储能参与电力系统调频的容量配置研究

论文总字数：28977字

摘 要

16012527 张航通

指导教师 陈丽娟

随着全球经济发展和人口增加，世界范围内的电力需求也在持续增长。然而近年来发达国家对核能应用安全性的质疑日益加重，同时伴随着化石能源的紧张枯竭和环境污染问题的不断恶化，以风电为代表的可再生能源发电技术及其应用受到越来越多的关注并得到迅猛发展，尤其是风电的开发规模实现了一个大的跨越。然而伴随着电力系统风电渗透率的增高，其所带来的一些特有问题也越发严重，由于风能具有间歇性、波动性和难预测性等突出特点，风电出力无法像传统电站一样可控，大规模并网后将显著加剧系统调频压力，给电网安全稳定运行带来重大挑战。由于风电出力的波动率将对并网系统的频率稳定性产生直接影响，在风电装机规模不断扩大的趋势下，有必要采取有效手段平抑风电场输出功率的波动，以减轻其对系统频率稳定的负面影响，利于电网安全稳定运行，从而助力大规模风电并网的实现，促进风电及其应用的进一步发展。

在这一背景下，结合目前发展迅速的新型电力系统储能技术，本文着眼于为风电场配置电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)联合运行以平抑风电场出力波动率，完成了一系列相关工作。首先，提出了风储联合运行的BESS实时控制策略，并结合算例对风电场出力波动率的改善效果进行了分析；其次，结合风电场并网运行技术性与经济性两方面需求，综合考量运行时段内储能成本和波动越限惩罚费用，提出了基于运行时段内总费用最小的BESS容量优化配置方案并通过算例加以验证；最后，结合电力系统实际运行场景，考察了BESS平抑风电场出力波动对系统频率稳定性的改善，证明风储联合运行对减轻风电负面影响的有效性。

本文所提出的策略与方案均通过实际算例进行了验证，其对大规模风电并网电力系统的稳定、经济运行具有一定意义，有助于促进风电开发利用的进一步发展。

关键词： 风电出力波动；系统频率稳定；电池储能系统；实时控制；运行时段内总费用；容量优化配置；

Abstract

With the global economic development and population growth, the worldwide electricity demand keeps growing. However, in recent years the security concern of nuclear energy application is increasing in developed countries, accompanied by the depletion of fossil fuels and deteriorating environmental pollution problems, the renewable energy technologies and their application have attracted more and more attention and get rapidly developed, especially the wind power, whose installed capacity achieved a huge leap. But with the increased penetration of wind power in system, some of the unique problems they bring about are becoming more serious, the salient features of wind power such as intermittency, volatility and unpredictability make it unable to be controlled like conventional power plants, once get large-scale installed in the grid, it will significantly increase the FM pressure of system and challenge the security and stability of grid operation. Since the volatility of wind power output directly affects the frequency stability of the system, with the growing capacity of wind power, it’s necessary to take effective measures to stabilize fluctuations of wind farm power output, to mitigate its negative impact on the stability of the system frequency, promote security and stability operation of grid, thereby contributing to large-scale wind power implementation, promote the further development of wind power and its applications.

Under this background, combining the rapidly developing new energy storage technology, this paper focuses on configuring the battery energy storage system(BESS) co-operating with the wind farm to stabilize wind power output volatility and finished a series of related work. Firstly, proposes the wind-BESS co-operating real-time control strategy of BESS and analyzes its effect on

improving the wind power output volatility with numerical example; Secondly, combining both technical and economic needs of wind farm operation, comprehensively considerate the storage costs and the punitive charges, proposes the BESS capacity optimization scheme based on the minimum total cost during running period which is verified by an example; Finally, combining the actual operation scenario of power system, studies the improvement of system frequency stability made by BESS, proves the wind-BESS co-operating’s effectiveness on mitigating negative impact of wind power.

The strategy and scheme proposed in this paper have all been verified by actual data and example, they have a certain significance for the stable and economic operation of large-scale wind power installed grid, contribute to the further development of wind power exploitation.

