【《风力发电机运行特性与储能装置综述》4300字】

风力发电机运行特性与储能装置综述1.1风力发电机运行特性气流流动时的能量就是风能，风能大小由风速和密度决定，风带动叶轮旋转产生电能，高风速必然带来更多的电能，而自然风的风速的大小由所在区域地理位置的天气决定，具有很大的随机性；另外即使同一地区同一天中不同时刻的风速也是不同的，因此风速的随机性特点导致了风机输出功率具有很大的不确定性，当极端天气出现时可能会使风机的输出功率在很短的时间段内出现从零到额定功率的变化量[37]，目前风电输出功率除了具有一定的波动性还会在某些特殊时间段出现反调峰的情况即风电机组输出功率在波谷（峰）时系统中的负荷需求量很大（小），此时出现了风机的输出功率与所需求的负荷严重不匹配即反调峰时刻出现。1.1.1风电输出波动特性分析当区域内受到太阳辐射不均匀时由于空气受热膨胀程度不同会产生大气压力差，空气会从压力大的地方向压力低的地方移动，因此就产生了风。风会推动风机叶片转动以切割磁力线的方式实现能源转化，由于区域位置的风资源特点如：风的强度、持续时间有很大区别会对风电场的输出功率产生影响。单位时间段内空气的流动距离叫风速，而风速强度和持续时间的随机性是造成风机输出功率波动的主要原因，风吹动风机叶片转动时的质量和风力发电机单台输出的功率可以表示为如公式（2-1）、（2-2）所示。 (2-1) (2-2)式中：P－发电机的输出有功功率；C－风能利用系数；R－风机叶轮半径；－空气密度；V－风速。 从公式（2-1）、（2-2）中可以看出，风机输出的有功功率由风能利用系数、风机叶轮半径、风速等参数决定。由于风机输出功率由风速决定，所以将风机制造商提供的功率-风速曲线与发电场收集的气象数据结合就可以推出不同风速所产生的功率。目前由于直驱永磁同步发电机结构简单、噪音小、维护简单被广泛使用，特殊的变流器可以同时对发电机侧和电网侧进行控制。当风速变化时，为了最大限度的捕获风能达到最大的功率输出，风机利用双闭环控制技术根据风速调整转速。因为不同容量的风机的切入、额定、切出风速的不同，因此输出功率和风速关系可以用分段函数关系近似表示为式（2-3）。 (2-3)式中：—风机切入风速；—风机切出风速；—风机额定风速；—时刻流过第台风机叶片的风速；—第台风机在t时刻的输出功率；—第台风机的额定功率。公式（2-3）表示了不同的自然风速与风机工作状态的关系，当自然风速小于切入风速时，风机输出功率为零；由于风速与功率大小密切相关，若自然风速大于切入速度并且小于额定风机额定风速时就会有功率输出;若风速在额定风速和切出风速之间时，风机处额定工作状态[38]；为防止共振而损坏叶片当风速大于切出风速时，风机的输出功率为零，这是风机的自我防护策略。由此可见，由于风资源的特殊性（湍流特性）使输出风电输出表现出无规律的负面特点，虽然单一的风电并网后会给电网带来秒级、分钟级、小时级的波动，但是大规模或者风电集群并网却会由于风机的不同时输出而使波动削弱。1.1.2风电并网的影响风电接入电网所产生的弊端的根源是对气象数据无法准确的预测，即使采用先进的统计算法也很难进行准确收集。波动性和随机性等此类未知的不确定性特点给电能质量、电网运行的稳定性和调度都带来了负面影响，以下就三方面的影响具体分析。(1)电能质量影响国家对所有接入电网的电能质量如：电压、频率、波形都有严格标准。风电输出的间歇性和不确定性，这些特性使电网的供需关系在某些时刻出现了有功功率不平衡状态从而导致整个电网的频率处于不稳定状态；风电机组中为了得到所需电压而使用的大功率电力电子转换设备会导致输出的电压波形中含有大量谐波降低了电能质量；另外当风电机组突然退出电网时会造成电网电压暂降给电能质量带来较大威胁。