陳恭宇，張席華，黃冠華，袁德斌，劉志鵬，唐墨力，廖玲芳，范江霞

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司來賓供電局，廣西 來賓 546138）

農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)架構(gòu)投資規(guī)模小、設(shè)備老舊，但是居民的用電負荷卻逐年增高，已經(jīng)對農(nóng)村電網(wǎng)運行的可靠性、安全性造成了較大的影響[1-2]。

農(nóng)村地區(qū)存在大量具有一定坡度的屋頂，可用于建設(shè)分布式的屋頂光伏發(fā)電廠[3]。部分地區(qū)的農(nóng)村也存在沒有障礙物、風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可用于建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠[4]。實際上，很多農(nóng)村的太陽能資源、風(fēng)能資源豐富，但是各類資源往往受到季節(jié)性、氣候性影響，具有隨機性、波動性的特點[5-7]。若能夠借助儲能系統(tǒng)的削峰填谷能力，將分布式的新能源整合利用，可構(gòu)建新的風(fēng)光儲綜合能源電廠[8-9]。

風(fēng)光儲綜合能源電廠能夠減少農(nóng)村電網(wǎng)的負荷峰谷差，達到支撐電網(wǎng)頻率、電壓的目的[10]。但是受限于價格、投資建設(shè)周期長、電網(wǎng)對于新能源發(fā)電的消納能力有限等原因的影響，分布式的風(fēng)光儲綜合能源發(fā)電廠在農(nóng)村地區(qū)的推廣仍然處于起步階段[11-12]。

如果能夠使用合理高效的風(fēng)光儲綜合能源發(fā)電廠的運營方式，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟運行指標(biāo)能夠獲利，則政府、企業(yè)與團隊將積極投入到農(nóng)村風(fēng)光儲綜合能源電廠建設(shè)中，擴大風(fēng)光儲綜合能源電廠的應(yīng)用范圍[13-14]。

本文設(shè)計了針對農(nóng)村地區(qū)的風(fēng)光儲綜合能源電廠，該電廠的容量較低，無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)火力發(fā)電廠的作用，農(nóng)村電網(wǎng)中的調(diào)壓、調(diào)頻仍然通過火力發(fā)電廠提供。該風(fēng)光儲綜合能源電廠僅配合農(nóng)村配電網(wǎng)向居民提供電能。

本文主要研究了該風(fēng)光儲綜合能源的運營方式，考慮各發(fā)電單元的經(jīng)濟性能，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，同時兼顧了該發(fā)電廠的調(diào)頻、調(diào)峰功能，縮小負荷峰谷差。

結(jié)果表明，該風(fēng)光儲綜合能源電站不僅能夠滿足當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨?，還能夠提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電能質(zhì)量，而售電收入增加了當(dāng)?shù)鼐用竦氖杖?，提高?dāng)?shù)鼐用竦纳钏健?/p>

1 風(fēng)光儲綜合能源電站構(gòu)建

如圖1 所示為農(nóng)村地區(qū)風(fēng)光儲綜合能源電站的示意圖。其中風(fēng)力發(fā)電機組放置于通風(fēng)良好場地，風(fēng)力發(fā)電機組的容量根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的天氣條件選取。光伏發(fā)電則可利用廣大農(nóng)村房屋屋頂，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柟庹諚l件選擇太陽能板放置角度[15]。

圖1 風(fēng)光儲綜合能源電站

圖1中，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏板目前可供選擇的方案有：背接觸式電池組件、多晶硅電池、單晶硅電池以及非晶硅薄膜電池。多晶硅電池的價格低廉，雖然單位面積效率低，但是技術(shù)成熟，適用于農(nóng)村地區(qū)大范圍、大規(guī)模使用。

電池板安裝時，可采用固定安裝、斜單軸跟蹤安裝、平單軸跟蹤安裝、雙軸跟蹤安裝等方式，雖然雙軸跟蹤安裝模式能夠跟蹤太陽角度，提高太陽能利用率，但是成本高，不利于農(nóng)村地區(qū)大范圍推廣。因此，本文選擇了固定安裝的電池板。

圖1中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機可選擇的電機種類繁多，如雙饋電機、異步電機、永磁電機。永磁直驅(qū)型風(fēng)機的成本高、安裝困難，不適用于農(nóng)村地區(qū)。本文選擇了成本低廉的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組。

儲能系統(tǒng)則采用了技術(shù)成熟、價格低廉的鉛酸電池。設(shè)計時，儲能系統(tǒng)的容量選擇為風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量的15%～30%，該儲能裝置能夠保證風(fēng)力發(fā)電機組的輸出波動在10%以內(nèi)。

該風(fēng)光儲綜合能源電廠中的光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)?shù)丶竟?jié)性的氣候特征進行實時改造，比如根據(jù)季風(fēng)方向?qū)崟r調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機組的葉片方向。