Key words: Wind power fluctuations; System frequency stability; battery energy storage system; real-time control; total cost during running period; capacity optimization;

第一章 绪论

随着清洁能源开发利用技术的突破，其经济性大幅提升，同时由于传统化石能源的日益短缺，以清洁能源替代化石能源将成为全球能源发展的重大趋势。其中风电以其蕴量巨大、成本较低、技术相对成熟及安全性争议小等优点已日渐成为清洁能源发展的主力。然而另一方面，由于风能固有的随机性、波动性和难预测性，大规模风电并网势必会影响电力系统的功率平衡，继而危及其频率稳定，给系统的安全可靠稳定运行带来负面影响，增加电力系统运行调度及规划建设的难度。因而合理调节风电场出力，平抑风电出力短期波动，进而提高风电上网质量，减小系统调频压力已成为风电发展的迫切需求。只有满足这一需求，才能使风电成为真正的电网友好型电源，进一步促进风电利用的规模化发展，从而最终实现“清洁替代”。

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 风电发展概况

风能本身资源量巨大，全球仅陆地可开发风能资源就超过1万亿千瓦^[1]，进入21世纪以来，伴随技术的成熟，这一蕴量丰富的资源开始得到大规模开发，全球范围内风力发电增长迅猛。2000~2013年，全球风电装机容量和发电量均增长了约17倍，年均增长率25%^[1]，尤其近几年来亚洲地区风电发展迅猛，已成为全球风电主要市场。截至2013年，全球风电装机容量已达3.2亿千瓦，约占总装机容量的5.6%；风电发电量约为6400亿千瓦·时，占总发电量的2.9%^[1]。2000~2013世界风电装机容量及增长率如图1-1所示。

图1-1 2000~2013年世界风电装机容量及增长率变化

在欧洲一些国家，风电已占到较高比例，其中在丹麦和西班牙已成为最大电源，分别占总用电量的34%、21%，在葡萄牙、爱尔兰、德国也已分别占到20%、16%、9%。在我国，虽然目前风电占比较低，但装机容量和风力发电总量均为世界首位，其中装机容量7776万千瓦，占总装机量的6.2%，且国家能源局也已提出风电装机在2020年达到1.5亿千瓦的目标。

风电技术方面，变桨距风电机组和变速恒频风力发电系统的应用大大提升了风力发电的安全性、平稳性和高效性，同时风电机组制造水平提高，单机容量得到扩大，提升了风能利用效率，减少了单位成本，减小了风电场占地并扩大了规模效应。各项风电技术的成熟正不断降低风电开发成本，近年来已逐渐接近传统能源发电成本。目前，陆地风电投资成本约为970~1400美元/千瓦，发电成本约为10美分/(千瓦·时)，在中国已降低至0.45~0.55元/(千瓦·时)。此外，在风电经济性不断提升的同时，越来越多的国家也已将风电纳入国家能源战略发展框架中并给予政策性支持。

可以预见，伴随风电经济性和市场竞争力的不断提升，在未来的能源开发利用中，风电必将成为全球重要的能源品种之一，因此减小风电对系统调频负面影响，改善风电并网能力的研究对未来能源多元化发展、世界能源格局的改变也将是大有裨益的。

1.1.2大规模风电接入对电力系统影响

风能作为一种特殊的发电能源，一方面其并网利用可分担一定负荷，替代一定传统机组容量，减少化石能源使用，降低排放，从而带来可观的经济效益、社会效益和环境效益；但另一方面，由于自然风的风速与风向难以预测或控制，风电机组的出力具有很强的随机性、间歇性和波动性，给系统带来的影响体现在稳定性、电能质量、调频能力、发电计划调度和调峰等多个方面。

（1）对系统稳定性的影响：风电的接入直接改变了系统的潮流分布，这在传统的电力系统规划中是未涉及到的，随着风电渗透率的增加，其随机性和波动性对系统的冲击不断加大，令系统原先备用容量更加紧张，使系统中薄弱节点或支路可能出现潮流越限，甚至引发系统震荡、电压崩溃。此外，受目前风电机组制造水平的限制，机组低电压穿越能力较差，若电网本身发生故障时很容易导致风电场脱网，进一步扩大事故，恶化情况。

