21ic智能電網：為減少大型并網風電場輸出功率不穩定給系統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長時間穩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，風力發電是風能利用的主要形式。風力發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電機的出力。風力發電機輸出功率的不穩定性使風力發電具有許多不同于常規能源發電的特點。大規模風電場并網對系統穩定性[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，限制風電場的規模。

我國《可再生能源發展“十一五”規劃》[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態頻率產生一定影響。風電場優化輸出[8]是保證電網頻率穩定的重要技術問題。

文獻[9]用飛輪儲能系統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境污染的優點。

文獻[10]仿真研究了串并聯型超級電容器儲能系統對平滑風力發電系統輸出功率的影響，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(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)在并網型風力發電系統中的應用作了深入研究，發現超導儲能系統具有良好的動態特性、4 象限運行能力和無損儲能等優勢。

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電，當風力下降或上升時，相應地提升或降低發電能力，以減緩發電量的隨機波動。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

電力系統頻率波動的直接原因是發電機輸入功率和輸出功率之間不平衡。在傳統的水電、火電發電機組并聯運行的電力系統中，原動機功率是恒定不變的，這取決于本臺發電機的原動機和調速器的特性，是相對容易控制的因素;發電機電磁功率的變化不僅與本臺發電機的電磁特性有關，更取決于電力系統的負荷特性，是難以控制的因素，也是引起電力系統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機組平衡)，來探討風電場因風速波動給系統頻率穩定帶來的影響。

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模型。該系統模擬由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。本文采用Matlab7.6/Simulink7.1中雙饋異步發電機的平均模型。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，從而使電力系統頻率波動頻繁。

2 風電機組輸出功率特性函數

風力發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。