多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運(yùn)行策略探討

郝峰HAO Feng

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，忻州 034000）

（Shanxi Xilongchi Pumped Storage Power Station Co.，Ltd.，Xinzhou 034000，China）

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)社會(huì)對(duì)各種能源的需求量不斷增加，科技的發(fā)展使自然界的各種資源受到了過(guò)度消耗，例如原本豐富的煤炭資源、礦石資源以及石油資源等已經(jīng)面臨供不應(yīng)求的問(wèn)題。我國(guó)通常采用蓄能方式存儲(chǔ)各種資源，常用的存儲(chǔ)方式有蓄電池、飛輪、壓縮空氣以及電解水制氫蓄能等，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有效地緩解了能源浪費(fèi)等問(wèn)題。從我國(guó)目前現(xiàn)狀來(lái)看，絕大部分研究忽視了抽水蓄能模型的重要性，在實(shí)際研究工作中過(guò)分注重系統(tǒng)模型的仿真，導(dǎo)致能源存儲(chǔ)方式問(wèn)題重重。多功能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，建立抽水蓄能模型、明確該模型的運(yùn)行方式是我國(guó)研究人員必須重視的重點(diǎn)工作。本文從多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的概念著手，對(duì)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運(yùn)行策略做了相關(guān)研究探討。

1 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。從圖1 中可以看出：多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主要由監(jiān)控系統(tǒng)和備用電源兩大塊組成，其中監(jiān)控系統(tǒng)的控制對(duì)象主要有太陽(yáng)能/風(fēng)能發(fā)電機(jī)組、波浪能控制器、逆變器以及居民用電等，備用電源由柴油和柴油發(fā)電機(jī)組共同組成。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)以太陽(yáng)能為發(fā)電依據(jù)，由電池板和控制器兩部分組成，該發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘繛?6kW；太陽(yáng)能控制器的主要作用是完成發(fā)電器和接收器之間的通信，在必要時(shí)刻太陽(yáng)能控制器還能保護(hù)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，保障該系統(tǒng)的正常運(yùn)行；風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的4 倍，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷

多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷可以同時(shí)反映多種自然資源的變化規(guī)律，是促進(jìn)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型機(jī)組配置的主要依據(jù)。保障多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定的前提是保證系統(tǒng)中各種資源具有變動(dòng)性和較大的負(fù)荷變化，研究人員應(yīng)該結(jié)合該系統(tǒng)發(fā)展的實(shí)際狀況，建立相應(yīng)的凈負(fù)荷數(shù)學(xué)模型。凈負(fù)荷數(shù)學(xué)模型的建立需充分考慮風(fēng)光抽水蓄能負(fù)荷發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷、風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率以及光伏陣列的輸出功率等。如果多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷大于0，則表明系統(tǒng)中各種能源的發(fā)電量總和小于系統(tǒng)負(fù)荷；如果多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷小于0，則表明系統(tǒng)負(fù)荷小于系統(tǒng)中各種能源的發(fā)電量總和。

3 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運(yùn)行策略探討

3.1 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能仿真模型的建立 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中抽水機(jī)電組在不同工況下模型的建立方式不盡相同，筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該模型在水輪機(jī)工況和水泵機(jī)工況下的發(fā)電過(guò)程做了以下分析。

3.1.1 水輪機(jī)工況下的發(fā)電過(guò)程 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型的建立需充分考慮水輪機(jī)工況下的發(fā)電狀況。如果風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷大于0，各種能源的發(fā)電總量明顯不足，面對(duì)這種情況，抽水蓄能機(jī)組存在電量供給不足的問(wèn)題，保障抽水蓄能機(jī)組的正常運(yùn)行是研究人員需解決的重點(diǎn)問(wèn)題。將抽水蓄能電站水庫(kù)的正常水位定位最大水位，將死水位定位最小水位，上下水庫(kù)的水位分別有嚴(yán)格控制，水頭、流量、水量、功率以及效率等必須符合發(fā)電的實(shí)際需求，約束條件的水庫(kù)水位必須大于或等于最小水位、小于或等于最大水位。