（2）对电能质量的影响：风电出力的波动将导致电压波动和闪变、电网频率波动等，增加电力系统调频难度，对频率敏感负荷产生不利影响。

（3）对调频能力的影响：风电接入除增大系统调频压力外，还会对系统调频能力本身产生影响。其必然替代了一部分常规发电机组，对于目前主流的变速恒频机组（双馈感应风电机组、永磁直驱风电机组）来说，它们的控制系统令机组转速和电网频率完全解耦，故电网频率发生波动变化时机组不会对系统频率响应提供有功贡献^[21]，导致电网整体惯量降低，则出现高功率缺额时电网频率跌幅较大，降低了系统频率稳定性。

（4）对发电计划和调度的影响：目前的风电功率预测技术尚不够成熟，预测准确度尚无法令人满意，在制定发电计划时需为风电预测误差设置一定的热备用，在调度中还需根据风电实际出力实时调整发电计划，影响电网安全裕度。

（5）对调峰的影响：研究指出，风电出力大多数情况下呈反调峰特性，且我国以火电为主的发电方式调峰能力较差，这将进一步增大系统调峰压力，需要更多调峰容量，影响系统运行经济性。

1.1.3 储能发展概况

随着用电需求的不断增长以及各种新能源的大规模开发利用，电力系统日趋复杂化，加之用户对电能质量和供电可靠性的要求日益提高，传统的电力系统运行手段已难以应付，这就促使储能技术在电力系统中得到应用发展。储能设备增加了系统中的电能存储环节，使电能实时平衡的“刚性”电力系统变得更“柔性”，尤其是对于新能源发电，可以平抑其大规模接入电网带来的波动性，提高电网运行的安全性、灵活性、经济性。

目前电力系统中可应用的大型储能装置分为大型能量型储能和大型功率型储能两种。大型能量型储能主要指抽水蓄能、压缩空气储能等建设规模大、寿命长、可长时间储能的设施，可用于负荷平衡、热备用和大电网调峰。但两者的响应速度均较慢，并不适用于快速调频或平抑新能源波动，且其建设选址均受地质或水文条件制约。大型功率型储能主要有蓄电池储能、超级电容器、超导电磁储能、飞轮储能等，他们普遍具有响应速度较快的特点，与大规模新能源联合运行，可快速对其出力做出响应，平抑波动，保障电网实时运行安全。其中蓄电池储能又以建设周期短、选址限制少、能量转换率高等优点倍受青睐，而这之中又以液流电池储能量大、循环次数多、寿命长，是有相当发展前景的储能手段。

为对各种储能手段作进一步介绍，按照储能介质和能量转换方式的不同将其分为三类，即机械储能、电磁储能和电化学储能：

（一）机械储能

（1）抽水蓄能^[2][3]在负荷低谷期利用富余的电能将水由低位泵升至高位水库实现电能存储，在负荷高峰期借助上下水位势能差发电将电能放出。由于其以大量水资源为媒介，充放电功率可达较大，通常在100~5000MW间；且充放过程中自身硬件损耗很低，故无循环次数限制，寿命即电站运行寿命（可达40~60年）。目前作为最成熟的储能技术，其成本较低，已实现大规模应用，主要领域为削峰填谷、系统调频和备用。但抽水蓄能的响应速度相对较慢（通常为分钟级至十分钟级），故难以达到平抑风电瞬时出力的要求，且其建设受地理环境限制较大，工程周期长，建设投资大，使其与风电场的配合建设使用受到限制。

（2）压缩空气储能^[1][3]利用电力系统低谷时富余电量带动空气压缩机，将空气冷却压入大容量储气室，即将电能转换为可存储的压缩势能，电力紧缺时将压缩空气与油或天然气混合燃烧推动燃气轮机发电。其同样具有容量大、寿命长的优点，但其循环效率较低（通常在40%~50%）,且需消耗化石能源，同时需要大容积的储气空间，如若不利用天然矿洞、岩洞则人工建设成本很高，利用天然条件则又受地质环境限制，故其目前基本处于实验室样机或小规模示范阶段。

（3）飞轮储能^[1][2]利用电动机带动飞轮高速旋转使电能转化为动能加以存储，放电时再由飞轮带动发电机发电。其响应速度快，能量转换效率较高（90%以上），寿命较长（20年左右），但成本高昂且储存过程中易损耗，每小时损耗可达20%，故仅适合短时间储能，改善电能质量和脉冲式用电问题，难以应用于大规模储能。

