大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)儲能容量?jì)?yōu)化方案

另外，風(fēng)電場(chǎng)一般占地上百平方公里，在這樣大的面積中，各臺風(fēng)機受風(fēng)不可能一樣，這也會(huì )影響風(fēng)電場(chǎng)出力。不過(guò)，目前采用的數學(xué)模型基本上是假設風(fēng)電場(chǎng)內所有風(fēng)電機組的風(fēng)速相同，把所有風(fēng)電機組的輸出功率相加作為風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，同時(shí)不考慮風(fēng)電場(chǎng)內風(fēng)速的變化。

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

圖中槳距角為0°，風(fēng)速基值為11m/s時(shí)，風(fēng)電機組風(fēng)速–功率特性曲線(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的概率分布

目前，已有許多學(xué)者采用不同的數學(xué)算法對風(fēng)速進(jìn)行預測，發(fā)現風(fēng)速預測越精確，越有利于對含并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)系統進(jìn)行調度。但實(shí)際上對幅值波動(dòng)和時(shí)間間隔較小的風(fēng)進(jìn)行精確預測是很困難的，可以根據氣象信息推斷某個(gè)時(shí)間段(數h)內風(fēng)電場(chǎng)有風(fēng)還是無(wú)風(fēng)。從常年的風(fēng)速統計數據來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化符合統計規律。圖4給出了某風(fēng)電場(chǎng)2006年全年風(fēng)速概率分布柱狀圖，根據圖4擬合出的8階曲線(xiàn)概率分布曲線(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)儲能容量?jì)?yōu)化方案

充分利用風(fēng)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(fēng)電廠(chǎng)建成后的首要目標。然而，從上述仿真分析可以看出，風(fēng)速的變化給風(fēng)電機組的出力帶來(lái)了很大影響，但電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時(shí)完成的客觀(guān)規律，連續、安全、可靠、穩定地向用戶(hù)提供電壓、頻率合格的優(yōu)質(zhì)電力。要達到保證系統安全穩定運行且最大化利用風(fēng)能這個(gè)目標，必須運用儲能裝置。目前，大容量儲能技術(shù)已不存在技術(shù)瓶頸，只是儲能成本過(guò)高，研究如何用最小的儲能裝置實(shí)現風(fēng)電場(chǎng)長(cháng)時(shí)間穩定輸出是一個(gè)有意義的課題，具體步驟如下：

1)根據風(fēng)速概率密度曲線(xiàn)計算風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的數學(xué)期望，其計算公式為：

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

2)將上述計算得到的輸出功率期望值設定為風(fēng)電場(chǎng)平均功率水平。

3)找出與平均功率水平對應的風(fēng)速值V1，該值比風(fēng)電機額定風(fēng)速小。

4)以風(fēng)速V1為基準值，如果風(fēng)速大于V1，則風(fēng)電場(chǎng)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(lái);如果風(fēng)速小于V1，則風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)風(fēng)速以下期望風(fēng)電場(chǎng)持續輸出的小時(shí)數。對儲能設備容量進(jìn)行取值時(shí)需考慮多方面的因素，主要有氣象部門(mén)能提供的較準確的持續大風(fēng)或無(wú)風(fēng)小時(shí)數(本文認為氣象部門(mén)預報數h內無(wú)風(fēng)的準確度遠大于預報風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化)、建設風(fēng)電場(chǎng)需承擔的儲能設備成本、風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中的比重及電網(wǎng)調頻能力。

6)風(fēng)速長(cháng)時(shí)間低于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，調度部門(mén)應提前做好準備，應對風(fēng)電場(chǎng)無(wú)輸出功率的情況。

7)實(shí)現多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)配合互補可以在上述基礎上進(jìn)一步減少儲能容量。

5 儲能容量?jì)?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(gè)100MW風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)計算后得出的期望值為59MW，調度中心可將此風(fēng)電場(chǎng)看成是一個(gè)裝機容量為59MW的發(fā)電廠(chǎng)。

H的選擇主要由氣象部門(mén)預測無(wú)風(fēng)(啟動(dòng)風(fēng)速以下)的準確度決定，如果風(fēng)電在系統中的比重不大、系統調頻能力較強或風(fēng)電建設成本不允許，則H可取一個(gè)較小的值，否則要取大一些，以保證風(fēng)電場(chǎng)有持續穩定輸出的能力。H可在風(fēng)電場(chǎng)規劃期由設計單位綜合考慮。如H 取5h時(shí)，一個(gè)10萬(wàn)kW級風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行檢驗，除去風(fēng)速持續小于風(fēng)電機切入風(fēng)速值5h以上的數據。圖5給出了風(fēng)電場(chǎng)在2006年3月份的儲能容量和風(fēng)電場(chǎng)輸出功率。

由圖5可以看出，裝設儲能設備后風(fēng)電場(chǎng)能在相當長(cháng)的時(shí)間內持續保持穩定輸出，但仍有個(gè)別時(shí)間段不能實(shí)現穩定輸出。這是因為當風(fēng)電場(chǎng)持續低風(fēng)速后，儲能設備中的容量已經(jīng)用完，而風(fēng)況并沒(méi)有好轉，這時(shí)只能有多少風(fēng)力發(fā)多少電。

按照上述方式儲能，從系統側看去，風(fēng)電場(chǎng)處于“降額發(fā)電”狀態(tài)(按最大功率的59%發(fā)電)，而實(shí)際上風(fēng)電場(chǎng)內部風(fēng)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(lái)。較理想的情況是儲能容量數值在0到最大值間來(lái)回波動(dòng)，這說(shuō)明儲能設備一直處在不斷充電和放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。如果儲能值持續為0或最大，則表示儲能容量不夠或是有風(fēng)能浪費。圖5中有一段時(shí)間儲能值一直最大，這說(shuō)明在2006年3月份有幾天風(fēng)速特別大，儲能設備處于充滿(mǎn)狀態(tài)，不過(guò)這種情況的預知性較強，可調高風(fēng)電場(chǎng)平均出力來(lái)避免造成風(fēng)資源的浪費。

如果風(fēng)電場(chǎng)所處地理位置的風(fēng)具有季節性，可根據季度風(fēng)速概率密度曲線(xiàn)調節風(fēng)電場(chǎng)輸出功率期望值。如果某風(fēng)電場(chǎng)夏季強風(fēng)持續時(shí)間長(cháng)，則該季風(fēng)電場(chǎng)應多出力。如果冬季風(fēng)況不好，則要降低出力。