唐宏德,郭家寶,陳文升

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200025)

為解決風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的問(wèn)題,我國(guó)已有部分企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)立項(xiàng)開(kāi)展風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究和工程試點(diǎn),旨在采用新的技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及電網(wǎng)的友好互動(dòng)和智能調(diào)度,實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)對(duì)可再生能源集約化發(fā)展的有力支撐,進(jìn)而破解大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)瓶頸,提高電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模可再生能源的接納能力。

1 系統(tǒng)的特點(diǎn)

由于風(fēng)能和光能的間歇性和隨機(jī)性,風(fēng)、光獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出,如果在風(fēng)、光互補(bǔ)的基礎(chǔ)上加入儲(chǔ)能裝置組成風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),就可以充分利用風(fēng)能和光能在時(shí)間及地域上的天然互補(bǔ)性,同時(shí)配合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電能的存儲(chǔ)和釋放,改善整個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性,緩解風(fēng)電、光電等可再生能源的間歇性和波動(dòng)性與電力系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)平衡之間的矛盾,降低其對(duì)電網(wǎng)的不利影響。

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)風(fēng)能與光能的存儲(chǔ)與釋放,可以使不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高品質(zhì)的電力產(chǎn)品,增加電網(wǎng)對(duì)可再生能源的吸納程度[1-3]。

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能系統(tǒng)和智能控制調(diào)度系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)電和光伏兩種發(fā)電方式在能源的采集上互相補(bǔ)充同時(shí)又各具特色:光伏發(fā)電供電可靠、運(yùn)行維護(hù)成本低、但造價(jià)高;風(fēng)力發(fā)電發(fā)電量高、造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)成本低、但可靠性低。風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不僅為解決當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境污染開(kāi)辟了一條新路,而且有效改善了風(fēng)電和光伏發(fā)電單獨(dú)輸出電力時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的影響。

2 關(guān)鍵技術(shù)

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),包括風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量配比的確定、儲(chǔ)能裝置功率和容量的選擇、風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度策略的制定、智能控制調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案的完善。

2.1 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量配比

研究風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配比問(wèn)題目的,是充分利用風(fēng)光在時(shí)間及地域上的天然互補(bǔ)性以及儲(chǔ)能電池的能量可存儲(chǔ)性,改善整個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)間功率輸出曲線,抑制風(fēng)光獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。

風(fēng)能及太陽(yáng)能資源具有互補(bǔ)性,白天太陽(yáng)能充足、晚上風(fēng)能充足,夏大太陽(yáng)能充足、冬天風(fēng)能充足,特別是在我國(guó)的西北和華北等地區(qū),冬春兩季風(fēng)力大,夏秋兩季太陽(yáng)光輻射強(qiáng)。風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風(fēng)能和太陽(yáng)能的天然互補(bǔ)性,可以大大減少系統(tǒng)中蓄電池的用量,采用風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),很好地克服風(fēng)能及太陽(yáng)能提供能量的隨機(jī)性、間歇性的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)不間斷供電,從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。由于風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能裝置之間有著復(fù)雜的匹配關(guān)系,風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的容量配置就是根據(jù)這種復(fù)雜的匹配關(guān)系決定系統(tǒng)各部分的容量,從而達(dá)到風(fēng)光總輸出功率平穩(wěn)和有效提高能源利用率的作用。因此,在風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置是一個(gè)很重要步驟。

2.2 儲(chǔ)能裝置功率和容量選擇

儲(chǔ)能電池功率和容量的選擇與風(fēng)光發(fā)電輸出的波動(dòng)程度以及儲(chǔ)能系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)有關(guān)。通常情況下,增加儲(chǔ)能電池功率和容量能夠改善風(fēng)光發(fā)電輸出的穩(wěn)定性,但是儲(chǔ)能電池的功率和容量所具有的改善系統(tǒng)輸出電力波形的能力不同,因此要在對(duì)儲(chǔ)能電池功率和容量對(duì)輸出波形影響的研究基礎(chǔ)上,選擇最佳的儲(chǔ)能裝置功率和容量。

2.3 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度策略

風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用的主旨在于利用風(fēng)光在時(shí)間及地域上的天然互補(bǔ)性,以及儲(chǔ)能電池的能量可存儲(chǔ)性,從而改善整個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)間功率輸出曲線,減少分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)的不利影響,利用儲(chǔ)能電池對(duì)不確定性較大的風(fēng)能與光能的存儲(chǔ)與釋放,可以使不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高價(jià)值的產(chǎn)品,增加電網(wǎng)對(duì)可再生能源的吸收接納程度,利用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,還可以為電網(wǎng)提供削峰填谷的功能。在風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,首先要確定風(fēng)光儲(chǔ)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),然后根據(jù)不同的控制目標(biāo)選擇不同的系統(tǒng)調(diào)度策略。

