國家能源集團(tuán)福建能源有限責(zé)任公司 楊 鎮(zhèn)

風(fēng)能、太陽能在提供能源過程中，由于隨機(jī)性和間斷性，使得能源發(fā)電系統(tǒng)很難產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定能源，導(dǎo)致能源發(fā)電系統(tǒng)在與大電網(wǎng)并網(wǎng)中引發(fā)不相融問題。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程中產(chǎn)生的電量超出需要的負(fù)荷時，為節(jié)約系統(tǒng)發(fā)電成本、提升經(jīng)濟(jì)性，一方面要思考整個發(fā)電系統(tǒng)中各電源間彼此相互交融問題，同時還要兼顧儲能設(shè)備壽命及系統(tǒng)與大電網(wǎng)間的交互問題。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由儲能、發(fā)電、控制、并網(wǎng)，等幾部分組成。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 儲能系統(tǒng)概述

儲能系統(tǒng)能吸收、釋放能量，因此可彌補(bǔ)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中能源波動性及隨機(jī)性問題。在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電過程中，當(dāng)風(fēng)能或太陽能較強(qiáng)時，儲能系統(tǒng)可將多余能源吸收儲存起來；當(dāng)風(fēng)能或太陽能不足時，儲能系統(tǒng)可釋放儲存的能源，以供給重要負(fù)荷直至風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)恢復(fù)正常發(fā)電。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，緩解了并網(wǎng)過程中風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)的沖擊，起到了“削峰平谷”作用，提高了供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升了經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1.1 儲能工作原理

現(xiàn)階段風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲能形式有多種，如鉛酸蓄電池、超導(dǎo)儲能、壓縮空氣儲能等，其中鉛酸蓄電池儲能方式應(yīng)用較廣，其是最為典型的酸性蓄電池，具有放電性能較好、工作電壓較高、使用溫度寬、價格低廉等特點，但儲能過程中化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境有一定污染且電池使用壽命有限。鉛酸蓄電池儲能過程的充放電原理如下：PbO2+2H2SO4+Pb鉛酸蓄電池的正極材料為PbO2、負(fù)極材料為Pb，放電時正極中PbO2得電子、負(fù)極Pb失電子，同時溶解到電解液H2SO4中，電子流向從負(fù)極到正極，故形成正極PbO2到負(fù)極Pb的電流流向。充電時，蓄電池中電解液PbSO4和H2O產(chǎn)生放電時相反的化學(xué)反應(yīng)，分別在正負(fù)極還原出PbO2和Pb。

1.2 儲能性能分析

電池容量。是電池在一定條件下所釋放出的電量大小，以安培·小時（Ah）為單位。以容量為20Ah電池為例，如電池供應(yīng)電路的電流為1A，那該電池可持續(xù)供應(yīng)20小時電能。蓄電池在使用過程中多次充放電后電池儲能容量會逐漸衰減，一旦實際電池容量小于原先額定容量的80%時電池就須更換。因此，電池實際容量也是衡量電池使用壽命的指標(biāo)。

荷電狀態(tài)。指某一時刻儲能剩余容量比重，即儲能剩余容量與標(biāo)稱容量之比：SOC=Ct/CESS×100%，式中Ct為儲能剩余容量，CESS為儲能滿電狀態(tài)下的標(biāo)稱容量。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)儲能荷電狀態(tài)處于0.68～0.8之間時，儲能充放電效率最高，故儲能荷電狀態(tài)應(yīng)控制在上述范圍內(nèi)。

充放電深度。放電深度指儲能放電時，儲能釋放的電量比重，即儲能釋放的電量與標(biāo)稱容量之比：DOD=Q-/CESS，式中：Q-為儲能釋放電量，CESS為儲能滿電狀態(tài)下的標(biāo)稱容量。充電深度指儲能充電時，儲能充電的電量比重，即儲能充電的電量與標(biāo)稱容量之比：DOC=Q+/CESS，式中：Q+為儲能充電電量，CESS為儲能滿電狀態(tài)下的標(biāo)稱容量。

