鄭 浩，徐波豐，謝麗蓉，任榮榮，張革榮

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)光儲(chǔ)分室，新疆 烏魯木齊 830047；3.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電增長(zhǎng)迅速，然而大規(guī)模的光伏并網(wǎng)，其不確定性、波動(dòng)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)容易造成棄光，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性[1，2]。以新疆為例，到2017年底，新疆棄光量達(dá)到22.9億kW·h時(shí)，棄光率高達(dá)22%。因此，加入大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)平抑光伏功率波動(dòng)，減少棄光量，是一種比較有效的方法。

文獻(xiàn)[3-5]提出使用超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能的方法對(duì)功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。文獻(xiàn)[6]介紹了一種氫儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)光伏功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。文獻(xiàn)[7]提出一種考慮棄光的光儲(chǔ)聯(lián)合電站輸出功率的控制策略，并采用遺傳算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，確定優(yōu)化后的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率。文獻(xiàn)[8]考慮棄光損失，提出一種以儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期凈現(xiàn)值最大化為優(yōu)化目標(biāo)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)電源調(diào)峰能力的分析，提出評(píng)估棄風(fēng)電量的方法。由于傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage，CAES)在運(yùn)行過(guò)程中需要天然氣等傳統(tǒng)燃料的填充，而且效率較低，本文提出了以非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的方式，文獻(xiàn)[10]提出一種含壓縮空氣儲(chǔ)能的新型冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了壓縮空氣儲(chǔ)能在冷熱電三聯(lián)供微網(wǎng)中的工作模式，對(duì)在微網(wǎng)中應(yīng)用儲(chǔ)能提供了新的研究思路。文獻(xiàn)[11]對(duì)非補(bǔ)燃式的壓縮空氣儲(chǔ)能的前景進(jìn)行了探究，為新能源在微網(wǎng)中的應(yīng)用闡述了新觀點(diǎn)。

1 光伏電站功率波動(dòng)及棄光分析

1.1 光伏電站發(fā)電功率波動(dòng)特性

圖1所示分別為晴天、多云、陰天、雨雪天4種天氣光伏發(fā)電功率波動(dòng)特性曲線。由圖1可知，晴天時(shí)，光伏發(fā)電功率曲線發(fā)電功率波動(dòng)比較平緩，多云天氣時(shí)，光伏電站發(fā)電功率波動(dòng)比較大，陰天和雨雪天光伏發(fā)電功率曲線發(fā)電功率波動(dòng)比較少，幅值也比較低。因此，為使光伏功率波動(dòng)穩(wěn)定輸出，達(dá)到并網(wǎng)要求，需通過(guò)引入儲(chǔ)能系統(tǒng)參與光伏功率波動(dòng)的調(diào)整。

圖1 四種天氣光伏發(fā)電功率波動(dòng)特性

1.2 光伏電站發(fā)電功率棄光量分析

圖2所示為光伏發(fā)電功率棄光區(qū)域示意。國(guó)家電網(wǎng)原有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]，當(dāng)光伏發(fā)電功率不滿足并網(wǎng)

圖2 光伏發(fā)電功率棄光區(qū)域示意

要求，超過(guò)并網(wǎng)負(fù)荷要求的上限，作為棄光處理。尤其在西北地區(qū)，光電資源充足，但日負(fù)荷較低，且光伏出力曲線最大的時(shí)間段剛好是負(fù)荷需求較小的時(shí)候，此時(shí)光伏發(fā)電并不滿足并網(wǎng)要求，形成一定的棄光區(qū)域。

2 基于混合儲(chǔ)能的抑制波動(dòng)、消納棄風(fēng)配置方案

2.1 平抑波動(dòng)儲(chǔ)能配置方案

2.1.1并網(wǎng)目標(biāo)控制域的確定

如圖3所示，光伏電站預(yù)測(cè)功率與實(shí)際發(fā)電功率之間存在誤差，國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定，預(yù)測(cè)功率誤差短期內(nèi)不超過(guò)預(yù)測(cè)曲線的15%。因此本文根據(jù)光伏預(yù)測(cè)功率誤差允許范圍制定了光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域，超出并網(wǎng)目標(biāo)控制域范圍的發(fā)電功率將進(jìn)行平抑波動(dòng)。

