黃　欣，范偲偲

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川 750011；2.嶺南師范學院信息工程學院，廣東湛江　524048）

新能源是一種清潔能源，隨著國家節(jié)能減排，治理大氣污染的一系列政策的出臺，大規(guī)模發(fā)展以風光為主的新能源發(fā)電［1-3］已成為趨勢。據(jù)權威統(tǒng)計，中國風電和太陽能發(fā)電裝機在過去5年分別增長2.6倍和56倍，累計裝機達到114.61 GW和28.05 GW，分列世界第一和第二位，可以預見，未來新能源電力必將由當前的補充性能源快速發(fā)展并最終成為能源結構中的重要組成部分［4-6］。

新能源快速且大規(guī)模發(fā)展給目前電網(wǎng)帶來了一定問題：電網(wǎng)接納新能源的能力與空間、時間緊密關聯(lián)，并具有一定隨機性，電網(wǎng)穩(wěn)定性受到考驗；電力不能夠大量工業(yè)化儲存，供需矛盾加??；缺乏新能源場站與電網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃，加之受系統(tǒng)調峰能力不足、跨區(qū)間聯(lián)網(wǎng)交換容量限制等因素影響，棄光現(xiàn)象越來越嚴重，新能源接納問題日益突出［7-11］。

對于利用儲能技術平緩新能源問題，文獻［12-15］ 將儲能技術應用并網(wǎng)風電系統(tǒng)，平滑有功功率，提升低電壓穿越能力，增強風電的可控性，降低對電網(wǎng)的影響。文獻［16-17］ 將混合儲能用于并網(wǎng)光伏電站的有功分級控制，限制了有功功率的變化，解決了光伏電站輸出不穩(wěn)定的問題，改善了電能質量。文獻［18-20］ 提出儲能技術是電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用、儲六個環(huán)節(jié)之一，是未來電力系統(tǒng)不可缺少的部分。現(xiàn)在的儲能技術主要從新能源的源頭平抑其間歇、隨機和不可控的特性，并沒有把大量的電能真正意義上大規(guī)模地儲存起來，因此發(fā)展和大規(guī)模使用儲能技術是解決新能源突出問題的關鍵。

本文提出風、光、儲互補型的穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)，在風光發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能裝置。儲能裝置能夠適時吸收或釋放功率，低儲高發(fā)，在提高電網(wǎng)對新能源的接納能力、電網(wǎng)調頻、削峰填谷，提高電能質量和電力可靠性等方面起重要作用［21-23］。以儲能控制技術為基礎實現(xiàn)新能源聯(lián)合控制發(fā)電，發(fā)展出一種可控輸出的優(yōu)質電源，使新能源發(fā)電適應傳統(tǒng)電網(wǎng)。建設小型的風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)，規(guī)劃出系統(tǒng)圖，分析功能模塊和監(jiān)管系統(tǒng)，預測今后新型的新能源發(fā)展模式，探索實現(xiàn)新能源穩(wěn)定發(fā)電的可行性，同時這也是“十三五”發(fā)展規(guī)劃對新興產業(yè)重點關注的領域。

1新能源迅速發(fā)展中出現(xiàn)的問題

1.1　新能源消納矛盾突出

新能源發(fā)展規(guī)模迅速增加，電網(wǎng)消納新能源能力有限，我國“三北”地區(qū)棄風、棄光現(xiàn)象越來越嚴重，2015年棄風電量達到33.9 TW·h，全國風電平均年利用小時數(shù)下降到1 728 h，比2014年下降165 h，新能源接納問題日益突出［24-25］。以西北地區(qū)為例分析2015年風電新增裝機及用電量增長和棄風/光的情況，如圖1、圖2所示。

圖1　2015年西北風電新增裝機及用電量增長情況

圖2　2015年西北新能源逐月棄風/光情況

由圖1、圖2可知：西北新增裝機中新能源占25.64%，全社會新增用電量占新增新能源理論發(fā)電量的95.36%，新能源消納的電量空間較為緊張。全網(wǎng)用電量增長緩慢，電量空間明顯不足，加之外送需求不足，汛期受入四川水電還要增加，新能源消納矛盾更加突出；新能源每月都有受阻情況，月份不同，受阻程度不同，2015年風電利用小時數(shù)同比下降7.7%、光伏利用小時下降11.83%。

據(jù)測算，2015年甘肅電網(wǎng)預計全年風電發(fā)電量為17 TW·h時，同比增長47.8%；風電利用小時數(shù)約1 538 h，同比減少2.7%，棄風電量約7.9 TW·h時，棄風率31.8%，同比增長21個百分點，消納通道和調峰受阻的比例為1∶9。2015年，甘肅電網(wǎng)網(wǎng)架結構建設滯后于新能源建設，同時省內負荷增速放緩，電力電量大量富余，加之跨省跨區(qū)交易新能源意愿不強，甘肅電網(wǎng)新能源窩電嚴重。