循環(huán)壽命。指儲能實際容量減少到某一個點時對應(yīng)的充電以及放電次數(shù)，該參數(shù)可用來界定電池儲能使用壽命。這里采用的模型主要考慮儲能存儲容量約束、充放電功率約束，表達(dá)式如下：

式中：SOCt為t時刻狀態(tài)下儲能荷電狀態(tài)；CESS、Ct分別是標(biāo)稱容量和t時刻儲能剩余容量；Pch、Pdis分別為充、放電功率；ηch、ηdis分別為充、放電效率。

2 風(fēng)光儲系統(tǒng)的并網(wǎng)影響

2.1 對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

利用風(fēng)能和太陽能進(jìn)行發(fā)電時，通常會因氣候的影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)電出現(xiàn)不穩(wěn)定性的情況。隨著當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模增加，研究風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行后對電網(wǎng)的影響十分必要。

電壓波動和閃變。風(fēng)力、光伏在進(jìn)行發(fā)電的過程中，輸出電能質(zhì)量的好壞與否，主要和電壓的波動以及閃變存在著非常密切的聯(lián)系，而對應(yīng)電壓閃變的兩個影響因素，分別是電壓波動的幅值和頻率，電壓在進(jìn)行波動的過程中會導(dǎo)致電器設(shè)備無法進(jìn)行正常工作，主要是由于風(fēng)速及光照等各種自然資源存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，再加上多機(jī)組不規(guī)則的啟停，會導(dǎo)致發(fā)電發(fā)生突然性波動。由于人為因素?zé)o法對自然條件進(jìn)行改變，因此這種影響因素是長時間存在的[2]。

諧波污染。電力系統(tǒng)在工作過程中一旦受到諧波污染會影響其正常工作，導(dǎo)致產(chǎn)生的電能質(zhì)量受到影響、甚至?xí)档驮O(shè)備使用壽命。諧波主要是因電流及電壓波形產(chǎn)生畸變引起，而引起電流、電壓畸變原因主要有電源端、輸配電過程、一些設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染，如整流裝置、逆變裝置等；電網(wǎng)頻率。風(fēng)光發(fā)電與大電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)過程中，由于本身產(chǎn)生的發(fā)電輸出功率為無功功率，會使得電網(wǎng)電壓降低，引起一定的功率波動。因此如直接將風(fēng)光發(fā)電并入電網(wǎng)會導(dǎo)致電力系統(tǒng)與大電網(wǎng)間失衡。故風(fēng)光發(fā)電在進(jìn)行并網(wǎng)前會進(jìn)行交互功率調(diào)整，以滿足供電頻率波動符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 對發(fā)電供電計劃的影響

電網(wǎng)在進(jìn)行發(fā)電過程中計劃應(yīng)按照“精準(zhǔn)”預(yù)測來進(jìn)行制定。而風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)由于其預(yù)測技術(shù)不成熟，很難保證預(yù)測的精準(zhǔn)性，故相關(guān)電網(wǎng)的發(fā)電供電計劃需根據(jù)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)波動做適時調(diào)整。

2.3 對電網(wǎng)設(shè)備容量分配的影響

若風(fēng)光系統(tǒng)的功率改變情況和電網(wǎng)負(fù)荷改變相同，在進(jìn)行大范圍并網(wǎng)后可依靠自動調(diào)峰來對電網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行保障，但同樣存在和電網(wǎng)需求相反的可能。例，如風(fēng)速相對較大，高于風(fēng)電機(jī)組可承受的最高風(fēng)速便會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，這時電網(wǎng)會受到很大波動。因此電網(wǎng)須根據(jù)具體情況來進(jìn)行調(diào)峰處理，以保障電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

綜上，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)的影響較為明顯，故研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程中能量調(diào)度問題十分必要。

