鐘思維，隋永寶

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211002）

0 引 言

從第一次工業(yè)革命開(kāi)始，全球工業(yè)快速發(fā)展，伴隨而來(lái)的溫室氣體污染及造成的危害也與日俱增，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注[1-5]。2015年《巴黎協(xié)定》得到全球各國(guó)的廣泛認(rèn)可，并確立了全球?qū)崿F(xiàn)到2100年與工業(yè)化前的1850年期間相比溫升控制在2 ℃的基礎(chǔ)上向1.5 ℃努力的宏偉目標(biāo)。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在《2019年排放差距報(bào)告》中指出，在2020—2030年間，需要確溫室氣體排放量每年下降7.6%，才能實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中提及的1.5 ℃目標(biāo)[6,7]。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏電站度電成本不斷下降，已實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，是高能耗煤化工減排改造的重要手段，但光伏作為一種間隙性能源難以保障全區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。本系統(tǒng)仍需考慮配置一定容量的鋰電池儲(chǔ)能并配合原火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)原有電網(wǎng)的調(diào)頻等穩(wěn)定性控制。

本文基于光氫儲(chǔ)+火電系統(tǒng)框架，提出以火電運(yùn)行最小化，以原有電網(wǎng)改造量最小為目標(biāo)，以光伏、制氫系統(tǒng)及園區(qū)電網(wǎng)處于正常狀態(tài)為約束，提出基于光功率預(yù)測(cè)的協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)而優(yōu)化儲(chǔ)能容量的配置，根據(jù)某項(xiàng)目參數(shù)完成校驗(yàn)計(jì)算。

1 園區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的光氫儲(chǔ)+火電的混合能源園區(qū)電網(wǎng)的系統(tǒng)，主要由光伏陣列、制氫電解槽、煤化工系統(tǒng)、火電站、鋰電池、變流器及園區(qū)工業(yè)負(fù)荷等元件組成。

1.2 煤化工園區(qū)電網(wǎng)改造功能需求

已建成運(yùn)行的煤化工園區(qū)，其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已包含火電及負(fù)荷，同時(shí)與電網(wǎng)并網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)可自行調(diào)整至穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。為了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，不僅要明確新系統(tǒng)送點(diǎn)功率，同時(shí)也需要保障送電容量變化率與原火電機(jī)組出力變化率相匹配，即滿足：

1.3 電解制氫模型分析及約束條件

電解槽可以看作一個(gè)可變負(fù)荷。利用過(guò)剩的電能電解水制氫，產(chǎn)生的氫氣通過(guò)工業(yè)管道提供給煤化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，又使得輸出到原系統(tǒng)的電能平滑穩(wěn)定[8]。

正常運(yùn)行中選擇開(kāi)關(guān)不可任意變換位置，整流柜輸出電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)不能過(guò)猛，以防產(chǎn)生過(guò)流故障，導(dǎo)致?lián)p壞快速熔斷器或可控硅元件。故負(fù)荷調(diào)節(jié)的速率較慢，無(wú)法做到瞬時(shí)調(diào)節(jié)。在停機(jī)前需保障以最小功率運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)光伏發(fā)電量在此期間不能滿足其功率需求或出現(xiàn)系統(tǒng)故障停機(jī)時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需為制氫系統(tǒng)提供停機(jī)前能量。

1.4 光伏模型分析

光伏發(fā)電輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度相關(guān)，其表達(dá)式為：

式中，PSTC為光伏陣列標(biāo)準(zhǔn)條件下的額定輸出功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽(yáng)輻照度；GC(t)為工作點(diǎn)的實(shí)際太陽(yáng)輻照度；k為功率溫度系數(shù)；TC(t)為t時(shí)刻工作點(diǎn)溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下溫度；Npv為光伏陣列單元數(shù)量[9]。

光伏屬于間歇性能源，波動(dòng)天氣情況下，光伏功率會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成較大干擾及能力缺口，須靠鋰電池儲(chǔ)能的能量輸出來(lái)彌補(bǔ)。