（二）电磁储能

（1）超导电磁储能^[2][3]将电磁能利用超导线圈直接储存起来，需要时再释放出来，不经过能量形式的转换，因此其效率极高（超过97%），响应速度极快（ms级），功率密度很大且循环次数超过10万次，可以高效快速地提供很大的瞬时功率，很适合平抑新能源出力，但超导材料昂贵的运行成本和所产生的强磁场污染限制了其大规模投入实际应用。

（2）超级电容器^[1]根据电化学双电层理论制成，是通过极化电解质进行储能的电化学元件，其储能过程也不涉及能量形式转化，且可反复充放电数十万次，寿命极长，同时功率密度较高。但其能量密度低且通常储能容量小，耐压水平亦有限，成本较高，故不适于大规模储能。

（三）电化学储能

（1）铅酸电池^[1]已有一百多年历史，其技术成熟、安全性高、价格低廉，且效率较高（85%~90%），自放电率低（约2%/月），故可长期储能，但其能量密度偏低，寿命短且受运行温度和充放电深度影响大。

（2）锂离子电池^[1][3]以含锂化合物做正极，以碳材料为负极，能量密度高，充放电效率近乎100%且自放电小，同时没有记忆效应，工作温度范围宽（-20℃~60℃），循环性能佳，寿命长且不含有毒有害物质，被认为是绿色电池。但由于单一性问题，其难以大容量集成，且目前成本过高，单次充放电循环成本超过1元/千瓦·时，大规模应用缺乏经济性。

（3）钠硫电^[1]池是目前较受关注的新型储能技术，全球范围内已有一百多座钠硫电池储能电站投入运行，其能量密度高，充放电效率高，循环寿命较长且可实现100%深度充放电，材料本身无毒，且便于模块化制造、运输与安装，尤其适用于特殊负荷应急供电。但其工作需要在300~350℃的温度环境下，要求配置额外的供热系统，运行成本较高。

（4）液流电池^[1][3]是近几年实现大规模实用化的新型电池，其形式不同于传统化学电池，两个液流泵将储存在正、负极储罐中的电解液不断输入电池堆中，电池堆中间有一层离子交换膜，离子穿越薄膜从而实现电荷转移。其最大特点是额定功率和容量可分别独立配置，可通过提升电解质浓度或增加电解液容量来增加电池容量。其优点在于容量大，循环寿命长，且由于电解液可回收故运行成本较低，同时电能流失小，可长时间储能。而其不足之处一是体积庞大，二是目前主流的全钒液流电解液有毒且制备成本较高，但近两年这些问题正在逐步得到解决。美国先进储能公司Imergy Power Systems通过循环再利用油田污泥、矿业废渣、粉煤灰以及其它环境废料中的钒使制取和加工钒的成本比钒矿提炼减少40%，同时也将液流电池的成本从500美元/kWh（业内标杆价格）降低到300美元/kWh以下；以色列液流电池厂Electric Fuel Energy提出的低成本铁液流电池不仅将成本控制在250~300美元/kWh，也解决了毒性污染的问题；此外美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory) 开发的甲基紫精/氮氧自由基哌啶醇有机液流电池更是可将成本降低至180美元/kWh，这一技术目前已进入十千瓦级试验^[23]。

1.2国内外研究现状

1.2.1 平抑风电出力波动研究现状

目前，国内外关于风储联合运行的研究主要分为提高上网电能质量、优化含风电力系统经济性和平抑风电出力波动三方面。在平抑风电出力波动方面（大部分未延伸至频率），又分为以下两种：

①针对风电机组本身进行调节控制。这是未引入储能等额外手段的简单方式，如文献[7]提出利用风力发电机本身转动惯性储能或耗散能量，即风机不以最大风能捕获出力，在风速高时控制转子加速，等风速低时再控制转子释放部分动能以减小出力波动。此外还可采取变桨距控制和风机变速控制，通过改变桨距角舍弃高风速下部分风能，如文献[8]。这类方法以降低风能利用率为代价平抑风电出力，且效果往往很有限，但一些情况下可与储能系统配合共同作用，如文献[9]。

②利用储能系统与风电联合运行。文献[10]提出用超级电容器并联于双馈感应发电机直流侧以消除风机出力波动。文献[11]利用全钒液流电池平滑风电出力，表明了其具有响应迅速、功率吞吐极快、可四象限调节的优势。这类研究大都仅提出控制策略并探讨控制效果，并未进行进一步的储能容量配置研究。