圖3 光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域

2.1.2以超級(jí)電容為主、壓縮空氣為輔的平抑波動(dòng)策略

利用超級(jí)電容快速充放電的特性，來(lái)平抑超出光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域范圍波動(dòng)功率小和波動(dòng)功率較大的尖端部分，并配合壓縮空氣儲(chǔ)能，利用壓縮空氣儲(chǔ)能容量大的特點(diǎn)，平抑波動(dòng)功率較大的平緩區(qū)域。超級(jí)電容工作過(guò)程中，考慮到SOC在超級(jí)電容器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)充放電不足的問(wèn)題，需要對(duì)超級(jí)電容SOC和充放電功率進(jìn)行約束，約束條件為

Smin≤Soc(t)≤Smax

(1)

Pmin≤P(t)≤Pmax

(2)

式中，Soc(t)為t時(shí)刻超級(jí)電容的荷電狀態(tài)；Smin為最小允許荷電狀態(tài)；Smax為最大允許荷電狀態(tài)；P(t)為t時(shí)刻超級(jí)電容充放電功率；Pmin為最小允許充放電功率；Pmax為最大允許充放電功率。

2.2 壓縮空氣消納棄光儲(chǔ)能配置

本文采用非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能，與傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能相比，不需要天然氣等燃料填充，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的能量轉(zhuǎn)換，具有冷熱電三聯(lián)供的能力，達(dá)到并網(wǎng)要求的同時(shí)，通過(guò)釋放的熱能，滿足了一部分用戶對(duì)電能的需求。其工作原理如圖4所示，非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能在工作過(guò)程中，空氣通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)入，壓縮能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)氣罐中，同時(shí)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生壓縮熱，壓縮熱通過(guò)換熱器收集在回?zé)嵯到y(tǒng)作為備用，釋能過(guò)程中，透平機(jī)在膨脹做功的過(guò)程中產(chǎn)生少量較低溫度的能量。

圖4 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理

想要保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須依靠火電、水電進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償，若光伏出力高于全網(wǎng)負(fù)荷，則進(jìn)行消納棄光處理，若光伏出力低于全網(wǎng)負(fù)荷，則進(jìn)行火電、水電補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)平衡。某區(qū)域的并網(wǎng)平衡關(guān)系如下

Pload(t)=Ph(t)+Pw(t)+Preal(t)

(3)

式中，Pload(t)為t時(shí)刻全網(wǎng)負(fù)荷出力；Ph(t)為t時(shí)刻火電出力；Pw(t)為t時(shí)刻水電出力；Preal(t)為t時(shí)刻光伏并網(wǎng)功率。。

如圖5所示，提出一種冷熱電三聯(lián)供的配置策略，利用壓縮空氣儲(chǔ)能運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能量用來(lái)供給光伏電站工作人員日常用電需求，壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，用來(lái)室內(nèi)供暖供熱，膨脹過(guò)程中產(chǎn)生的制冷量，用于室內(nèi)制冷降溫。考慮季節(jié)變化，天氣狀況，晝夜交替，不同的時(shí)間段對(duì)冷熱電的需求也會(huì)不同，因此，本文提出一種針對(duì)3種不同情景進(jìn)行能量分配的供給模式，并分別對(duì)3種模式供給補(bǔ)償進(jìn)行分析。

圖5 冷熱電三聯(lián)供配置模式

針對(duì)不同供給補(bǔ)償模式，具體分析如下：

2.2.1考慮季節(jié)變化

(1)夏季，由于室內(nèi)氣溫較高，用戶對(duì)制冷量的需求較大，此時(shí)，僅靠透平機(jī)膨脹做功獲得的制冷量難以維持用戶需求，需要通過(guò)制冷系統(tǒng)對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(2)冬季，室內(nèi)溫度較低，直接利用回?zé)嵯到y(tǒng)將熱能輸送到供暖系統(tǒng)。

