黃玲玲，符楊

上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海

摘要：為了經(jīng)濟(jì)合理地為風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備，獲得最佳的利用效率，同時(shí)滿足消耗性能源為主的電網(wǎng)中大型火電或核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，本文結(jié)合儲(chǔ)能裝置每日一充一放的運(yùn)行需求特點(diǎn)，提出了電網(wǎng)谷荷時(shí)段對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率進(jìn)行存儲(chǔ)的思路，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)需求的儲(chǔ)能裝置的容量和功率進(jìn)行配置，并結(jié)合設(shè)備管理體系對(duì)配置結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)分析說明該方法能夠獲得較優(yōu)的綜合利用效果。

1.引言

風(fēng)能是一種隨機(jī)性和間歇性的能源，風(fēng)電場(chǎng)的有功出力隨著氣象條件，季節(jié)和每日時(shí)間段的不同而變化，有功輸出的控制能力有限，像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行發(fā)電量調(diào)節(jié)難度較大。同時(shí)，由于風(fēng)電預(yù)測(cè)困難，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電容量不斷擴(kuò)大時(shí)，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來了嚴(yán)重的影響[1-3]。為了解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的問題，除了分析電網(wǎng)最大穿透功率、建立相應(yīng)容量的備用電源和調(diào)節(jié)設(shè)備之外，電力儲(chǔ)能裝置為其提供了新的解決方案。

目前已經(jīng)有多種儲(chǔ)能技術(shù)被用應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，如飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電池儲(chǔ)能及超導(dǎo)儲(chǔ)能等。各種儲(chǔ)能技術(shù)由于工作原理不同，使其從功率、容量、工作環(huán)境以及充放電時(shí)間特性上都存在較大的差異。文獻(xiàn)[4-6]表明，儲(chǔ)能裝置能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩，提供系統(tǒng)暫態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置的有功功率和無功功率，能夠保證無功功率輸出的合理和最優(yōu)。

但是儲(chǔ)能裝置的最終目標(biāo)還是為了實(shí)現(xiàn)有功功率在時(shí)間上的控制。因此，本文從儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功出進(jìn)行調(diào)節(jié)的角度出發(fā)，不考慮諸如調(diào)壓和無功控制等其它功能。

國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)主要是由發(fā)電集團(tuán)和能源公司投資或持股，風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主作為獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)實(shí)體，在進(jìn)行儲(chǔ)能容量配置時(shí)，除了要滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求之外，還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。在當(dāng)前4類風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電價(jià)的政策下，風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備意味著投資的增加，儲(chǔ)能設(shè)備容量越大，投資增加的越多，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益影響也就越大。因此，經(jīng)濟(jì)合理地為不同容量的風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備，既不造成儲(chǔ)能設(shè)備的浪費(fèi)，又不因儲(chǔ)能容量不足而未達(dá)到儲(chǔ)能的預(yù)期效果，是風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

本文結(jié)合電網(wǎng)的有功調(diào)節(jié)需求和風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出的特點(diǎn)，從風(fēng)電場(chǎng)的角度出發(fā)，滿足儲(chǔ)能裝置每日一充一放的運(yùn)行需求，以風(fēng)電場(chǎng)配置的儲(chǔ)能設(shè)備利用率最優(yōu)為目標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的功率和容量進(jìn)行選擇。并通過實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)有功出力特性，對(duì)該方法指導(dǎo)下儲(chǔ)能設(shè)備的利用率進(jìn)行評(píng)估。

2.電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功出力的要求

目前已經(jīng)投運(yùn)的大型風(fēng)電場(chǎng)基本都采用最大風(fēng)能捕捉的控制策略。因此，風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率受風(fēng)速和天氣的影響很大，表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特定。圖1所示為某風(fēng)電場(chǎng)典型并網(wǎng)日有功功率曲線。

為了減少風(fēng)電功率波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，儲(chǔ)能設(shè)備被引入進(jìn)行風(fēng)電功率的平滑，以減少對(duì)系統(tǒng)有功–頻率的影響。以圖2為例，通過對(duì)儲(chǔ)能功率Pb的控制，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)有功功率Pout進(jìn)行控制[8]。