(2)电网稳定运行的影响目前风电场大量使用的风机属于异步机，对于电压的调整或稳定都需要借助外部提供无功功率才能完成，所以当风电接入电网时无功功率水平下降，这会导致负荷特性极限功率减小降低了电压稳定性[39]，另一方面风这种不可控的特殊性资源使风电机组产生的电能对电网的冲击也是不可预测的。(3)调度的经济性影响电网调度计划主要依据电网的往期负荷数与功率数据对未来用电负荷和发电功率进行预测或制定调度计划，但是风电的随机性使电网调度计划的准确性严重降低，所以想要实施更精确的预测变得困难，例如：风电功率输出早晚具有较大的波动性更有随季节变化特性，特别的当深夜时各种大型用电设备停止工作，电网中的负荷在逐渐减少但此时风电输出功率却在增加这样导致了严重的功率不平衡现象，这种输出功率的峰值与负荷波谷出现在同一时间段成为了电网制定准确的调度计划的又一障碍，另一面如果将不可控的风电也纳入调度计划中，这样就必须配备一定的备用容量，从而增加了风电并网的经济成本。1.2储能装置分类储能技术的迅猛发展为解决面临的困境提出新的解决思路同时也成为支撑风电长足发展和推广的关键。目前国内的示范工程已经应用在如增加新能源发电比例、降低峰值负荷供电成本、改善新能源发电系统的可靠度和输出的电力品质等方面。储能系统的实质就是将能量进行存储、转换和释放的系统，已经成熟应用的储能系统按功能分为功率型和能量型两类，针对风电场输出的短时高频波动利用功率型储能进行平滑是比较成熟的技术手段，风电场目前面临的另一个问题是弃风严重，如何在负荷低谷时将电能储存又在负荷高峰时注入电网给风电场的投资者带来更多收益，但是现阶段储能材料研发的瓶颈导致了电化学储能系统投资成本居高不下，在高投资成本和国家补贴政策取消导致收益逐年降低的背景下，对在新能源侧安装储能提高收益的积极性普遍不高。因此针对新能源发电不同的输出特点怎样合理选择储能类型、配置混合储能容量抑制可再生能源输出的波动，从而提高风电并网小时数为储能投资者提供更多收益具有重要意义。1.1.1储能类型详细介绍电力系统从以前传统的“发-输-配-用”四个环节到现在的“发-输-配-用-储”新领域的增加说明储能技术已经深入到电力体系中的每一个环节，同时储能技术也受到了全世界各种有关领域的重视如：交通、通信、能源等。根据能量存储的介质和原理的区别，储能技术大致分为：电化学储能、机械储能以及电磁储能三类。电化学储能通过氧化还原实现能量转化，目前主要产品有锂电池、铅酸电池、液流电池、钠硫电池等；机械储能将电能通过外部设备转化成机械能如：压缩空气、飞轮和抽水储能是主要应用的类型；电磁储能通过依靠磁场和电场的关系实现能量相互转化，主要的产品有超级电容和超导储能[40]。从能量的转化形式来看，动能、重力势能、磁能都可以转为电能，不同类型储能特点和技术参数具体介绍如下表（2-1）、（2-2）所示。表2-1各种类型储能优、缺点对比分析Tab.2-1Comparativeanalysisoftheadvantagesanddisadvantagesofvarioustypesofenergystorage储能分类储能技术优势劣势应用领域机械储能抽水储能效率高、系统容量大、使用周期长、运行灵活主要依靠水资源场地有要求、投资大系统调频、调峰和事故备用压缩空气储能使用寿命长、存储容量较大、自放电率低能量密度和效率较低，对场地有特殊要求应用在系统的二次调频、调峰和黑启动飞轮储能密度大、稳定性好、维护成本低主要是价格高、密度低存在磨损应用在不间断电源电磁储能超导储能功率密度大、寿命长技术不成熟存在电解质泄露风险、受温度影响严重无超级电容器充放电电路简单、使用周期长、功率密度大存在电解质泄露风险、受温度影响、容量较小、密度低轨道交通运输、不间断电源电化学储能锂离子电池能量转化效率高、高功