1.5 鋰電池模型分析

在本文所述園區(qū)電網(wǎng)中，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由鋰電池、DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器組成，主要功能為調(diào)峰及調(diào)頻，控制模式為VF控制模式、下垂控制模式或虛擬同步機(jī)模式[10]。

儲(chǔ)能雙向變流器的功率及鋰電池可用容量是本文儲(chǔ)能配置的主要目標(biāo)。

2 協(xié)調(diào)控制策略

工況1以維持聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定功率輸出為前提，制氫負(fù)荷參考光伏出力計(jì)劃曲線制定相應(yīng)的計(jì)劃曲線，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，期間儲(chǔ)能處于靜止?fàn)顟B(tài)，此為正常運(yùn)行工況。

工況2是當(dāng)光功率預(yù)測(cè)未來(lái)將出現(xiàn)長(zhǎng)期不利天氣，光伏出力無(wú)法支撐系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為維持原工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定，提前將聯(lián)絡(luò)線功率降至0點(diǎn)，制氫調(diào)節(jié)至滿足工業(yè)生產(chǎn)氫產(chǎn)量需求，光伏出力限容至制氫最終負(fù)荷。為簡(jiǎn)化控制策略，光伏及制氫采用功率調(diào)節(jié)模式，不做相互協(xié)同。由于光伏、制氫調(diào)節(jié)速率不一致，為保障滿足聯(lián)絡(luò)線要求調(diào)節(jié)速率，由儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)控制聯(lián)絡(luò)線的輸出功率調(diào)節(jié)速率。

工況3是當(dāng)光功率預(yù)測(cè)即將進(jìn)入夜晚時(shí)，首先按照上述步驟完成聯(lián)絡(luò)線功率清零，而后逐步提升光伏功率，并對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行充電，保證儲(chǔ)能能量滿足制氫停機(jī)前能量需求，延長(zhǎng)制氫工作時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。

工況4是當(dāng)光功率預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差或極端工況導(dǎo)致光伏出力陡降時(shí)，聯(lián)絡(luò)線及制氫系統(tǒng)未提前計(jì)劃調(diào)整，所缺功率須由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。

工況5為整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程策略，首先光伏出力與儲(chǔ)能充電保持聯(lián)絡(luò)線功率為0，而后提升制氫負(fù)載功率，降低儲(chǔ)能充電功率，光伏滿發(fā)。當(dāng)光功率預(yù)測(cè)光伏出力大于制氫最低負(fù)荷+聯(lián)絡(luò)線輸電功率要求時(shí)，開(kāi)始按照聯(lián)絡(luò)線輸電功率調(diào)節(jié)速率，有計(jì)劃地提升聯(lián)絡(luò)線輸電功率，降低制氫負(fù)荷，儲(chǔ)能在此期間以平抑波動(dòng)功能運(yùn)行。

3 儲(chǔ)能容量配置

3.1 總體思路

根據(jù)上述策略的分析，儲(chǔ)能將在工況2、工況3以及工況4下承擔(dān)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要角色，儲(chǔ)能容量的配置將基于上述工況及各種約束條件開(kāi)展。

3.2 鋰電池可用容量選擇

穩(wěn)態(tài)工況主要研究系統(tǒng)能量需求，用于計(jì)算鋰電池可用電量。由于工況4持續(xù)的時(shí)間與工況2和工況3持續(xù)時(shí)間相比較短，故在鋰電池容量選擇時(shí)可以忽略。

工況2下，最惡劣的情況是當(dāng)各系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)（光伏出力最大、制氫負(fù)荷最大及向原電網(wǎng)輸送功率最大）向孤網(wǎng)運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，因?yàn)楦鱾€(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率不一致，導(dǎo)致的能量缺口，公式為：