3 基于可控負(fù)荷的儲能調(diào)度策略

3.1 削峰填谷模式

某一電廠規(guī)劃設(shè)計完工后發(fā)電規(guī)?；竟潭?，但用電過程中由于無法對實際需求側(cè)進(jìn)行精確化管理，導(dǎo)致電量使用造成較大浪費(fèi)，甚至局部地區(qū)出現(xiàn)用電告急的現(xiàn)象，而削峰填谷模式可較好解決上述問題。削峰填谷模式是利用調(diào)整不同時間段居民或企業(yè)用電負(fù)荷，來達(dá)成用電模式的削峰填谷目的。該模式利用政策干預(yù)形式對用電時段的價格進(jìn)行調(diào)整，高峰用電時段電費(fèi)較高、低谷期用電時段電費(fèi)較低，以此鼓勵用戶盡量在低谷用電時段用電。利用削峰填谷模式，不僅可有效緩解用電高峰期時的用電壓力、還可提升用電低谷期的用電量，最終實現(xiàn)不同時刻用電負(fù)荷均衡，減少電廠整體電量的浪費(fèi)，實現(xiàn)了節(jié)能，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 負(fù)荷分類

對不同用電設(shè)備按照重要性優(yōu)先級進(jìn)行分類，優(yōu)先保障重要設(shè)備供電。這里根據(jù)斷電后對生產(chǎn)、生活影響等級劃分，將不同設(shè)備的用電負(fù)荷劃分為一級、二級和三級。當(dāng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不能滿足所有設(shè)備用電負(fù)荷需求時，將按照等級優(yōu)先級從三級負(fù)荷開始依次切除負(fù)荷。

3.3 儲能優(yōu)化調(diào)度策略

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程中，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電不能滿足負(fù)荷需求時儲能進(jìn)行放電，在放電期間如儲能荷電量處于臨界值時，系統(tǒng)會根據(jù)用電優(yōu)先級進(jìn)行部分負(fù)荷切除，以保證必要的重要設(shè)備運(yùn)行，這一狀態(tài)直到發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電滿足負(fù)荷需求為止，再根據(jù)優(yōu)先級逐步恢復(fù)之前切除的負(fù)荷電力；當(dāng)儲能正常工作時可轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷使用時間。

如風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電充足時輸出功率表現(xiàn)為明顯過剩狀態(tài)，Pip≥0，開啟充電模式。這時儲能系統(tǒng)表現(xiàn)為如下狀態(tài)：當(dāng)充電功率小于等于儲能系統(tǒng)最大儲能荷電狀態(tài)時，則儲能系統(tǒng)充電；當(dāng)充電功率大于儲能系統(tǒng)最大儲能荷電狀態(tài)時，激勵可控負(fù)荷進(jìn)行消納；當(dāng)可控負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)到極限時，如功率還有剩余則選擇棄能處理。

如風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電不足時，Pip＜0，儲能系統(tǒng)開啟放電模式。這時儲能系統(tǒng)表現(xiàn)為如下狀態(tài)：當(dāng)儲能系統(tǒng)儲能荷電狀態(tài)能滿足所需放電功率時，儲能系統(tǒng)開始正常放電；當(dāng)儲能系統(tǒng)儲能荷電狀態(tài)不能滿足所需放電功率時，按照用電優(yōu)先級進(jìn)行部分負(fù)荷切除處理；當(dāng)可控負(fù)荷調(diào)節(jié)功率超出極限且所需功率仍有空缺，則需啟動備用電源。

綜上，對于可再生能源發(fā)電中，風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電是目前應(yīng)用較為頻繁的發(fā)電形式，但無論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電都會在外界環(huán)境影響下產(chǎn)生很強(qiáng)的波動性，因此純粹的光能或太陽能都無法提供穩(wěn)定能源，而風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可彌補(bǔ)上述不足，給大電網(wǎng)提供持續(xù)不斷穩(wěn)定供電。