(3)春秋季節(jié)，沒(méi)有供暖和供冷的需求，只需要一小部分的熱能作為生活熱水的需求。

2.2.2考慮天氣狀況

(1)晴天和多云天氣，光伏出力較大，對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能回收到儲(chǔ)熱裝置，并根據(jù)日常需求，進(jìn)行冷熱分配。

(2)雨雪天氣，光伏出力較小，儲(chǔ)熱裝置并不能滿足用戶的冷熱需求，此時(shí)，需要儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能補(bǔ)給。

2.2.3考慮晝夜交替

由于光伏出力主要集中在白天，當(dāng)晚上儲(chǔ)熱裝置不能滿足冷熱需求時(shí)，使用儲(chǔ)能裝置對(duì)熱需求進(jìn)行補(bǔ)償。

3 算例分析

以新疆某光伏電站為例，裝機(jī)容量為16 MW，圖6為光伏電站某日實(shí)際功率平抑波動(dòng)和消納棄光效果圖，可以看出，平抑波動(dòng)后，光伏功率曲線較為平滑，功率波動(dòng)變化幅度大大減小，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)厝肇?fù)荷曲線，對(duì)超出日負(fù)荷曲線的功率進(jìn)行儲(chǔ)能，有效解決了棄光現(xiàn)象。提出的以超級(jí)電容平抑波動(dòng)為主，壓縮空氣儲(chǔ)能消納棄光為輔，兩者相互補(bǔ)充，共同作用，實(shí)現(xiàn)了很好的平抑波動(dòng)和消納棄光效果，達(dá)到了并網(wǎng)要求。

圖6 平抑波動(dòng)合消納棄光效果

分別選取4個(gè)典型天氣情況(夏季)進(jìn)行儲(chǔ)能容量的計(jì)算，得到陰天、下雨天的儲(chǔ)能容量為0，多云的儲(chǔ)能容量為2.18 MW，晴天的儲(chǔ)能容量為2.76 MW。由此可知，陰雨天氣，光伏出力較小，光伏發(fā)電功率并不滿足儲(chǔ)能要求，因此儲(chǔ)能容量為0，光伏出力最大的時(shí)候是在晴天，儲(chǔ)能容量最高為2.76 MW，小于最大儲(chǔ)能容量(即裝機(jī)容量的20%)，因此可以得出結(jié)論，加入儲(chǔ)能裝置后，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠消納所有的棄光電量。

由于本文主要考慮光伏混合儲(chǔ)能以平抑波動(dòng)、消納棄光為主，對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程中，冷熱聯(lián)供產(chǎn)生的能量相對(duì)于并網(wǎng)電量還是比較小的，用來(lái)滿足光伏電站工作人員的基本用電需求。以新疆某光伏電站為例，16 MW的光伏電站最大儲(chǔ)能容量為3.2 MW，在冬季可以提供熱能的面積可達(dá)3 690 m2，即使是夏季供冷面積也可達(dá)840 m2(設(shè)定光伏電站工作人員房屋覆蓋區(qū)域?yàn)? 500 m2，居住面積為800 m2)，所以本儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過(guò)程中釋放的熱能完全能滿足該光伏電站工作人員基本的用電需求。

4 結(jié) 論

本文從平抑光伏功率波動(dòng)，減少棄光量?jī)蓚€(gè)方面入手，提出了一種基于超級(jí)電容-壓縮空氣混合儲(chǔ)能的配置策略。以超級(jí)電容平抑為主、壓縮空氣儲(chǔ)能平抑為輔的平抑功率策略，有效的解決了光伏并網(wǎng)的問(wèn)題。以壓縮空氣儲(chǔ)能為主的儲(chǔ)能裝置，有效的解決了光伏電站棄光的問(wèn)題，并利用在儲(chǔ)能運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，非補(bǔ)燃式壓縮機(jī)壓縮空氣產(chǎn)生的熱能和透平機(jī)膨脹過(guò)程中排除的制冷量，因地制宜，較好的解決了光伏電站工作人員的日常用電需求。