由于風(fēng)光的出力具有不確定性,通常情況下是不可調(diào)度的,因此風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)能量調(diào)度策略的主要任務(wù)確定儲(chǔ)能裝置的充放電過(guò)程,確保系統(tǒng)能夠最大程度地達(dá)到預(yù)定控制目標(biāo)。調(diào)度策略的制定要以可靠的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和控制目標(biāo)作為決策基礎(chǔ),其中數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)包括日風(fēng)速預(yù)測(cè)、日光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)等,控制的基本目標(biāo)主要有平滑電站的功率輸出曲線、跟蹤計(jì)劃出力曲線和實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線削峰填谷等。此外,還需要研究不同目標(biāo)輸出下的總體策略原則以及制定儲(chǔ)能電池的充放電策略。

2.4 智能控制調(diào)度系統(tǒng)

智能控制調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)下達(dá)的調(diào)度曲線、風(fēng)能預(yù)測(cè)和光照預(yù)測(cè),調(diào)節(jié)風(fēng)、光、儲(chǔ)三者的功率輸出,實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的控制目標(biāo),因此是整個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目的控制核心。智能控制調(diào)度的目標(biāo)是將發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的電力,因此是將智能電網(wǎng)和清潔能源結(jié)合的一種重要體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng),各種配置相互獨(dú)立,這種方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但相互之間無(wú)法進(jìn)行信息交互,更做不到系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制,無(wú)法達(dá)到智能控制調(diào)度系統(tǒng)的要求。風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的智能控制調(diào)度系統(tǒng)可采用“一體化”的設(shè)計(jì)原則,在統(tǒng)一的通信平臺(tái)上,配置一體化的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述所有設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制,并實(shí)現(xiàn)智能控制調(diào)度的目的。

根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展情況,儲(chǔ)能裝置、風(fēng)機(jī)、光伏逆變器等設(shè)備控制方式比較特殊,包含機(jī)械、電力電子等器件的監(jiān)測(cè)和控制。目前國(guó)內(nèi)外工程中,儲(chǔ)能裝置、風(fēng)機(jī)、光伏逆變器的控制系統(tǒng)分別由設(shè)備制造商統(tǒng)一提供,均采用專門(mén)的控制策略和通信規(guī)約,電力系統(tǒng)常用的通信標(biāo)準(zhǔn)和控制系統(tǒng)無(wú)法直接用于這些設(shè)備中,因此需要進(jìn)一步研究如何在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能控制。

2.5 風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案

通常,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)本身都具有在一定功率因數(shù)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)能力,其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)基本可在0.95(超前)～0.95(滯后)調(diào)節(jié),光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)都是通過(guò)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行,逆變器的功率因數(shù)一般可在0.98(超前)～0.98(滯后)調(diào)節(jié)。不過(guò)為了實(shí)現(xiàn)這些發(fā)電機(jī)組無(wú)功輸出的連續(xù)可調(diào),還需要在發(fā)電項(xiàng)目?jī)?nèi)另外安裝無(wú)功電壓自動(dòng)控制裝置,真正實(shí)現(xiàn)無(wú)功出力的有效控制。目前,可作為動(dòng)態(tài)無(wú)功備用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、靜止無(wú)功發(fā)生器(STATCOM,也稱SVG)等,在具體的工程應(yīng)用中需要根據(jù)接入電網(wǎng)特點(diǎn)和需求研究無(wú)功補(bǔ)償配置方案。

3 工程應(yīng)用

由于存在波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性的特性風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電獨(dú)立運(yùn)行都很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出,為了研究解決這一問(wèn)題我國(guó)各大電網(wǎng)公司和發(fā)電集團(tuán)都在積極探索風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的工程應(yīng)用,其中最為典型的是國(guó)家電網(wǎng)公司在張家口著手建設(shè)的我國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)大型風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程。該工程旨在通過(guò)采用科學(xué)創(chuàng)新的技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及與電網(wǎng)的友好互動(dòng)和智能化調(diào)度,進(jìn)而破解大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)瓶頸,提高電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模可再生能源發(fā)電的接納能力,為可再生能源集約化發(fā)展提供有力的支撐[1]。

國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程是國(guó)家“金太陽(yáng)工程”的重要組成部分,項(xiàng)目的風(fēng)力發(fā)電500 MW,光伏發(fā)電100MW,儲(chǔ)能系統(tǒng)110MW;一期工程擬建設(shè)風(fēng)力發(fā)電100 MW、光伏發(fā)電50 MW和化學(xué)儲(chǔ)能裝置20MW。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào),不僅能有效減小可再生能源發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊和影響,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,而且對(duì)增強(qiáng)可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,促進(jìn)國(guó)內(nèi)風(fēng)電、光電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展,推動(dòng)我國(guó)風(fēng)資源和光資源的開(kāi)發(fā)利用,實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源可持續(xù)發(fā)展的總體戰(zhàn)略具有重要意義。

[1] 余寅,唐宏德,郭家寶,等.風(fēng)光儲(chǔ)輸一體化發(fā)電應(yīng)用前景分析[J].華東電力,2010,38(12):1891-1893.

[2] 劉波,郭家寶,袁智強(qiáng),等.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度策略研究[J].華東電力,2010,38(12):1897-1899.

[3] 劉波,郭家寶,袁智強(qiáng),等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特性研究[J].華東電力,2010,38(12):1903-1906.