鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)用于風(fēng)電場(chǎng)出力平滑化的實(shí)驗(yàn)研究

寧夏新能源研究院(有限公司)■ 趙斌 王耀賢

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，近年來(lái)發(fā)展迅速。按照國(guó)務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，到2015年風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1億kW。截至2013年12月，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到7548萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)24.5%，風(fēng)電裝機(jī)容量居全球之首。如此大規(guī)模的風(fēng)電裝機(jī)容量卻由于并網(wǎng)問(wèn)題制約著我國(guó)風(fēng)電的健康發(fā)展。2013年全國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)電量約150億 kWh，出現(xiàn)如此巨大的棄風(fēng)電量[1]，一方面是由于我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)滯后，新建風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)困難；另一方面是由于電網(wǎng)負(fù)荷曲線與風(fēng)力發(fā)電不一致，電網(wǎng)調(diào)度停機(jī)造成。而鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)可平滑風(fēng)電場(chǎng)功率輸出，緩解棄風(fēng)問(wèn)題。本文依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)平滑化的技術(shù)，設(shè)定平滑化定量計(jì)算規(guī)則，并給出最終統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

1 快速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響

風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模的并網(wǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也帶來(lái)一些新問(wèn)題[2,3]，主要有以下幾點(diǎn)：

1)風(fēng)電的隨機(jī)性、不可控性、布局的限制性給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)困難；

2)風(fēng)電大規(guī)模聚集發(fā)展使局部電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題更加突出，對(duì)調(diào)峰容量和響應(yīng)速度都提出了更高的要求；

3)風(fēng)電機(jī)組易引起電網(wǎng)電壓和功率波動(dòng)問(wèn)題，以及由其帶來(lái)的無(wú)功電壓控制和電能質(zhì)量問(wèn)題。

風(fēng)力發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性與電力系統(tǒng)調(diào)度實(shí)時(shí)平衡之間的矛盾，使并網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)需通過(guò)常規(guī)電源的調(diào)節(jié)或儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平衡。而鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)環(huán)境友好、能量密度高，可作為風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)給電網(wǎng)帶來(lái)的各類影響，提高風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，保障風(fēng)電的可信度，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 大容量鋰離子電池在風(fēng)電場(chǎng)中的作用

大容量鋰離子電池在風(fēng)電場(chǎng)中的作用[4,5]主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1)平滑風(fēng)力輸出。按照《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，抑制風(fēng)電的短期波動(dòng)(1 min級(jí)波動(dòng)小于10%，10 min波動(dòng)小于33%)和長(zhǎng)期波動(dòng)(小時(shí)級(jí)別)，從而增加風(fēng)電輸出的穩(wěn)定性。

2)計(jì)劃發(fā)電。依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃的出力曲線，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，使風(fēng)電場(chǎng)總體功率輸出盡可能接近計(jì)劃出力曲線，增加風(fēng)電場(chǎng)功率輸出的穩(wěn)定性。

3)削峰填谷。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷特性，在負(fù)荷低谷期儲(chǔ)存多余的風(fēng)電，同時(shí)還可從電網(wǎng)吸收電能；在負(fù)荷高峰期釋放儲(chǔ)存的電能，從而減少電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差，降低電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān)。

4)儲(chǔ)存電能。在需要時(shí)將儲(chǔ)存的電能供負(fù)荷使用，根據(jù)其條件不同所需儲(chǔ)能電池的系統(tǒng)功率和容量也不同，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電功能需要配置的儲(chǔ)能電池的功率和容量較大。

3 鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)

3.1 基本情況介紹

本文將內(nèi)蒙古某49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)配置6.5 MW/2.65 MWh鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)作為研究對(duì)象，采集風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)，對(duì)比分析有儲(chǔ)能系統(tǒng)與無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)下風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)特性，分析鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)短期波動(dòng)的平滑效果。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由3套2 MW/815 kWh和1套0.5 MW/204 kWh鋰離子集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。2 MW系統(tǒng)包括1套40英寸(101.6 cm)鋰離子電池集裝箱、1套40英寸PCS集裝箱、2臺(tái)35 kV電壓等級(jí)1 MVA容量的箱式變壓器；0.5 MW系統(tǒng)由1套35英寸(88.9 cm)集裝箱、1臺(tái)35kV電壓等級(jí)0.6 MVA容量的箱式變壓器組成，每套系統(tǒng)通過(guò)PCS(功率變換器)完成直交流變換由升壓變壓器升至35 kV后，通過(guò)電纜匯集至電纜分支箱，再由電纜分支箱以一路電纜出線接入升壓站35 kV母線上。BMS(電池管理系統(tǒng))采集鋰電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，PCS控制對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電，控制系統(tǒng)采集PCS、BMS狀態(tài)信息、風(fēng)場(chǎng)秒級(jí)功率數(shù)據(jù)，并下發(fā)相關(guān)控制指令，如圖1所示。