圖3　2015年甘肅電網(wǎng)風電逐月受阻電量分布

2015年寧夏電網(wǎng)全年風電發(fā)電量9.037 TW·h，同比增長28%，風電利用小時數(shù)約2 014 h，同比增加10.36%，棄風量約0.154 TW·h，棄風率1.68%，同比增長384%，消納通道和調峰受阻的比例為8∶2。寧夏電網(wǎng)相比甘肅電網(wǎng)的棄風率較低，但隨著寧夏風電裝機不斷增長及區(qū)域通道受限嚴重，寧夏風電限電將逐步成為新常態(tài)。

圖4　2015年寧夏電網(wǎng)風電逐月受阻電量分布

1.2　新能源對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的威脅

新能源是一種非優(yōu)質的電源［26］，與傳統(tǒng)電網(wǎng)比較，新能源的發(fā)展使電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性遇到新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）新能源的發(fā)展使發(fā)電側的不可控性空前增加。

（2）新增新能源理論發(fā)電量幾乎占據(jù)了全社會新增用電量的100%，新能源消納空間緊張。

（3）電網(wǎng)規(guī)模擴大化及結構復雜化使風險加大。

（4）分布式電源的加入使得電網(wǎng)潮流的不確定性增大，難以預測，負荷峰谷差增大。

（5）調峰調頻容量空前巨大，所增輸配電能力的年均利用率低，經濟性差。

新能源迅速發(fā)展會造成棄風、棄光、限電，威脅電網(wǎng)穩(wěn)定性等問題，隨著近幾年儲能技術的快速發(fā)展，逐步將儲能技術應用在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，是解決新能源非優(yōu)質電源給電網(wǎng)帶來影響的良好方法。

2　儲能技術應用于新能源發(fā)電系統(tǒng)

2.1　儲能技術應用于風力發(fā)電機組、風電廠

大規(guī)模風電并網(wǎng)會面臨穩(wěn)定性（電壓和頻率穩(wěn)定性）、低電壓穿越、穿透功率極限、電能質量等主要問題［27-28］。在風電機組變流器直流側配以儲能系統(tǒng)以提高風機輸出功率的穩(wěn)定性，需要每臺風電機組安裝儲能雙向變流裝置，并采用相應的控制策略將風力發(fā)電機組驟降的功率緩慢平滑，儲能電池起到“功率緩沖器”的作用，使得在最極端苛刻的條件下送入電網(wǎng)的功率滿足要求，同時能吸收多余能量，保護風電機組，從而增強風電機組低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力，儲能裝置如圖5所示。

采用具有快速響應和動態(tài)調節(jié)能力的儲能技術能夠有效提高新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在單個風電機組安裝儲能雙向變流裝置，能夠提高和平緩風力機的輸出功率，增強風電機組的低電壓穿越能力。

圖5　風電機組的儲能雙向變流裝置

2.2　混合儲能應用于光伏電站

在傳統(tǒng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的直流母線上添加儲能元件，即構成了帶儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，通過控制儲能雙向變流器電感電流值的大小與流動方向，實現(xiàn)了對儲能元件的充放電；通過儲能元件對電能的儲存和釋放，可以平滑太陽能發(fā)電出力波動，解決太陽能發(fā)電自身出力的隨機性和不可控性問題，減小太陽能出力變化對電網(wǎng)的沖擊［29］。混合儲能光伏發(fā)電系統(tǒng)結構如圖6所示。系統(tǒng)是由光伏電池、儲能單元（超級電容和鋰電池）、儲能控制器、逆變器和上位機組成。

圖6　混合儲能光伏發(fā)電系統(tǒng)結構

2.3　風、光、儲聯(lián)合發(fā)電

風能與太陽能在自然資源的時空互補性構建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能夠有效彌補風電與光電的隨機性、間歇性等缺陷，達到平穩(wěn)輸出功率的目的，對實現(xiàn)能源結構優(yōu)化具有重要意義。

對于風、光、儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)而言，當風、光發(fā)電出力大而系統(tǒng)負荷需求較小時，儲能裝置進行充電；當風、光發(fā)電出力小而系統(tǒng)負荷需求較大時，儲能裝置進行放電，以此達到平滑輸出功率、跟蹤計劃出力的目的。

圖7　風、光、儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結構

3　風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)新構想

3.1　新型儲能技術的研究

在傳統(tǒng)電網(wǎng)調峰、調頻能力發(fā)揮到極限的情況下，從新能源發(fā)電源頭平抑其間歇性、隨機性和不可控等特性還解決不了當下存在的問題，發(fā)展和大規(guī)模使用儲能技術是解決問題的關鍵。以儲能控制技術為基礎實現(xiàn)新能源聯(lián)合控制發(fā)電，發(fā)展出一種可控輸出的優(yōu)質電源，使新能源發(fā)電取代傳統(tǒng)的火力發(fā)電成為可能。

