王育飛，劉 浩，薛 花

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)運(yùn)行模式及其優(yōu)化配置

王育飛，劉 浩，薛 花

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

研究了風(fēng)儲(chǔ)混合運(yùn)行模式和優(yōu)化配置，以及各個(gè)模式適用的儲(chǔ)能方式和容量配比等問(wèn)題，分析了風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式的特點(diǎn).結(jié)果表明，采用長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池的容量應(yīng)近似等于風(fēng)電場(chǎng)的額度出力;短補(bǔ)償模式的儲(chǔ)能系統(tǒng)需提供數(shù)十分鐘額定風(fēng)電出力的儲(chǔ)能量;平臺(tái)控制運(yùn)行模式下的儲(chǔ)能電池容量介于長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式和短補(bǔ)償運(yùn)行模式之間.

風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng);運(yùn)行模式;優(yōu)化配置

當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)已相當(dāng)成熟，風(fēng)電成本已具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，某些國(guó)家的風(fēng)電成本已下降到和煤電成本相當(dāng).風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，與其相關(guān)的一系列問(wèn)題也日益凸顯.風(fēng)能資源本身具有隨機(jī)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，這使得風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)的火電廠、水電站不同，不能進(jìn)行穩(wěn)定的電力生產(chǎn).由于風(fēng)電場(chǎng)供電不穩(wěn)定，不具備調(diào)峰功能，因此電力系統(tǒng)一般會(huì)限制風(fēng)電在系統(tǒng)中所占的比例，這無(wú)疑是風(fēng)電發(fā)展的一大阻礙.

當(dāng)風(fēng)電容量占比超過(guò)10%時(shí)，對(duì)局部電網(wǎng)將會(huì)產(chǎn)生明顯沖擊，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起大規(guī)模惡性事故.［1-2］為了保證大規(guī)模風(fēng)電的健康發(fā)展，就必須解決風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)影響問(wèn)題.只有風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了電力的穩(wěn)定生產(chǎn)與自身出力在一定程度上的可控調(diào)節(jié)，才能在電力系統(tǒng)中獲得長(zhǎng)足發(fā)展.［3-4］

儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可用于控制風(fēng)力發(fā)電輸出的有功功率，使風(fēng)力發(fā)電單元作為調(diào)度機(jī)組單元運(yùn)行，而且還具備向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應(yīng)等輔助服務(wù)的能力，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，改善電能質(zhì)量，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益.多種儲(chǔ)能技術(shù)可以用于風(fēng)力發(fā)電中，如飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等.［5-8］從現(xiàn)有技術(shù)的可行性與市場(chǎng)化相結(jié)合的角度分析，電池儲(chǔ)能技術(shù)較其他儲(chǔ)能技術(shù)更適用于風(fēng)能的儲(chǔ)能.在風(fēng)電場(chǎng)附近安裝儲(chǔ)能電池可以臨時(shí)存儲(chǔ)電能，存儲(chǔ)的電能可以通過(guò)精確的控制輸送到電網(wǎng)，確保其不會(huì)引發(fā)頻率的波動(dòng).國(guó)內(nèi)外多年的研究結(jié)果表明:采用風(fēng)儲(chǔ)混合方式可以將風(fēng)電并網(wǎng)功率提高數(shù)倍.風(fēng)電與儲(chǔ)能電池混合系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)”)作為一種可以降低并網(wǎng)功率波動(dòng)的方式正逐漸被廣泛采用.［9-10］隨著風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展和普及，以及各種儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用.

1 風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)電力調(diào)度的要求，風(fēng)儲(chǔ)混合運(yùn)行可以采用3種運(yùn)行模式，即長(zhǎng)補(bǔ)償模式、短補(bǔ)償模式和平臺(tái)控制模式.［11］采用長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)，晚上系統(tǒng)不并網(wǎng)，工作在儲(chǔ)能狀態(tài);白天用電高峰期時(shí)，系統(tǒng)將儲(chǔ)存的電能與當(dāng)時(shí)的風(fēng)電出力一起供給電網(wǎng)，從而提高基礎(chǔ)出力.該儲(chǔ)能模式宜采用大容量電池儲(chǔ)能方式，它使得系統(tǒng)按照調(diào)度的要求出力成為可能，從而降低了對(duì)電力公司補(bǔ)償調(diào)整的依賴.鈉硫儲(chǔ)能電池和鋰離子二次電池均適用于長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式.長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力如圖1所示.