式中，Ppv(t)為調(diào)節(jié)過(guò)程中光伏出力函數(shù)；Ppvmax為光伏最大出力功率；kpv為光伏功率調(diào)節(jié)平均變化率；Ppvf為光伏最終出力功率；Pel(t)為調(diào)節(jié)過(guò)程中電解槽負(fù)荷函數(shù)；Pelmax為電解槽最大負(fù)荷功率；kel為電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)平均變化率；Pelf為電解槽最終負(fù)荷功率；Po(t)為調(diào)節(jié)過(guò)程中外送功率函數(shù)；Pomax外送最大功率；kg為外送功率調(diào)節(jié)變化率；t1為從初始狀態(tài)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

工況3中電池容量需要滿足制氫停機(jī)的需求，其對(duì)應(yīng)的公式為：

式中，Pelmin為制氫系統(tǒng)停機(jī)前最低功率；telmin為制氫系統(tǒng)停機(jī)需要的最小時(shí)間。

最終電池的容量應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足工況2和工況3，故應(yīng)取兩者間的最大值。

3.3 儲(chǔ)能雙向變流器功率選擇

為適應(yīng)上述控制策略，儲(chǔ)能雙向變流器輸出功率需要同時(shí)滿足工況2、工況3以及工況4運(yùn)行的需求。

工況2情況下，變流器功率為：

工況3情況下，變流器功率為：

工況4情況下，變流器功率如下式：

式中，δ為光伏波動(dòng)陡降率系數(shù)。

最終變流器的功率應(yīng)當(dāng)取上述工況中的最大值。

4 算例分析

4.1 項(xiàng)目參數(shù)及概況

某澳大利亞化工園區(qū)改造項(xiàng)目中，原園區(qū)由電源+化工負(fù)荷組成，計(jì)劃升級(jí)改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電解槽采用七一八所CDQ系列水電解制氫裝置，根據(jù)化工產(chǎn)線氫氣需求量，其安裝功率為10 MW，負(fù)載調(diào)節(jié)速率為1 MW/min，制氫最小功率為2 MW，安全停機(jī)最短時(shí)間為10 min，滿足工業(yè)生產(chǎn)氫產(chǎn)量需求的制氫負(fù)荷為5 MW。光伏根據(jù)場(chǎng)地情況及地區(qū)日照條件，其安裝容量為15 MWp，負(fù)載調(diào)節(jié)速率為6.75 MW/min。根據(jù)原有園區(qū)用電情況，原園區(qū)供電要求新系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸送功率5 MW，老機(jī)組年代久遠(yuǎn)，其出力調(diào)節(jié)速率為1 MW/20 min。根據(jù)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，最大光伏陡降率為50%。

4.2 鋰電池可用容量選擇

根據(jù)3.2章節(jié)所述的方法及式（6）計(jì)算工況2下鋰電池容量EB2為4.25 MWh，根據(jù)式（7）計(jì)算工況3下鋰電池容量為0.33 MWh。取兩者大值，并考慮項(xiàng)目的復(fù)雜性，從而考慮適當(dāng)冗余裕度，最終選擇5 MWh為項(xiàng)目最終可用容量。

4.3 儲(chǔ)能變流器功率選擇

根據(jù)3.3章節(jié)所述的方法及式（8）計(jì)算出工況2下儲(chǔ)能變流器的功率PB2為7.78 MW，根據(jù)式（9）計(jì)算出工況3下儲(chǔ)能變流器的功率PB3為2 MW，根據(jù)式（10）計(jì)算出工況4下儲(chǔ)能變流器的功率PB4為7.5 MW。取上述3者最大值，并考慮項(xiàng)目的復(fù)雜性，從而考慮適當(dāng)冗余裕度，最終可以選擇8 MW為項(xiàng)目最終儲(chǔ)能變流器功率。

5 結(jié) 論

在煤化工園區(qū)改造中，應(yīng)用光氫儲(chǔ)多能互補(bǔ)的模式可以有效降低火電機(jī)組的碳排放，同時(shí)又能解決氫氣運(yùn)輸?shù)睦щy，實(shí)現(xiàn)氫氣的自產(chǎn)自用，降低原工業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。