3.2　建設小型的風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的總體思路

（1）以一個實際風電場（49.5 MW）的千分之一約50 kW的風力發(fā)電模擬系統(tǒng)、光伏電站（20 MWp）的千分之一約20 kW容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)和100 kW的幾種儲能電池（鉛酸電池、鋰電池和超級電容）為主要部件組成系統(tǒng)，建設風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)示范工程。

（2）開展基于儲能技術的小型風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)研究工作，探尋穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)合適的儲能電池配備容量，為將來大規(guī)模使用打好基礎。

（3）完善和提高儲能變流器PCS技術，確保系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源輸出。

（4）利用該平臺研究微網(wǎng)、配網(wǎng)、可控負荷（直流負荷以及充電樁）的相關技術。

（5）研究接入配網(wǎng)的分布式發(fā)電對配網(wǎng)的影響。

3.3　系統(tǒng)建設方案

小型的風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)采用交直流混合型結構應用技術方案，主要包括光伏發(fā)電模塊、儲能模塊、充電樁模塊、直流配電模塊、監(jiān)控系統(tǒng)模塊、預留模擬風電發(fā)電模塊。充分發(fā)揮分布式電源并網(wǎng)、儲能系統(tǒng)削峰填谷、直流配電負荷調控以及監(jiān)控系統(tǒng)全方位監(jiān)控與能量管理的功能。

圖8　小型的風、光、儲互補型穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)

3.3.1總體功能實現(xiàn)

三相交流電380 V為系統(tǒng)與公用配電網(wǎng)接口，系統(tǒng)設定一定的發(fā)電容量，通過總監(jiān)控系統(tǒng)保持向配電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。光伏發(fā)電模塊額定功率20 kW，采用多晶硅電池組件串并聯(lián)后，通過逆變器接入電網(wǎng)；儲能模塊可實現(xiàn)四象限能量流動，在光伏發(fā)電模塊發(fā)電充裕情況下，儲能模塊處于充電模式，當負荷較重，儲能模塊釋放有功充當電源；充電樁模塊和直流配電模塊作為系統(tǒng)可調節(jié)負荷，在光伏發(fā)電模塊發(fā)電充裕情況下接入系統(tǒng)，當系統(tǒng)發(fā)電容量不能滿足輸出要求時，切除負荷保證系統(tǒng)發(fā)電平穩(wěn)連續(xù)。

3.3.2總監(jiān)控系統(tǒng)與能量管理系統(tǒng)

①總監(jiān)控系統(tǒng)完成對各個模塊的信息采集與管理，實現(xiàn)對各設備工作狀態(tài)的總監(jiān)控，實時統(tǒng)計光伏發(fā)電、儲能電池的能量狀態(tài)。

②集成的能量管理系統(tǒng)可實現(xiàn)光伏發(fā)電、儲能、充電設備、直流配電網(wǎng)能量管理和預測，在設定的發(fā)電目標下對儲能和負荷進行分配管理，保證向配網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)電。

3.3.3儲能模塊

儲能模塊包括儲能逆變器及其控制系統(tǒng)，其主要功能和作用是實現(xiàn)交流電網(wǎng)電能與儲能電池電能之間的能量雙向傳遞，也是一種雙向變流器，可以快速有效地實現(xiàn)平抑發(fā)電系統(tǒng)隨機電能或潮流的波動。

儲能模塊功能包括：

（1）功率平抑主動控制方式，適于間歇式能源輸出功率短時波動平抑；

（2）功率平抑被動控制方式，接受電網(wǎng)調度系統(tǒng)控制，參與電網(wǎng)的削峰填谷；

（3）充放電一體化設計，可根據(jù)儲能元件的特性選擇充放電策略。

（4）并網(wǎng)運行，無功自動或調度補償功能，低電壓穿越功能。

（5）離網(wǎng)運行，獨立供電，電壓和頻率可調；多機并聯(lián)組合供電，多機間功率可自動分配。

（6）具備以太網(wǎng)、CAN和RS485接口，提供開放式的通訊規(guī)約，便于BMS（電池管理系統(tǒng)）和監(jiān)控系統(tǒng)間的信息交互。

（7）完備的保護功能，在各種故障情況下能保護變流器及儲能元件的安全。

圖9　儲能模塊接線

3.3.4光伏發(fā)電模塊

光伏發(fā)電模塊內部接線見圖10，多組光伏電池組經過直流開關接入濾波器，通過升壓與逆變后再通過濾波器并網(wǎng)，光伏發(fā)電模塊自身具備最大功率點跟蹤（MPPT）實現(xiàn)光能到電能的高效變換，同時為防止交流側供電故障，光伏模塊通過能源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)孤島運行，與儲能模塊共同支撐負荷用電。