通常情況下，研究人員會(huì)從發(fā)電過(guò)程的t0時(shí)刻以及t1時(shí)刻對(duì)數(shù)輪機(jī)工況下的發(fā)電過(guò)程進(jìn)行探討。以發(fā)電過(guò)程中t0時(shí)刻為例，如果Pjz大于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能很難得到滿足，主要原因是可逆式水泵水輪機(jī)組的發(fā)電量偏低；如果Pjz等于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能剛還得到滿足，此時(shí)可逆式水泵水輪機(jī)組的發(fā)電量與風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能相等。如果Pjz小于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能得到充分滿足，主要原因是可逆式水泵水輪機(jī)組的發(fā)電量非常高，完全滿足風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)的需求。

3.1.2 水泵工況下的抽水過(guò)程 如果風(fēng)光抽蓄發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷小于0，該系統(tǒng)中將會(huì)產(chǎn)生多余的電能，通常情況下，工作人員應(yīng)該將剩余的電能轉(zhuǎn)化成水能，不僅方便存儲(chǔ)，還能減少存儲(chǔ)中能源的流失。抽水蓄能機(jī)組必須在水泵工況下完成抽水操作，抽水機(jī)組水泵所使用的功率和發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷有直接關(guān)系。抽水過(guò)程中，工作人員還應(yīng)該高度重視水庫(kù)的特征水位、水庫(kù)容量以及水利損失對(duì)水泵的影響。

3.2 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能的運(yùn)行策略 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能的運(yùn)行策略以該系統(tǒng)模型為依據(jù)。系統(tǒng)模型中使用的可逆式水泵水輪機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是可以依據(jù)既定的出力保持有效的運(yùn)行狀態(tài)，也可以根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的流量完成操作作業(yè)。假設(shè)凈負(fù)荷曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，如果凈負(fù)荷大于0，將會(huì)出現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組不能正常運(yùn)行、抽水機(jī)組以凈負(fù)荷為依據(jù)，在水輪機(jī)工況下運(yùn)行以及以額定功率為基礎(chǔ)，抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行三種狀態(tài)。

圖2 負(fù)荷系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線圖

3.3 實(shí)例探討 本文以某地區(qū)風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷為主，對(duì)該系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)歷以及運(yùn)行策略進(jìn)行實(shí)例探討。實(shí)例探討的主要目的是提高多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，全面促進(jìn)抽水蓄能模型在我國(guó)資源開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。某風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷曲線和抽水蓄能機(jī)組輸出功率曲線如圖3 所示。

圖3 某風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的凈負(fù)荷曲線和抽水蓄能機(jī)組輸出功率曲線

從圖3 中可以看出，當(dāng)凈負(fù)荷大于0，以315kW 為標(biāo)準(zhǔn)，如果Pjz小于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能機(jī)組不能正常運(yùn)行，蓄能機(jī)組的輸出功率為0；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，又小于315kW，抽水蓄能機(jī)組輸出功率與凈負(fù)荷功率基本一致；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水機(jī)組的輸出功率為315kW。當(dāng)凈負(fù)荷小于0，以525kW 為標(biāo)準(zhǔn)，如果Pjz小于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能機(jī)組不能正常運(yùn)行，蓄能機(jī)組的輸出功率為0；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水機(jī)組的輸出功率為525kW。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多功能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型的建立是現(xiàn)階段我國(guó)能源開(kāi)發(fā)發(fā)展的主要方向之一，該系統(tǒng)在各種能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中抽水機(jī)電組在不同工況下模型的建立方式不盡相同，研究人員應(yīng)該明確抽水機(jī)組在水輪工況和水泵工況下的運(yùn)行方式，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況建立有效的模型，以模型的實(shí)際狀況，采取有效措施促進(jìn)設(shè)備的正常運(yùn)行，為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的模型以及優(yōu)化配置提供動(dòng)力保障。

[1]任巖，鄭源，周兵等.多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運(yùn)行策略[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013.

[2]張西子.基于抽水蓄能的新能源多能互補(bǔ)發(fā)電體系[J].才智，2012.

[3]張叢林.水—火—風(fēng)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題研究[D].天津大學(xué)，2012.

[4]李麗，侯鵬.風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].科技傳播，2013.