(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045)

0 引言

隨著全球環(huán)境污染和氣候變化問題的日益凸顯，加之化石能源的快速消耗，水電、風電、光伏等清潔可再生能源的利用成為世界趨勢。目前，我國的能源主體依舊是化石能源，造成我國環(huán)境污染尤其嚴重，而我國的化石能源又遠不能自給，充分利用清潔能源對優(yōu)化我國的能源結構和減少環(huán)境污染具有及其重要意義。

針對我國能源結構[1]不合理，能源存在瓶頸，必須加強新能源利用技術改造，提高清潔能源與新技術的結合能力，加快清潔能源聯(lián)合利用[2]的推廣。

1 國內外技術發(fā)展狀況

隨著一次性能源如煤炭、石油、天然氣等資源的逐步枯竭，以及世界環(huán)境問題的日益嚴峻，急需把能源消費的主體由化石能源轉化為可再生能源。自20世紀中后期以來，發(fā)達國家都投入了大量的精力在水能、風能、太陽能等可再生能源技術的研發(fā)上，并建設了水電、風電和光伏電站，以期解決本國的能源緊張，環(huán)境污染問題。

然而，水電受制于來水量和調節(jié)庫容，年利用小時一般不超過4 000 h，除豐水期外一般不承擔基荷；風能和太陽能均隨著氣候、地理位置、時間變化而不斷變化，風能和太陽能發(fā)電穩(wěn)定性較差，電能質量較低。為解決上述問題，有研究者提出風能、光伏和儲能互補發(fā)電的方法，世界各國均針對風光儲互補發(fā)電關鍵技術進行了大量的研究。然而，相關研究主要集中在兩兩能源聯(lián)合利用方面，且存在以下問題：儲能電池容量較小，成本高，導致了兩兩聯(lián)合利用容量受限，不能滿足我國能源需求現(xiàn)狀；能源兩兩聯(lián)合利用的應用時域較窄。

水風光儲聯(lián)合利用可以充分利用抽水蓄能技術穩(wěn)定、容量較大、反應迅速的優(yōu)點，結合儲能電池，可充分消納系統(tǒng)中不穩(wěn)定的風能和太陽能資源，形成各能源的優(yōu)勢互補。因此，急需對水風光儲聯(lián)合利用技術進行研究開發(fā)。

2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況

風能和太陽能都屬間歇性能源，產(chǎn)生的電能不夠穩(wěn)定，不利于電力系統(tǒng)消納，因此也不能被充分利用。隨著我國對清潔能源的迫切需要，自2005年起，風力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機容量劇增，與此同時出現(xiàn)了并網(wǎng)難、限電、市場難以銷納等諸多問題。部分火電具備深度調峰的能力，但風電、光電、火電“打捆外送”的方式會降低火電廠的效率，增大污染物的排放，違背了開發(fā)風電、光伏發(fā)電的初衷。

水電機組具有開停靈活、調節(jié)出力迅速、運行維護費用低、可快速適應電網(wǎng)負荷變化等優(yōu)點。儲能電池可穩(wěn)定地儲存電能。水儲和儲能電池有助于電力系統(tǒng)對風能、太陽能這些不穩(wěn)定能源進行消納。因此，抽水蓄能電站、電池儲能電站，可兼作風電、光伏發(fā)電的調節(jié)電源，降低這些間歇性清潔能源給電網(wǎng)運行帶來的沖擊。

3 產(chǎn)業(yè)化過程存在的主要問題

1)水風光儲各能源容量配置不合理。主要原因是儲能電池成本較高，容量較小，壽命較短，與現(xiàn)有的風能、光伏資源不能匹配，造成棄風、棄光現(xiàn)象嚴重，導致清潔能源資源浪費。

2)系統(tǒng)調度策略及運行方式不合理。主要原因是，一方面目前各能源容量配置不合理，導致調度策略及運行方式無法達到最優(yōu)；另一方面是水風光儲能源聯(lián)合利用系統(tǒng)中各種能源特性沒有充分把握且對聯(lián)合調度及運行沒有系統(tǒng)的研究。

3)成本較高及經(jīng)濟效益較差。主要原因是，儲能電池成本較高，而抽水蓄能電站建設周期較長，前期投資較高，導致調節(jié)容量不足、系統(tǒng)成本較高，經(jīng)濟效益較差。

4)穩(wěn)定性控制技術沒有突破，無法提高電能質量。主要原因是，相關研究較少，技術發(fā)展不成熟。

4 水風光儲能源聯(lián)合利用系統(tǒng)設計

系統(tǒng)分為三部分：電源系統(tǒng)，包括風能、光伏，用來為整個系統(tǒng)提供電能；負載，可采用噴泉、路燈等，用來消耗產(chǎn)出的電能；抽水蓄能電站比較特殊，可以作為儲能電源，又可作為負載消耗電能，同時可用來研究開發(fā)可變速水輪發(fā)電機組、新型儲能技術等。系統(tǒng)電氣接線示意圖如圖1所示。

4.1 電源系統(tǒng)

4.1.1 光伏

光伏發(fā)電是本系統(tǒng)的主要電源提供單元，項目預計建設50 kW離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并選用一臺250 kW逆變器，每個光伏并網(wǎng)發(fā)電單元的電池組件采用串并聯(lián)方式組成太陽能電池陣列，電能由太陽能電池陣列輸入光伏方陣防雷匯流箱后接入直流配電柜，然后經(jīng)光伏逆變器和交流防雷配電柜給負載供電。

當光線不足，太陽能電池組件沒有產(chǎn)生電能或電能不能滿足負載要求時，由風機和抽蓄電站供電，如果還不能達到要求時由外接電網(wǎng)供電。

圖1 系統(tǒng)電氣接線圖

4.1.2 風能發(fā)電

在本系統(tǒng)中，風力發(fā)電是供電單元，項目預計建設10 kW離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)，布置為兩個5 kW風力發(fā)電機組，發(fā)出的電能存儲至蓄電池，經(jīng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┴撦d用電。

4.2 負載部分

噴泉為主要負載，抽水蓄能電站需要抽水時作為負載運行。

在本系統(tǒng)中，抽水蓄能電站既是供電單元也是用電單元。項目預計建設2臺5 kW抽水蓄能機組，水輪機為水泵水輪機，發(fā)電時機組為水輪機工況，抽水時機組為水泵工況。抽蓄電站的建設需要有一定的上下高程差和水資源儲蓄。抽水蓄能電站在本系統(tǒng)中起到調峰作用，可以提高風電機組和光伏機組的效率。

4.3 上位機控制

本著“不在現(xiàn)場，遠離現(xiàn)場”的原則，將現(xiàn)場設備界面通過串口通信技術，與上位機界面有機結合起來，以實現(xiàn)上位機一帶多通信。以C語言為基礎，圖形化語言為輔，規(guī)劃各能源的動態(tài)配比，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行。

5 結語

該系統(tǒng)是集水電、風電、光伏、儲能于一體的水風光儲能源聯(lián)合利用系統(tǒng)，可形成多能源聯(lián)合利用技術研究平臺，進而有效解決水風光儲各能源容量優(yōu)化配置、系統(tǒng)優(yōu)化調度及運行、成本控制及經(jīng)濟效益分析、穩(wěn)定性控制和提高電能質量等關鍵技術問題，為全面提升我國水風光儲能源聯(lián)合利用的研究與開發(fā)水平提供技術支持，為我國制定水風光儲等新能源政策提供技術參考。