【火电机组、风能、储能】高比例风电电力系统储能运行及配置分析附Matlab代码

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🔥 内容介绍

随着 “双碳” 目标推进，风电作为清洁低碳的可再生能源，在电力系统中的占比持续提升。然而，风电的间歇性、波动性与随机性（如风速骤变导致功率波动幅度可达额定功率的 30%~50%），给电力系统的功率平衡、频率稳定与电压控制带来严峻挑战。火电机组作为传统电力系统的核心调节资源，虽具备一定的调频、调峰能力，但存在响应速度慢（分钟级）、爬坡率有限（通常≤5% 额定功率 / 分钟）、深度调峰经济性差等问题；储能系统（如锂电池、抽水蓄能、压缩空气储能）则凭借毫秒至秒级的响应速度、双向功率调节能力，成为平抑风电波动、提升系统灵活性的关键支撑。本文聚焦高比例风电电力系统（风电渗透率≥30%），系统分析储能的运行策略、容量配置方法，以及与火电机组的协同优化机制，为高比例风电并网场景下的系统稳定运行提供技术方案。

一、高比例风电电力系统的核心挑战与储能的价值定位

1. 高比例风电接入引发的系统运行难题

当风电渗透率超过 30% 后，传统以火电机组为核心的调节体系难以应对风电波动，主要面临三大挑战：

2. 储能在高比例风电系统中的核心价值

储能通过 “充电 - 放电” 的灵活调节，可在不同时间尺度上弥补风电与火电机组的调节短板，其价值体现在三个维度：

• 短期波动平抑（秒至分钟级）：针对风电 ±10% 额定功率以内的高频波动（如 10 秒内功率骤降 8%），储能通过快速充放电（响应时间≤100 毫秒），将风电功率波动幅度控制在 ±2% 以内，减轻火电机组的调频压力；

• 中期功率调节（小时级）：在风电功率低谷时段（如白天），储能放电补充功率缺额，避免火电机组频繁启机；在风电功率高峰时段（如夜间），储能充电吸收盈余功率，避免风电弃风，提升消纳率；

• 长期容量备用（日至周级）：针对风电季节性波动（如冬季风速高、夏季风速低），储能与抽水蓄能等长时储能配合，作为容量备用，保障系统长期功率平衡，减少火电机组的备用容量配置。

3. 火电机组与储能的协同调节逻辑

火电机组与储能并非替代关系，而是通过 “分工协同” 实现系统整体优化：

• 调节时间分工：储能负责秒至分钟级的快速调节（如调频、高频波动平抑），火电机组负责分钟至小时级的慢速调节（如基荷供电、深度调峰）；

• 调节强度分工：储能承担 ±20% 额定功率以内的功率波动调节，火电机组承担超出部分的大功率调节（如负荷率从 50% 提升至 80%）；

• 经济性分工：在电价低谷时段（风电盈余），储能充电（利用低价电），火电机组维持低负荷运行；在电价高峰时段（风电低谷），储能放电（获取高收益），火电机组维持经济负荷运行，降低整体运行成本。

二、高比例风电电力系统中储能的运行策略设计

储能运行策略需根据风电波动特性、系统负荷需求与火电机组状态动态调整，核心包括短期波动平抑策略、中期充放电调度策略与长期容量备用策略。

1. 短期波动平抑策略（针对秒至分钟级风电波动）

短期波动平抑的目标是将风电并网功率波动控制在系统可接受范围，需结合 “预测 - 补偿” 双机制设计：

（1）风电功率预测与波动识别

通过 “物理模型 + 机器学习” 融合预测方法，实现 10 分钟内风电功率的精准预测（预测误差≤5%）：

• 物理模型：基于数值天气预报（NWP）的风速、风向数据，结合风机功率曲线，计算基础功率预测值；

• 机器学习修正：采用 LSTM 神经网络，利用历史功率数据、实时风速数据对基础预测值进行修正，提升短期预测精度。

根据预测结果，将风电波动分为三类：

• 高频小幅度波动：10 秒内功率变化 ±5% 以内，需储能快速平抑；

• 中频中幅度波动：1 分钟内功率变化 ±5%~±10%，需储能与火电机组协同平抑；

• 低频大幅度波动：5 分钟内功率变化 ±10% 以上，需启动系统备用容量（如备用火电机组）。

三、高比例风电电力系统中储能的容量配置方法

储能容量配置需平衡 “调节需求、经济性与可靠性”，核心包括功率容量（MW）与能量容量（MWh）的确定，需结合系统风电渗透率、火电机组特性与运行场景动态计算。

1. 基于波动平抑需求的功率容量配置

功率容量主要用于应对风电短期波动与调频需求，计算需考虑风电波动幅度、系统调节要求与火电机组爬坡能力：

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 柴沛垚.高比例风电电力系统储能运行及配置分析[J].电力设备管理, 2023(6):139-141.

[2] 王树岩.基于数据驱动的电力市场分析[D].华北电力大学(北京),2023.

[3] 刘可真代莹皓赵庆丽吴政声董敏.含储能的高比例风电系统优化运行模型[J].电力科学与工程, 2022, 38(10):10-19.DOI:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2022.10.002.

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