短補(bǔ)償運(yùn)行模式的目的在于去除風(fēng)電出力的“毛刺”，可以抑制頻率為幾十分鐘甚至幾秒鐘以下的波動(dòng)，常采用超級(jí)電容器與儲(chǔ)能電池混合儲(chǔ)能的方式.該運(yùn)行模式需要的儲(chǔ)能電池容量相對(duì)較小，因而也就無(wú)法儲(chǔ)存夜晚全部的風(fēng)電出力，但它可用于降低短時(shí)間內(nèi)出力的波動(dòng).短補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力如圖2所示.

圖1 長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力示意

圖2 短補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力示意

平臺(tái)控制模式的混合系統(tǒng)可以根據(jù)電力調(diào)度安排的階梯波出力要求來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng).平臺(tái)控制模式下的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力示意如圖3所示.大規(guī)模儲(chǔ)能電池的應(yīng)用使得這種新的出力控制方法成為可能.如日本的Futamata風(fēng)電場(chǎng)采用的是鈉硫電池(34 MW)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其用于儲(chǔ)存夜晚發(fā)出的電能，白天時(shí)釋放電能與風(fēng)電出力混合按調(diào)度要求進(jìn)行供電.［12］Futamala風(fēng)電場(chǎng)示范應(yīng)用結(jié)果表明，電網(wǎng)的頻率波動(dòng)得到了明顯改善.

采用平臺(tái)控制模式時(shí)，每天的發(fā)電計(jì)劃將基于該地區(qū)每年的風(fēng)能歷史數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)和儲(chǔ)能總量等信息進(jìn)行安排，該發(fā)電計(jì)劃將被提前告知電力公司.對(duì)于電力公司來(lái)說(shuō)，一旦該計(jì)劃形成，則風(fēng)電場(chǎng)將變成一個(gè)可控的發(fā)電系統(tǒng).因此，平臺(tái)控制意味著風(fēng)電場(chǎng)將按照計(jì)劃安排發(fā)電，從而使得將風(fēng)電視為與火電一樣的穩(wěn)定發(fā)電源成為可能.

圖3 平臺(tái)控制模式下的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)出力示意

2 風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)優(yōu)化配置

采用長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)，其儲(chǔ)能電池的容量應(yīng)近似等于風(fēng)電場(chǎng)的出力，用于存儲(chǔ)夜晚的全部風(fēng)力發(fā)電量，因此該模式需要花費(fèi)較高的大容量?jī)?chǔ)能電池成本.

應(yīng)用儲(chǔ)能電池來(lái)控制短期輸出波動(dòng)的短補(bǔ)償運(yùn)行模式已得到了較深入的研究.［13-14］通常，為了使電網(wǎng)頻率的變動(dòng)最小化，電力公司會(huì)要求風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)滿足一定的條件，如保持20 min內(nèi)風(fēng)電出力波動(dòng)不超過(guò)額定出力的10%.如果風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)能夠保持在允許的范圍內(nèi)，電力公司將能夠運(yùn)用自有的發(fā)電量吸收任何功率波動(dòng)，這就意味著系統(tǒng)即使不采用鈉硫電池一類的大容量?jī)?chǔ)能電池也是可行的.例如，可以通過(guò)超級(jí)電容器和二次電池(鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)達(dá)到平滑風(fēng)電出力的目的.與二次電池混合的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)任何地方產(chǎn)生的數(shù)秒到數(shù)十分鐘的電力，從而平滑風(fēng)電出力.超級(jí)電容器的充放電循環(huán)壽命高達(dá)數(shù)百萬(wàn)次，因此非常適用于像風(fēng)電這樣的需要重復(fù)短時(shí)間充放電的應(yīng)用場(chǎng)合.短補(bǔ)償模式需要的電池容量較低(約為風(fēng)電額定出力的10%)，成本也相對(duì)較低，但其需要電力公司提供較多的補(bǔ)償調(diào)整.

平臺(tái)控制運(yùn)行模式下的儲(chǔ)能電池容量介于長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式和短補(bǔ)償運(yùn)行模式之間，可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的平均出力、電力調(diào)度等要求來(lái)確定.以風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率分布函數(shù)和風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算大型風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輸出所需儲(chǔ)能容量的具體步驟如下.［15］

(1)根據(jù)風(fēng)速概率密度曲線計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的數(shù)學(xué)期望，其計(jì)算公式為:

式中:f(v)——風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性函數(shù);

q(v)——風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率密度函數(shù);

vin，vn，vout——切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速.

(2)將上述計(jì)算得到的輸出功率期望值設(shè)定為風(fēng)電場(chǎng)平均功率水平，找出與平均功率水平對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值v1.