1.2.2 BESS容量优化配置研究现状

目前已有一些研究在提出储能控制策略的基础上对储能容量的优化进行了讨论。如文献[12]，提出了虚拟惯性控制与虚拟下垂控制结合的储能控制方案，但其容量配置仅追求满足系统调频评估指标，并未考虑风电场运行经济性。文献[2]提出基于滤波原理的风电出力平抑方法，设计了超级电容-蓄电池混合BESS并对其进行容量配置，但其目标也是满足系统对风电波动的要求。文献[13]选取钠硫电池进行风储联合运行，并利用动态规划法进行容量优化。文献[14]提出了兼顾经济性需求与技术性要求的容量配置方法，定义了量化平滑效果的性能参数并通过计算成本与性能之比得出性价比最高的储能容量，但其平抑策略并不贴合系统实际要求。文献[15]针对提高风电利用率，减少弃风这一目标进行了容量配置，但其储能控制尺度为小时级。

一些较为全面且符合系统实际的研究以风电场运行时段内经济性为目标，将系统对风电出力的技术性要求转化为风电场的波动越限惩罚成本，如文献[4]。其储能采用钒液流电池，提出了实时控制与超前控制两种策略，并进行了基于风电场最大收益的容量配置，但其在配置中对储能成本的计算不够全面。

此外，以上所有研究在平抑风电出力波动后均未进一步考察平抑工作对系统频率稳定性的改善，文献[16]对此进行了探讨，并由仿真得出，超导电磁储能在实际运行中可有效降低系统最大频率偏差。

1.3本文主要内容

本文主要围绕平抑风电场出力波动以改善系统频率稳定性、减轻系统调频压力这一目标展开一系列工作，具体如下：

（1）对风电原始出力的波动性进行分析并指出风电短期波动对系统频率稳定性的负面影响；比较各种电池储能特点与性能参数，选定合适的电池种类；为之后的控制策略设计和容量配置工作奠定基础。

（2）提出风储联合运行平抑风电场出力短期波动的BESS实时控制策略，该策略以平抑风电场出力5min波动率为目标，充分考虑BESS额定功率容量和额定电量容量的限制；通过实际算例分析表明该策略对平抑短期波动具有良好效果；初步探讨BESS不同容量对平抑效果的影响，引出之后的容量配置研究。

（3）分析储能的各方面成本，提出计算运行时段内储能成本的方法；综合考虑风电场运行的经济性需求与技术性要求，提出基于运行时段内总费用最小的BESS容量配置方案；通过实际算例计算验证其可行性。

（4）结合电力系统运行实际情况建立模型，以引入BESS前后风电场实际出力（分别为风电场原始出力和风储联合出力）和SVM预测拟合风电出力的差值为输入功率偏差，考察系统频率稳定性的变化情况，证明风电场出力短期波动的平抑对改善频率稳定性、减轻系统调频压力具有重要意义。

（5）对本文进行归纳总结，并对后续研究做出展望。

第二章 引入BESS与风电联合运行提高系统频率稳定性理论分析

在电力系统中，当发电上网功率与负荷功率间出现不平衡时，系统频率将出现波动偏差，为确保电网频率稳定需要设置一定的备用容量以补偿不平衡时的功率差额。传统电网中发电侧电源出力是可控的，不平衡主要由负荷的不确定性和波动性引起；而在含风电的系统中，风电出力具有更强的随机性与波动性，尤其在大规模风电并网的高风电渗透率系统中，风电出力变化率对系统频率稳定性具有重要影响。本文对储能与风电联合运行的控制与容量配置进行研究，首先要对风电出力特性及储能运行特性作一定探讨。

2.1风电出力的波动性及其对系统调频影响分析

2.1.1风电出力波动性分析

本节将对风电出力波动性作一简要分析，提出风电出力变化率作为量化表征风电出力波动程度的指标，也便于之后对系统频率影响的讨论，其计算公式如下：

其中为风电出力变化率，、为相邻两时刻风电出力，为采样时间间隔。有时公式中不除以，仅求后一时刻与前一时刻出力差值，则称之为风电出力变化率，如=5min时，即称为风电出力5min变化率。

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