黃玲玲，符楊

上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海

摘要：為了經(jīng)濟(jì)合理地為風(fēng)電場配置儲能設(shè)備，獲得最佳的利用效率，同時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)運行的要求，本文結(jié)合儲能裝置每日一充一放的運行需求特點，提出了電網(wǎng)谷荷時段對風(fēng)電場發(fā)電功率進(jìn)行存儲的思路，對風(fēng)電場需求的儲能裝置的容量和功率進(jìn)行配置，并結(jié)合設(shè)備管理體系對配置結(jié)果進(jìn)行評估。一個風(fēng)電場的實際上網(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)電場的有功出力隨著氣象條件，季節(jié)和每日時間段的不同而變化，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，由于風(fēng)電預(yù)測困難，當(dāng)并網(wǎng)運行的風(fēng)電容量不斷擴(kuò)大時，對電網(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，電力儲能裝置為其提供了新的解決方案。

目前已經(jīng)有多種儲能技術(shù)被用應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，如飛輪儲能、電池儲能、超級電池儲能及超導(dǎo)儲能等。各種儲能技術(shù)由于工作原理不同，使其從功率、容量、工作環(huán)境以及充放電時間特性上都存在較大的差異。文獻(xiàn)[4-6]表明，儲能裝置能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩，提供系統(tǒng)暫態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7]設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來調(diào)節(jié)儲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)。

但是儲能裝置的最終目標(biāo)還是為了實現(xiàn)有功功率在時間上的控制。因此，本文從儲能裝置對風(fēng)電場有功出進(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。

國內(nèi)風(fēng)電場主要是由發(fā)電集團(tuán)和能源公司投資或持股，風(fēng)電場業(yè)主作為獨立的經(jīng)濟(jì)實體，在進(jìn)行儲能容量配置時，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)電場上網(wǎng)電價的政策下，風(fēng)電場配置儲能設(shè)備意味著投資的增加，儲能設(shè)備容量越大，投資增加的越多，對風(fēng)電場的經(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)電場配置儲能設(shè)備，既不造成儲能設(shè)備的浪費，又不因儲能容量不足而未達(dá)到儲能的預(yù)期效果，是風(fēng)電場配置儲能設(shè)備需要解決的一個關(guān)鍵問題。

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

2.電網(wǎng)對風(fēng)電場有功出力的要求

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

為了減少風(fēng)電功率波動性對電網(wǎng)運行的影響，儲能設(shè)備被引入進(jìn)行風(fēng)電功率的平滑，以減少對系統(tǒng)有功–頻率的影響。以圖2為例，通過對儲能功率Pb的控制，可以較好地實現(xiàn)對并網(wǎng)有功功率Pout進(jìn)行控制[8]。

從圖2可以看出，風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送的功率為：

實際上，風(fēng)電場的并網(wǎng)運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，要保證高峰負(fù)荷可風(fēng)電后，在高峰負(fù)荷時，即使風(fēng)電場此時滿發(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，本地風(fēng)電場有功輸出較大時，對電網(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)電場有功功率輸出較大時對電網(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。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)組的運行效益，在負(fù)荷低谷時期，要保證火電機(jī)組的最小技術(shù)出力，就必須限制風(fēng)電場的上網(wǎng)電量。

因此，對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)電場配置的儲能設(shè)備應(yīng)具備以下特點：

1)儲能設(shè)備的容量應(yīng)能滿足風(fēng)電場在谷荷時段發(fā)電量充分存儲的要求；

2)為了能夠?qū)群蓵r期風(fēng)電場發(fā)電功率的充分存儲，儲能設(shè)備的電能存儲時間至少在數(shù)小時以上；

3)若需要平滑風(fēng)電場有功出力，儲能設(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，儲能電池可以較好地滿足上述三點要求。

3.風(fēng)電場儲能電池的配置

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

3.1.容量ES的計算

儲能電池的容量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)能夠提高儲能電池的使用壽命。容量(Ahthroughput)和充放電次數(shù)(Cyclestofailure)是兩個常用的表征電池使用壽命的參數(shù)。圖4是儲能電池充放電次數(shù)、安時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)谷荷時期大容量火電機(jī)組的效率，應(yīng)盡量減少谷荷時期風(fēng)電場上網(wǎng)的電量。因此，儲能電池的容量Es可以根據(jù)風(fēng)電場平均谷時發(fā)電量確定。但是，風(fēng)能的間歇性和波動性，使得風(fēng)電場每日和每時的有功功率都存在差異，為了提高儲能電池的利用效率，應(yīng)該從數(shù)據(jù)統(tǒng)計的角度，結(jié)合風(fēng)電場多年的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行計算：

3.2.額定功率PS

常用的電池儲能系統(tǒng)(BES)如圖5所示[13]。通過變換器控制系統(tǒng)對交直流變換器的控制可以實現(xiàn)對儲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，整個電池儲能系統(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)定運行狀態(tài)下，通常取10%的裕量，即

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

4.應(yīng)用效果評估

為了對上述方法的應(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)對風(fēng)電場中配置的儲能電池的設(shè)備利用率進(jìn)行評估[14,15]。主要有：

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

5.算例分析

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

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

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

結(jié)合上文算法，為風(fēng)電場配置5MW/30MWh儲能設(shè)備。表1為風(fēng)電場各種儲能配置應(yīng)用效果對比數(shù)據(jù)和谷時有功出力統(tǒng)計圖。

表1可以看出，風(fēng)電場配置的儲能設(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)實際需求綜合評定。

本文提出的算法對風(fēng)電場儲能設(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)備利用率兩個方面，得到一個相對較優(yōu)的利用效果。

6.結(jié)論

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

2)本文提出的谷荷時段對風(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)行存儲，其它時段可以根據(jù)需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的思路，符合目前許多風(fēng)電場對儲能裝置每日一充一放的需求。

3)本文采用有功功率統(tǒng)計的方法對風(fēng)電場進(jìn)行儲能設(shè)備容量和功率的選擇配置，適用于已投運的風(fēng)電場，對于規(guī)劃或建設(shè)中的風(fēng)電場可以擴(kuò)展為風(fēng)功率統(tǒng)計的方法。一個具體風(fēng)電場實際上網(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)資源和儲能設(shè)備綜合利用效果。

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