圖1 鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采集一天風(fēng)電場(chǎng)功率數(shù)據(jù)，分別以1 min、10 min為分析周期，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)率；參考《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，統(tǒng)計(jì)出1 min波動(dòng)和10 min波動(dòng)分別大于10%、33%的數(shù)據(jù)，計(jì)算某一天波動(dòng)率的遵守率(指在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，波動(dòng)率超過(guò)規(guī)定范圍的點(diǎn)占全部統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)計(jì)算點(diǎn)的比率)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)某月的遵守率，最后統(tǒng)計(jì)1年內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的遵守率。具體的計(jì)算規(guī)則如下文所示。

3.2.1 有功電力變化量(1 min)

根據(jù)以下步驟計(jì)算出1 min的有功電力變化量。

1)T1(在圖2為第240 s)作為基準(zhǔn)時(shí)間，選定從這點(diǎn)起1 min后的時(shí)間T2(在圖2中為第300 s)。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)合計(jì)為60點(diǎn)。

2)區(qū)間T1～T2的發(fā)電電力最大值P1max、最小值Pmin從測(cè)試數(shù)據(jù)中抽出，差值ΔP=P1max–Pmin定義為1 min的有功電力變化量。

式(1)中，ΔP(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠的1 min功率變化值； P1max(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠1 min內(nèi)最大功率值； Pmin(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠1 min內(nèi)最小功率值。

3)更新 1 s基準(zhǔn)時(shí)間 T′1、T′2(在圖 2 中分別為第241 s、301 s)，利用步驟1)、2)計(jì)算出有功電力變化量。重復(fù)操作這個(gè)過(guò)程直到算出全區(qū)間的有功電力變化量。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率波動(dòng)曲線圖

3.2.2 有功電力變化量(10 min)

根據(jù)以下步驟計(jì)算出10 min的有功電力變化量。

1)T1(在圖2中為第240 s)作為基準(zhǔn)時(shí)間，選定從這點(diǎn)起10 min(600 s)后的時(shí)間T3(在圖2中為840 s)。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)合計(jì)為600點(diǎn)。

2)區(qū)間T1～T3的發(fā)電電力最大值P2max、最小值 P′min從測(cè)試數(shù)據(jù)中抽出，差值 ΔP′=P2max–P′min定義為10 min的有功電力變化量。

式(2)中，ΔP′(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠的10 min功率變化值；P2max(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠10 min內(nèi)最大功率值； P′min(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠10 min內(nèi)最小功率值。

3)更新1 s基準(zhǔn)時(shí)間T′1、T′3(在圖2中為第241 s，841 s)、利用步驟1)、2)計(jì)算出有功電力變化量。重復(fù)操作這個(gè)過(guò)程直到算出全區(qū)間的有功電力變化量。

從控制系統(tǒng)內(nèi)存中讀取記錄數(shù)據(jù)，主要有風(fēng)電場(chǎng)每秒功率輸出PWT、鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)每秒功率輸出PLib、風(fēng)電場(chǎng)總功率輸出PTotal，繪制3條曲線圖表，如圖3所示。

圖3 風(fēng)電平滑化曲線圖

3.3 風(fēng)電場(chǎng)平滑化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

配置鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電場(chǎng)的有功出力變得更加平滑，降低了風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)1 min遵守率由95.52%增加到99.86%，10 min遵守率由98.05%增加到99.57%。

4 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)配備鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的穩(wěn)定性具有重要作用[6,7]，為了提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力，尋找適合瞬時(shí)平滑風(fēng)電場(chǎng)出力的儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)行研究是當(dāng)前迫切需要的。

本文以內(nèi)蒙古某49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)配置鋰離子儲(chǔ)能裝置后，風(fēng)電場(chǎng)遵守率的變化情況為例，為未來(lái)大規(guī)模推廣儲(chǔ)能系統(tǒng)、保證電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供了新的技術(shù)支持。

[1]史正軍,李勇 . MW級(jí)電池儲(chǔ)能站在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 10(2): 252－254.

[2]孔令 ,廖麗瑩.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣開(kāi)關(guān), 2008, 2(5): 61－64.

[3]賈宏新，張宇，王育飛，等. 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 可再生能源, 2009, 27(6): 10－15.

[4]張文亮,丘明,來(lái)小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(7): 1－8.

[5]李建華.基于 離子電池的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的研究[J].科技傳播,2013, 10(1): 74－76.

[6]程時(shí)杰，文勁宇，孫海順.儲(chǔ)能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電氣應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用, 2005, 24(4): 5－6.

[7]靳文濤,馬會(huì)萌,謝志佳.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率控制策略重點(diǎn)理論研究[J].電力建設(shè), 2012, 33(7): 7－9.