從圖2可以看出，風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)輸送的功率為：

實(shí)際上，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行還需要考慮其他因素。電力調(diào)度在安排發(fā)電機(jī)組時(shí)，要保證高峰負(fù)荷可風(fēng)電后，在高峰負(fù)荷時(shí)，即使風(fēng)電場(chǎng)此時(shí)滿發(fā)，只要壓低其它一些機(jī)組出力，便可以保證電網(wǎng)頻率合格；靠供電，并留有一定事故、負(fù)荷備用；負(fù)荷低谷時(shí)通過調(diào)峰壓出力保證頻率合格[9]。電網(wǎng)接入相當(dāng)容量的但是在負(fù)荷低谷時(shí)，本地風(fēng)電場(chǎng)有功輸出較大時(shí)，對(duì)電網(wǎng)中其它常規(guī)能源電廠來說，相當(dāng)于擴(kuò)大了電網(wǎng)的峰谷差。因此，谷荷狀態(tài)下，風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出較大時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響更大。

以上海市地區(qū)為例，上海市地區(qū)2010年全年最大負(fù)荷為26212.5MW，全市最小負(fù)荷8251.1MW，上海市地區(qū)當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠全年最大發(fā)電功率為17764.1MW，最小發(fā)電功率為5813.5MW。上海市電網(wǎng)2010年底裝機(jī)容量構(gòu)成與分布如圖3所示[10]。

從圖3和上述數(shù)據(jù)可以看出，上海市電網(wǎng)配置有相當(dāng)容量的發(fā)電設(shè)備，負(fù)荷消耗的電能主要來源于火力發(fā)電機(jī)組。而且新增的火電發(fā)電機(jī)組越來越呈現(xiàn)大容量化的趨勢(shì)。為了解決電網(wǎng)日益發(fā)展，峰谷差增大的問題，原本承擔(dān)基荷的一些大容量火電機(jī)組或核電機(jī)組，開始降低負(fù)荷運(yùn)行或停機(jī)以滿足調(diào)峰填谷的要求。為了提高大容量機(jī)組的運(yùn)行效益，在負(fù)荷低谷時(shí)期，要保證火電機(jī)組的最小技術(shù)出力，就必須限制風(fēng)電場(chǎng)的上網(wǎng)電量。

因此，對(duì)于大型火電或核電承擔(dān)主要發(fā)電負(fù)荷的地區(qū)來說，風(fēng)電場(chǎng)配置的儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

1)儲(chǔ)能設(shè)備的容量應(yīng)能滿足風(fēng)電場(chǎng)在谷荷時(shí)段發(fā)電量充分存儲(chǔ)的要求；

2)為了能夠?qū)群蓵r(shí)期風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率的充分存儲(chǔ)，儲(chǔ)能設(shè)備的電能存儲(chǔ)時(shí)間至少在數(shù)小時(shí)以上；

3)若需要平滑風(fēng)電場(chǎng)有功出力，儲(chǔ)能設(shè)備還需要具備相應(yīng)快速放電的能力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能電池可以較好地滿足上述三點(diǎn)要求。

3.風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電池的配置

交流電能不能直接存儲(chǔ)，但是可以通過電磁變化、電化學(xué)變化、動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)化后進(jìn)行存儲(chǔ)。每一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)都包含一個(gè)電能轉(zhuǎn)化的設(shè)備[11]。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量通常包含兩個(gè)方面的：一個(gè)是儲(chǔ)能設(shè)備的容量，即儲(chǔ)能裝置能夠存儲(chǔ)的電能量的多少，另一個(gè)是儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，即電能量能夠被存儲(chǔ)或釋放的速度，這個(gè)主要取決于能量轉(zhuǎn)換裝置的最大轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)也受電池自身反應(yīng)速率的影響。這兩個(gè)參數(shù)之間可以通過儲(chǔ)能設(shè)備的充電時(shí)間或放電時(shí)間構(gòu)成聯(lián)系，即

3.1.容量ES的計(jì)算

儲(chǔ)能電池的容量Es表示電池最大的充放電能力，但是為了提高儲(chǔ)能電池的使用壽命，通常不采用滿充滿放的方式，選擇合適的放電深度(DOD)能夠提高儲(chǔ)能電池的使用壽命。容量(Ahthroughput)和充放電次數(shù)(Cyclestofailure)是兩個(gè)常用的表征電池使用壽命的參數(shù)。圖4是儲(chǔ)能電池充放電次數(shù)、安時(shí)吞吐量與放電深度之間的曲線關(guān)系[12]。從圖4中可以看出，選擇50%的DOD可以獲得較優(yōu)的儲(chǔ)能電池使用壽命。

根據(jù)上文所述，為了改善在電力系統(tǒng)谷荷時(shí)期大容量火電機(jī)組的效率，應(yīng)盡量減少谷荷時(shí)期風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)的電量。因此，儲(chǔ)能電池的容量Es可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)平均谷時(shí)發(fā)電量確定。但是，風(fēng)能的間歇性和波動(dòng)性，使得風(fēng)電場(chǎng)每日和每時(shí)的有功功率都存在差異，為了提高儲(chǔ)能電池的利用效率，應(yīng)該從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的角度，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)多年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