率和高密度安全防护要求高、造价高储能电站、电动汽车、微电网铅酸电池价格较低、技术相对成熟使用周期短、维护成本高电动汽车、通信系统领域液流电池效率高、可循环次数相对多能量密度低、设备体积大在偏远山区或者分布式电源配合使用钠硫电池高功率、高能量价格高、技术不成熟需要保护电路应用在储能电站表2-2不同种类型储能参数对比Tab.2-2Comparisonofdifferenttypesofenergystorageparameters储能类型额定容量(MW)比容量（Wh/kg）比功率（W/kg）连续放电时间效率（%）成本（￥/KW/年）寿命（次）响应时间铅酸电池10-3~5035~5073~3001min~数小时60~8025200~5000<10s钠硫电池10-3~40150~24090~2301min~数小时80~9085<3000<10s飞轮10-3~1040~230>500015s~15min70~8040~80104~6*104<1s锂电池<8*10-2150~200200~3151min~数小时85~95120103~104<10s全钒液流电池<0.880~13050~1401min~数小时70~8060<1.3*104<10s抽水储能102~2000————4~10小时60~70200104~5*10410s~4min压缩空气储能10~300————1~20小时40~601508*103~3*1041~10min超导储能5*10-3~201~10107~1012ms~15min80~95200104~105<5ms1.1.2电化学储能的应用领域与经济性研究方法根据不同种类的储能所具有的能量特点，将储能系统应用在不同的领域解决目前所遇到的困境已经在国内有很多示范项目，能量型储能要求储能系统具备较长的冲、放电时间来吸收多余的电量或者在负荷高峰期起到功率支撑作用，功率型要求储能具备较快的相应速度来应对电网频率波动或者改善电能品质。电化学储能应用领域的具体介绍如下图（2-2）所示。图2-1电化学储能应用领域Fig.2-2Applicationfieldsofelectrochemicalenergystorage2017年各地开始根据不同的应用场景配置储能系统，市场开始表现出一定的活力，从统计的数据分析来看基本覆盖了从电能的生产到消费各个环节，主要的应用有发电侧的备用容量、调频、可再生能源并网如青海共和、乌兰风电场；电网侧主要是减缓输电线路扩容和无功支持；用户侧主要是工业园区中的分时电价管理和提高供电可靠性，2020年国家能源局批准的储能项目如下表（2-3）所示。表2-32020年国家能源局批准建设的储能项目Tab.2-2EnergystorageprojectsapprovedbytheNationalEnergyAdministrationin2020地区项目名称储能类型应用场景河北省国家风光储能二期工程锂电池储能可再生能源发电侧广东省佛山德胜电厂储能调频锂离子电池参与辅助服务福建省晋江100MWh储能电站锂离子电池电网侧江苏省昆山110.8MW/194MWh储能电站锂离子电池用户侧福建省宁德时代微网储能项目锂离子电池用户侧青海省国家光伏发电基地20MW电站项目锂离子电池和液流电池可再生能源发电侧储能示范项目已经在我国很多地方展开，并且装设储能系统后达到了预期效果。从投入运行的示范性项目中可以发现，针对不同领域应用相应的储能系统，体现出储能在电力市场的地位得到了肯定，但是目前要成功实现储能技术在电力系统的广泛推广和应用仍然有很多问题亟待解决，其中主要的因素来自于政策的不确定、收益模式不清晰等，因此在装设应用储能之前对将要实施的储能项目进行经济性分析和可行性研究是非常必要的。由于储能在电力系统中不同领域的作用