3.4　新型新能源發(fā)電模式趨向

今后的風電機組將轉化為智能風力發(fā)電單元，光伏發(fā)電組件轉化為智能光伏發(fā)電單元，新能源發(fā)電場站轉化為綜合穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)。生產的風力發(fā)電機組是風機、儲能、智能控制發(fā)電的綜合體，能夠在一定時間段內根據(jù)電網(wǎng)運行情況穩(wěn)定輸出電能；生產的光伏發(fā)電單元是光伏發(fā)電、儲能、智能控制發(fā)電的綜合體，也能夠在一定時間段內根據(jù)電網(wǎng)運行情況穩(wěn)定輸出電能；建成的集中接入電網(wǎng)的新能源場站是風電+儲能、光伏+儲能、風電+光伏+儲能在完善的大功率雙向換流、能源管理系統(tǒng)技術支撐下的綜合穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)。

4　大規(guī)模儲能技術發(fā)展實現(xiàn)途徑

大規(guī)模儲能技術是解決光伏發(fā)電、風電和分布式能源所面臨瓶頸問題以及代替常規(guī)機組調峰、調頻的穩(wěn)定可靠運行的經濟而有效的解決方案?，F(xiàn)階段大規(guī)模儲能裝置的成本過高限制了儲能技術的發(fā)展與應用，更由于缺乏激勵和引導，對儲能技術的研究始終沒有大的進步，要實現(xiàn)可再生能源成為未來發(fā)展的支柱，儲能技術將被倒逼取得突破，包括各種儲能系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化技術都需要有革命性的突破。

4.1　轉變觀念促進新能源與儲能技術的共同發(fā)展

在新能源發(fā)電還沒有發(fā)展起來之前，儲能和發(fā)電在兩個不同的空間各自發(fā)展。當新能源發(fā)電在政策的引導下蓬勃發(fā)展起來將傳統(tǒng)電網(wǎng)調控能力完全榨干，棄風棄光成為常態(tài)的情況下，儲能就是發(fā)電這一觀念應該成為新能源發(fā)展的新思路，所以現(xiàn)在的新能源不僅有風電、光伏，應該再加上儲能。針對作為新能源的儲能，國家應該制定比發(fā)展新能源發(fā)電的優(yōu)惠程度更高的配套政策，使儲能技術在不久的將來成為支撐未來電網(wǎng)發(fā)展的支柱產業(yè)。

4.2　電網(wǎng)需要適應大規(guī)模儲能裝置的應用

（1）互聯(lián)網(wǎng)離開了存儲技術無法發(fā)展，同樣傳統(tǒng)電網(wǎng)離開儲能技術適應新能源未來發(fā)展也寸步難行。

（2）大功率儲能技術大量應用到電網(wǎng)不僅能夠提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，還能替代電網(wǎng)備用容量調峰調頻。

（3）大規(guī)模儲能裝置的接入對電力系統(tǒng)的控制、設計、調度以及規(guī)劃有很大的影響，因此，掌握其動態(tài)特性，并對儲能裝置內部的非線性電磁過程及其與系統(tǒng)其余元件的相互作用的研究尤為重要。

4.3　多種措施促進儲能技術的發(fā)展

（1）政策支持。國家應制定更合理的電價政策，使得廢棄電、低品位電和高品位電相應的價值得到合理區(qū)分。只要政策合理，儲能產品就會有源源不斷的資金進入，形成蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

（2）資金支持。對類似于壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)、安全環(huán)保型的電化學儲能新技術的開發(fā)與應用提供專項資金支持，最大限度地支持可能產生革命性進步的儲能技術的研發(fā)和應用。

圖10　光伏發(fā)電模塊接線

（3）產業(yè)自主提升技術，促進儲能技術更廣泛的應用。

（4）新能源場站積極主動地采用先進的儲能技術，減少棄風、棄光現(xiàn)象的發(fā)生。

5　結論

在新能源迅速發(fā)展的時代，發(fā)展以儲能技術為基礎的風光儲穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)，建立健全系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)方案，加強控制和管理機制，突破儲能的協(xié)調優(yōu)化技術，改變認識觀念，增加儲能的應用，獲得國家政府的支持，使儲能技術健康穩(wěn)態(tài)的發(fā)展?；パa型發(fā)電系統(tǒng)能夠低儲高發(fā)，有效減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡損耗、實現(xiàn)削峰填谷、獲取經濟效益。在新能源即將成為主要發(fā)電電源的電力系統(tǒng)中，風光儲穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)在電力調峰、抑制新能源電力系統(tǒng)中的傳輸功率的波動性、提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和提高電能質量方面具有舉足輕重的作用。

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