(3)以風(fēng)速v1為基準(zhǔn)值，如果風(fēng)速大于v1，則風(fēng)電場(chǎng)按v1對(duì)應(yīng)的有功功率輸出，將超出的部分能量用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái);如果風(fēng)速小于v1，則風(fēng)電場(chǎng)仍按v1對(duì)應(yīng)的有功功率輸出，不足的能量由儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)足.

(4)根據(jù)E=PH計(jì)算儲(chǔ)能設(shè)備容量，其中H為啟動(dòng)風(fēng)速以下期望風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)輸出的小時(shí)數(shù).對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備容量進(jìn)行取值時(shí)需考慮多方面的因素，主要有氣象部門提供的較準(zhǔn)確的持續(xù)大風(fēng)或無(wú)風(fēng)小時(shí)數(shù)(氣象部門預(yù)報(bào)數(shù)小時(shí)內(nèi)無(wú)風(fēng)的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)大于預(yù)報(bào)風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化)、建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)需承擔(dān)的儲(chǔ)能設(shè)備成本、風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中的比重，以及電網(wǎng)調(diào)頻能力等.

若東海風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算的P=0.6 p.u.，表明該102 MW風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的期望值為61.2 MW，調(diào)度中心可將該風(fēng)電場(chǎng)看成是一個(gè)裝機(jī)容量為61.2 MW的發(fā)電廠.經(jīng)綜合考慮后的H若取為5 h，則該風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)裝設(shè)的儲(chǔ)能容量為61.2×5= 306 MWh.

按照上述方式儲(chǔ)能，風(fēng)電場(chǎng)處于降額發(fā)電狀態(tài)(按最大功率的60%發(fā)電)，而實(shí)際上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍是全額發(fā)電，只是將60%的有功功率直接發(fā)出，將多出的部分儲(chǔ)存起來(lái).較理想的情況是儲(chǔ)能容量數(shù)值在零到最大值間來(lái)回波動(dòng)，這時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備一直處于充電和放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程中.如果儲(chǔ)能值持續(xù)為零或最大，則表示儲(chǔ)能容量不夠或是有風(fēng)能被浪費(fèi).若預(yù)報(bào)有幾天風(fēng)速特別大，則儲(chǔ)能設(shè)備可能持續(xù)處于充滿狀態(tài)，可調(diào)高風(fēng)電場(chǎng)平均出力以避免造成風(fēng)資源的浪費(fèi).

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)儲(chǔ)混合運(yùn)行模式和優(yōu)化配置進(jìn)行了研究，具體分析了長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式、短補(bǔ)償運(yùn)行模式和平臺(tái)控制運(yùn)行模式的特點(diǎn)、適用儲(chǔ)能方式、容量配比等問(wèn)題.結(jié)果表明:對(duì)采用長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，較適合采用鈉硫儲(chǔ)能電池和鋰離子二次電池，且儲(chǔ)能電池的容量應(yīng)近似等于風(fēng)電場(chǎng)的額度出力.短補(bǔ)償運(yùn)行模式下，常采用超級(jí)電容器和二次電池(鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，短補(bǔ)償模式的儲(chǔ)能系統(tǒng)需提供數(shù)十分鐘額定風(fēng)電出力的儲(chǔ)能量;平臺(tái)控制運(yùn)行模式下的儲(chǔ)能電池容量介于長(zhǎng)補(bǔ)償運(yùn)行模式和短補(bǔ)償運(yùn)行模式之間，該容量可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的平均出力、電力調(diào)度等要求來(lái)確定.

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(編輯 白林雪)

Operation Mode and Optimization of Hybrid System with Wind Generation and Energy Storage

WANG Yufei，LIU Hao，XUE Hua
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The operation mode and optimization of hybrid system with wind generation and energy storage are studied.Using mathematical method，the appropriate storage style and capacity distribution of each style is analyzed on the basis of the feature of corresponding operation mode.The results show that，for the hybrid system operating in long compensation mode，capacity of the energy storage battery should be approximate to the rated output of the wind field，and the storage system operating in short compensation mode should offer energy storage of wind power output in rated status for dozens of minutes.Capacity of storage battery operating in platform controlling mode is between long compensation mode and short compensation mode.

hybrid system with wind generation and energy storage;operation mode;optimization configuration

TM614

A

1006-4729(2015)03-0210-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.03

2014-09-09

王育飛(1974-)，男，副教授，安徽肥東人.主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制，儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù).E-mail:wangyufei@shiep.edu.cn.

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(12YZ136，12YZ138);上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目(13DZ2251900).