3.2.額定功率PS

常用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BES)如圖5所示[13]。通過變換器控制系統(tǒng)對(duì)交直流變換器的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池組以不同大小的功率進(jìn)行充放電，甚至可以如風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行最大風(fēng)能捕捉一般，追蹤風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化進(jìn)行連續(xù)性控制。但是，由于變換器電力電子器件的限制，整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率上限，即只能工作于Ps.max以下。從目前的電力電子變換器系統(tǒng)來看，交直流變換器在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，通常取10%的裕量，即

儲(chǔ)能電池的額定功率越大，相應(yīng)的其價(jià)格也越高，為了充分利用儲(chǔ)能設(shè)備并保證其經(jīng)濟(jì)性，本文中儲(chǔ)能設(shè)備的額定功率按式(5)的約束取風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)概率最大發(fā)電功率。

4.應(yīng)用效果評(píng)估

為了對(duì)上述方法的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，這里結(jié)合企業(yè)管理體系設(shè)備利用指標(biāo)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中配置的儲(chǔ)能電池的設(shè)備利用率進(jìn)行評(píng)估[14,15]。主要有：

1)設(shè)備時(shí)間利用率：每年度設(shè)備實(shí)際使用的時(shí)間占計(jì)劃用時(shí)的百分比，是指設(shè)備的使用效率。由于文中采用風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電池每日一充一放的使用規(guī)則，因此，這里采用設(shè)備時(shí)間利用率評(píng)估儲(chǔ)能設(shè)備能夠被充分利用的時(shí)間百分比，即：

5.算例分析

為驗(yàn)證所提出算法的有效性，以上海某16.5MW風(fēng)電場(chǎng)為應(yīng)用對(duì)象，結(jié)合該風(fēng)電場(chǎng)2008~2009年的發(fā)電量數(shù)據(jù)，按照上述方法進(jìn)行儲(chǔ)能電池容量配置，并評(píng)估儲(chǔ)能電池的利用率。

圖6為該風(fēng)電場(chǎng)2008~2009年峰谷上網(wǎng)電量比數(shù)據(jù)。從中可以看出該風(fēng)電場(chǎng)峰谷上網(wǎng)電量比基本在2:1~3:1之間，一天24小時(shí)中風(fēng)資源分布較為均勻，電網(wǎng)處于峰荷時(shí)期風(fēng)資源稍好。

圖7為該風(fēng)電場(chǎng)2008~2009年谷時(shí)輸出有功功率百分比分布圖。從圖7可以看出，該風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)有功出力為0~5MW之間的情況占全年的60%以上。

結(jié)合上文算法，為風(fēng)電場(chǎng)配置5MW/30MWh儲(chǔ)能設(shè)備。表1為風(fēng)電場(chǎng)各種儲(chǔ)能配置應(yīng)用效果對(duì)比數(shù)據(jù)和谷時(shí)有功出力統(tǒng)計(jì)圖。

表1可以看出，風(fēng)電場(chǎng)配置的儲(chǔ)能設(shè)備容量越大，風(fēng)資源的利用率越高，但是設(shè)備利用率越低，反之配置的儲(chǔ)能設(shè)備越小，風(fēng)資源的利用率越低，但是設(shè)備的利用率就越高。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求綜合評(píng)定。

本文提出的算法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能設(shè)備Es和Ps進(jìn)行配置的結(jié)果可以綜合風(fēng)資源利用率和設(shè)備利用率兩個(gè)方面，得到一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的利用效果。

6.結(jié)論

1)本文針對(duì)目前電網(wǎng)火電裝機(jī)比例較大的特點(diǎn)，分析得到風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備容量主要受谷荷時(shí)段大型火電機(jī)組最小技術(shù)出力約束。

2)本文提出的谷荷時(shí)段對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量進(jìn)行存儲(chǔ)，其它時(shí)段可以根據(jù)需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的思路，符合目前許多風(fēng)電場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能裝置每日一充一放的需求。

3)本文采用有功功率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能設(shè)備容量和功率的選擇配置，適用于已投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)于規(guī)劃或建設(shè)中的風(fēng)電場(chǎng)可以擴(kuò)展為風(fēng)功率統(tǒng)計(jì)的方法。一個(gè)具體風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際上網(wǎng)電量和有功功率數(shù)據(jù)說明，該方法能夠獲得較優(yōu)的風(fēng)資源和儲(chǔ)能設(shè)備綜合利用效果。

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