大型并网风电场储能容量优化方案

另外，风电场一般占地上百平方公里，在这样大的面积中，各台风机受风不可能一样，这也会影响风电场出力。不过，目前采用的数学模型基本上是假设风电场内所有风电机组的风速相同，把所有风电机组的输出功率相加作为风电场的输出功率，同时不考虑风电场内风速的变化。

本文不考虑尾流效应和风电场内部风机受风不均的影响，采用Matlab7.6/Simulink7.1 模型库中的风力机模型，该风力机模型的功率特性如图3所示。

图中桨距角为0°，风速基值为11m/s时，风电机组风速–功率特性曲线为：

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 风电场风速的概率分布

目前，已有许多学者采用不同的数学算法对风速进行预测，发现风速预测越精确，越有利于对含并网风电场系统进行调度。但实际上对幅值波动和时间间隔较小的风进行精确预测是很困难的，可以根据气象信息推断某个时间段(数h)内风电场有风还是无风。从常年的风速统计数据来看，风电场风速变化符合统计规律。图4给出了某风电场2006年全年风速概率分布柱状图，根据图4拟合出的8阶曲线概率分布曲线如下：

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 风电场储能容量优化方案

充分利用风能，以最大限度地发挥设备的效能、减少传统能源的消耗成为风电厂建成后的首要目标。然而，从上述仿真分析可以看出，风速的变化给风电机组的出力带来了很大影响，但电网必须按照发、供、用同时完成的客观规律，连续、安全、可靠、稳定地向用户提供电压、频率合格的优质电力。要达到保证系统安全稳定运行且最大化利用风能这个目标，必须运用储能装置。目前，大容量储能技术已不存在技术瓶颈，只是储能成本过高，研究如何用最小的储能装置实现风电场长时间稳定输出是一个有意义的课题，具体步骤如下：

1)根据风速概率密度曲线计算风电场输出功率的数学期望，其计算公式为：

式中：f(v)为风电机组输出功率特性函数;q(v)为风电场风速概率密度函数;vin、vn 和vout分别为切入、额定和切出风速。

2)将上述计算得到的输出功率期望值设定为风电场平均功率水平。

3)找出与平均功率水平对应的风速值V1，该值比风电机额定风速小。

4)以风速V1为基准值，如果风速大于V1，则风电场按V1对应的有功功率输出，将超出的部分能量用储能设备储存起来;如果风速小于V1，则风电场仍按V1对应的有功功率输出，不足的能量由储能设备补足。

5)用S=EH计算储能设备容量，其中H为启动风速以下期望风电场持续输出的小时数。对储能设备容量进行取值时需考虑多方面的因素，主要有气象部门能提供的较准确的持续大风或无风小时数(本文认为气象部门预报数h内无风的准确度远大于预报风速的实时变化)、建设风电场需承担的储能设备成本、风电场在电网中的比重及电网调频能力。

6)风速长时间低于启动风速时，调度部门应提前做好准备，应对风电场无输出功率的情况。

7)实现多个风电场配合互补可以在上述基础上进一步减少储能容量。

5 储能容量优化方案的可行性分析与讨论

按式(2)计算得E=0.59pu，这表明1个100MW风电场经计算后得出的期望值为59MW，调度中心可将此风电场看成是一个装机容量为59MW的发电厂。

H的选择主要由气象部门预测无风(启动风速以下)的准确度决定，如果风电在系统中的比重不大、系统调频能力较强或风电建设成本不允许，则H可取一个较小的值，否则要取大一些，以保证风电场有持续稳定输出的能力。H可在风电场规划期由设计单位综合考虑。如H 取5h时，一个10万kW级风电场应装设的储能容量为59 MW×5h=295MW.h。

现以该储能备用容量值代入风电场进行检验，除去风速持续小于风电机切入风速值5h以上的数据。图5给出了风电场在2006年3月份的储能容量和风电场输出功率。

由图5可以看出，装设储能设备后风电场能在相当长的时间内持续保持稳定输出，但仍有个别时间段不能实现稳定输出。这是因为当风电场持续低风速后，储能设备中的容量已经用完，而风况并没有好转，这时只能有多少风力发多少电。

按照上述方式储能，从系统侧看去，风电场处于“降额发电”状态(按最大功率的59%发电)，而实际上风电场内部风力发电机仍是全额发电，只是将59%的有功功率直接发出，将多出的部分储存起来。较理想的情况是储能容量数值在0到最大值间来回波动，这说明储能设备一直处在不断充电和放电的动态过程中。如果储能值持续为0或最大，则表示储能容量不够或是有风能浪费。图5中有一段时间储能值一直最大，这说明在2006年3月份有几天风速特别大，储能设备处于充满状态，不过这种情况的预知性较强，可调高风电场平均出力来避免造成风资源的浪费。

如果风电场所处地理位置的风具有季节性，可根据季度风速概率密度曲线调节风电场输出功率期望值。如果某风电场夏季强风持续时间长，则该季风电场应多出力。如果冬季风况不好，则要降低出力。