21ic智能電網：為減少大型并網風電場輸出功率不穩(wěn)定給系統(tǒng)頻率造成的較大影響，在Matlab平臺中仿真了風電機組輸出功率隨風速變化的規(guī)律，以風電機組輸出功率特性函數和風電場風速概率分布函數為基礎，提出了一種計算大型風電系統(tǒng)長時間穩(wěn)定輸出所需儲能容量的方法，并用實際風電場數據驗證了該方法的有效性，以期為風電場設計提供決策參考。

0 引言

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是風能利用的主要形式。風力發(fā)電作為一種特殊的電力，其原動力是風。自然界風的變化是很難預測的，風速和風向的變化影響著風力發(fā)電機的出力。風力發(fā)電機輸出功率的不穩(wěn)定性使風力發(fā)電具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點。大規(guī)模風電場并網對系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-2]、電能質量[3-6]的影響不容忽視，如果這些問題得不到適當的處理，不僅會危及負荷端用電，甚至可能導致整個電網崩潰，而且會制約風能的利用，限制風電場的規(guī)模。

我國《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》[7]指出，在“十一五”期間全國將重點建設約30個10萬kW以上的大型發(fā)電場和5個百萬kW 級風電基地。大型風電并網將對電網運行的穩(wěn)態(tài)頻率產生一定影響。風電場優(yōu)化輸出[8]是保證電網頻率穩(wěn)定的重要技術問題。

文獻[9]用飛輪儲能系統(tǒng)來實現風電機輸出功率補償，具有儲能密度大、充放電速度快且無環(huán)境污染的優(yōu)點。

文獻[10]仿真研究了串并聯型超級電容器儲能系統(tǒng)對平滑風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，具有高功率密度、高充放電速度、控制簡單、轉換效率高、無污染等特點。

文獻[11]研究了電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)在改善并網風電場電能質量方面的應用情況，具有快速的功率吞吐率和靈活的4 象限調節(jié)能力。

文獻[12-14]對超導儲能裝置(superconducting magnetic energy storage，SMES)在并網型風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用作了深入研究，發(fā)現超導儲能系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性、4 象限運行能力和無損儲能等優(yōu)勢。

儲能技術在并網風電場中的應用已被廣泛研究，相關學者正努力攻克大容量儲能技術，并不斷降低單位儲能成本。目前，容量為5GW.h 的SMES已通過可行性分析和技術論證[15]。不過，按現有的儲能方式，即風力發(fā)電機始終以最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方式運行，當負荷較輕(如夜間)時，部分電能被儲存，當負荷重且遇到弱風時，儲能設備中的能力被轉換成電能進行補償，這時因為電網負荷的波動特性往往并不與風電功率的波動特性一致，仍存在如何合理選取儲能容量大小的問題。另一種辦法是降額發(fā)電，即在正常情況下，風電場不按照最大功率點跟蹤的方式運行，而是按最大功率的一定百分比發(fā)電，當風力下降或上升時，相應地提升或降低發(fā)電能力，以減緩發(fā)電量的隨機波動。這種方法直接影響了風能利用的效率，大大降低了運營利潤，且調節(jié)能力有限。

本文將以實際風電場風速概率密度曲線為基礎，研究大型風電場要達到長期有功功率穩(wěn)定輸出所需儲能能量的計算方法，合理選取儲能容量使風電場輸出功率均勻，風能利用率最大。

1 風電場輸出功率隨風速的變化情況

電力系統(tǒng)頻率波動的直接原因是發(fā)電機輸入功率和輸出功率之間不平衡。在傳統(tǒng)的水電、火電發(fā)電機組并聯運行的電力系統(tǒng)中，原動機功率是恒定不變的，這取決于本臺發(fā)電機的原動機和調速器的特性，是相對容易控制的因素;發(fā)電機電磁功率的變化不僅與本臺發(fā)電機的電磁特性有關，更取決于電力系統(tǒng)的負荷特性，是難以控制的因素，也是引起電力系統(tǒng)頻率波動的主要原因[16]。然而在含有大型風電場的電力系統(tǒng)中，原動機功率波動頻繁，難以預測，為便于研究，需要將負荷設為恒定值(或認為其波動由傳統(tǒng)機組平衡)，來探討風電場因風速波動給系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來的影響。

本文在Matlab7.6 的Simulink 平臺中搭建了圖1 所示的含大型風電場簡化系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模擬由50臺容量為1.5MW 雙饋風電機組組成的風電場，每臺風電機并聯電容補償容量為150kvar，這些發(fā)電機通過690V/10kV變壓器升壓后再經10kV/220kV升壓變壓器接入系統(tǒng)。本文采用Matlab7.6/Simulink7.1中雙饋異步發(fā)電機的平均模型。該模型用程控電壓源代替絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電壓源換流器，它不產生諧波，仿真時間更長，有利于研究風速變化后風電機組出力的變化規(guī)律。

當t=15s時，用這個模型對風速分別從11m/s降至9m/s 和3m/s 的過程進行仿真，風電場出力的變化情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出：當風速下降幅度不大(11m/s降至9m/s)時，風電機組有功輸出非線性下降，約15s后穩(wěn)定;如果下降到啟動風速以下，則有一個輸出功率快速減少的過程，輸出功率下降更快(歷時約8s)。在實際風電場中，風速不可能只是呈現單一的減小變化，而是經常上下波動，這就使風電場輸出功率波動頻繁，從而使電力系統(tǒng)頻率波動頻繁。

2 風電機組輸出功率特性函數

風力發(fā)電機空氣動力數學模型為：

式中：PM為風電機額定功率;ρ為空氣密度;Cp為風能轉換效率系數;R為風力機葉輪半徑;Vω為注入風速;λ為葉尖速比;β為槳距角。

風電場中上百臺風力機布置在一起，一些風力機將處于其它風力機的尾流中，風力機的性能會受到影響，這會影響整個風電場總的有功功率輸出[17]。受尾流效應的影響，風電場的輸出功率與風速、風向有關，風電場的輸出功率呈現出方向性。因此合理布置風力機，可以盡量減小風力機尾流的影響，提高風電場效率，使風電場的經濟性達到最佳。相關研究結果[17]表明：在平坦地形的風電場中布置風力機時，可沿順行方向菱形排列風力機，前后排風力機錯開布置，間距可取風力機直徑的8~10 倍，風力機左右間距可取風力機直徑的2~3 倍，這樣可以很好地減小風力機尾流效應的影響。