并利用仿真进行验证. 关键词:风力发电;压缩空气储能;风功率平抑;功率波动 中图分类号:TM614;TM761
引言 传统能源资源的短缺和严峻的环境压 力,使得大规模发展清洁,环保的可再生能 源成为必然的选择.除水电外,风电是目前 开发技术最成熟,开发成本最低,也是未来 最具有大规模开发价值的清洁能源.我国已 规划建设数十个百万千瓦和七个千万千瓦 风电基地,然而与许多常规能源发电不同, 风力发电具有间歇性和波动性的特点,因而 大规模风电的并网对电网的安全稳定运行 等诸多方面带来了新的挑战,同时风电的这 些特性也将成为制约风电大规模发展的严 重障碍.采用储能装置平抑风电场输出功率 的波动将有助于大规模风电场的并网运行 [1]~[3] .1 目前储能技术种类众多, 但缺乏容量大, 技术成熟的储能技术,而压缩空气储能 ( CAES , Compressed Air Energy Storage) 是技术成熟的大容量储能技术. 它 由电动机带动空气压缩机,将不可储存的电 能转化成可储存的压缩空气的气压势能并 贮存于贮气室中;当系统发电量不足时,将 压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧, 导入燃气轮机做功发电,满足系统调峰需要 [4][5] . CAES 在欧美已经达到商业化运行水 平, 1979 年德国建成了输出功率 290MW 的 压缩空气储能发电厂,1991 年美国建成了 输出功率 110MW 的压缩空气储能发电厂. 日本 1998 年开始建设输出功率为 2000kW, 发电时间 4h 的 CAES 发电厂, 2001 年开始 [4][5] 了运行试验 .由于我国大规模风电场主 要集中在戈壁,沙漠等水资源缺乏地区,因 0
本项目得到国家自然科学基金(50977050)和(50823001)及清华 大学自主课题(2009THZ07060)和(SKLD09M28)的资助
此 CAES 将在我国有很好的发展前景. 本文介绍了基于压缩空气储能技术的风 电场功率调节系统,并就平抑效果进行了评 估,提出了以国网公司《风电场接入电网技 术规定》[9]中相关规定为标准以确定储能装 置的额定功率和匹配容量,从而达到储能容 量优化的目的.通过对 120MW 装机容量的 风电场仿真分析表明,在汇流母线上加装储 能装置能够有效的平抑风电功率的波动. 系统结构与运行原理 本文所采用模型如图 1 所示,该风场总 装机容量为 1200MW, 600 台 2MW 风机 由 组成.CAES 则通过升压变压器与汇流母线 连接,调节风场的有功功率的输出,起到平 抑的作用.图中,PW 为风场风机输出的有 功功率,POUT 为风场注入电网的有功功率, PCAES 为储能单元的输出功率. 1
图 1 风场结构示意图 Fig. 1 Schematic configuration of the system
2 压缩空气储能单元设计 2.1. 功率平抑算法 为了平抑风场输出的功率波动,储能单 元必须能够有效的吸收波动功率,故将其输 出功率 PCAES 设计为[2]: τs PCAES = P = k1 P (1) W W 1+τ s 式中 k1 为一阶高通滤波器,τ 为时间常
数. τ 的设计必须能够使储能单元有效的平 抑风电功率波动,因此,τ 的取值越大平抑 效果越显著,然而对储能装置的投资成本也 将大幅提高,平衡平抑效果与投资成本之间 关系是 τ 值设计的关键. 忽略损耗,图 1 所示的风场系统的功率 关系如式 2 所示, (2) PW = POUT + PCAES 由式(1)和式(2)得出下式: 1 POUT = P = k2 P (3) W W 1+τ s 可以看出,k2 为一阶低通滤波器.由于 τ = 1 / 2π f c ,其中 fc 滤波器截止频率,当 τ 的取值越大,允许导通的频率分量越低,因 而注入电网的功率变化率也越小,使得整个 功率输出更为平滑.根据这一设计,注入电 网的有功功率仍然含有低频分量,在满足国 网关于风电并网标准的前提下,这些低频波 动分量可通过相应的调峰机组进行平抑. 进一步分析式(3) ,在时域中可得: ' P = τ POUT + POUT (4) W 设 t 为控制采样间隔,则离散化后有 (N P ( N ) POUT1) (N P ( N ) = τ OUT + POUT) (5) W t 整理可得: t τ (N (N POUT) = P( N ) + POUT1) (6) W τ +t τ +t t 令α = ,则式(6)可表述为: τ +t (N (N POUT) = α P ( N ) + (1 α ) POUT1) (7) W 可见, 风场第 N 时刻注入电网的有功功 率 POUT 同当前风场风机输出功率 PW ,前 N-1 时刻的注入功率以及平抑参数 α 有关. 2.2. 储能装置容量设定 风场风电输出功率中的波动分量由储 能装置吸收,而 CAES 的存储容量 ECAES 则 为存储功率 PCAES 在时间上的积分,其在 S 域中的表达式如下所示: 1 1 τs ECAES ( s ) = PCAES (s ) = P ( s) W s s 1+τ s (8) τ = P ( s) W 1+ τ s
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