2 風(fēng)光儲綜合能源運營策略

2.1 經(jīng)濟效益模型

風(fēng)光儲綜合能源電站的可靠運行離不開經(jīng)濟效益，因此須確定購電方式與售電方式，提高電廠的經(jīng)濟效益。

當(dāng)新能源發(fā)電功率大于負荷功率時，可向儲能系統(tǒng)充電。當(dāng)新能源發(fā)電功率不足以提供負荷功率時，儲能系統(tǒng)放電。因此，須設(shè)計儲能電站的購電模式與售電模式。即風(fēng)光儲綜合能源電站的經(jīng)濟收益來源于儲能電站售電、購電的收益，可表示為：

式中：Pai為新能源發(fā)電系統(tǒng)每小時的發(fā)電功率；Q為該區(qū)域的耗電量；E為售電電價；F為購電電價；V為儲能系統(tǒng)儲能電能峰值；n為新能源發(fā)電系統(tǒng)的日均發(fā)電時間。

2.2 約束條件

儲能系統(tǒng)的總儲能約束可表示為：

式中：WPV為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸送能量；Wwind為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸送能量；Wload為負荷的實際消耗能量。

風(fēng)力發(fā)電機組輸出能量的約束條件可表示為：

式中：Wwindmin為風(fēng)力發(fā)電機組輸出的最小功率；Wwindmax為風(fēng)力發(fā)電機組輸出的最大功率。

2.3 運營策略

儲能系統(tǒng)的購電、售電是由當(dāng)?shù)刎摵?、新能源發(fā)電電量確定。新能源每天能夠滿發(fā)電的資源V1與新能源發(fā)電自然資源V0的差值ΔV可表示為：

式中：ΔVl為新能源系統(tǒng)在低谷階段的可用資源量；ΔVh為高峰階段的可用資源；ΔVa為平衡階段的可用資源。

當(dāng) ΔVl＜ΔV時，新能源系統(tǒng)在低谷階段不能滿額發(fā)電。

當(dāng) ΔVl＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa) 時，新能源系統(tǒng)在低谷階段與平衡階段不能滿額發(fā)電。

當(dāng) (ΔVl+ΔVa)＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa+ΔVh) 時，新能源系統(tǒng)在低谷階段、平衡階段與高峰階段均不能滿額發(fā)電。

因此，儲能系統(tǒng)購電時間可表示為：

式中：h為新能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電能的系數(shù)；T為新能源發(fā)電系統(tǒng)工作時間；P0為儲能系統(tǒng)在每秒內(nèi)儲能的能量。

假設(shè)系統(tǒng)低谷階段的小時數(shù)為T1、高峰階段的小時數(shù)為T2以及平衡階段的小時數(shù)為T3。

當(dāng)t≤T3時，則儲能系統(tǒng)在低谷階段購電；

當(dāng)T3≤t≤(T2+T3) 時，則儲能系統(tǒng)在低谷階段與平衡階段購電。

當(dāng)t≥(T2+T3) 時，則儲能系統(tǒng)在低谷階段、平衡階段以及高峰階段購電。

此外，當(dāng)新能源系統(tǒng)在低谷階段時，若不能確保負荷滿負荷運行，則新能源發(fā)電電能直接向儲能系統(tǒng)充電，因此此時購電電價將高于售電電價。

3 仿真結(jié)果分析

為驗證本文提出的運營策略，搭建了風(fēng)光儲綜合能源電站，其儲能系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)每月的平均日工作時間參數(shù)如表2 所示。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)每月的平均日工作時間參數(shù)如表3 所示。低谷階段、平衡階段以及高峰階段的時間如表4 所示，售電價格與購電價格可如表5 所示，不同季節(jié)用電量如表6 所示。

表1 儲能系統(tǒng)參數(shù)

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)時間參數(shù)h

表3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時間參數(shù)h

表4 電網(wǎng)峰平谷時間段

表5 電價元/(kW·h)

表6 耗電能量kW·h

將表1～表6 所示的數(shù)據(jù)代入到式（1）中可得，風(fēng)光儲綜合能源發(fā)電場每月的平均日收益，如表7所示。

表7 平均日收益元

風(fēng)光儲綜合能源電廠的維護費用較低，前期投入費用為170 萬元。即根據(jù)表7 可知，風(fēng)光儲綜合能源發(fā)電廠僅須運營3 年即可收回成本。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了適用于農(nóng)村的風(fēng)光儲綜合能源電廠，可有效利用農(nóng)村地區(qū)豐富的太陽能與風(fēng)能資源。該電廠可削減負荷峰谷差，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性與安全性，保障了農(nóng)村居民的用電電能質(zhì)量，并提高當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟效益。

本文建立了該風(fēng)光儲綜合能源發(fā)電廠的運營策略，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最高為目標(biāo)函數(shù)。分析了低谷階段、平衡階段、高峰階段，儲能系統(tǒng)的售電、購電策略。該售電、購電策略可節(jié)省大量新能源資源，提高了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟效益、社會效益以及環(huán)境效益。