儲能裝置對電網(wǎng)供電能力提升的研究

李桃+郝雨辰

摘 要：提升分區(qū)供電能力是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的重要目標(biāo)，文章以江蘇電網(wǎng)作為研究對象，在詳細(xì)闡述現(xiàn)有電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對鹽城分區(qū)這類風(fēng)電場接入較多的分區(qū)電網(wǎng)，研究儲能技術(shù)對于解決風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)影響的作用，算例分析表明儲能裝置能有效提升電網(wǎng)供電能力，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：供電能力；風(fēng)力發(fā)電；儲能裝置

中圖分類號：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0185-02

引言

電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，雖然有利于能源利用、增加系統(tǒng)備用容量、減少事故損失，但電磁環(huán)網(wǎng)增加了系統(tǒng)短路容量，局部故障容易引起大范圍停電事故的發(fā)生，因此，電網(wǎng)的分層分區(qū)勢在必行。

電網(wǎng)分區(qū)是指以受端系統(tǒng)為核心，通常將500千伏主變作為受電點，將外部電源連接到220千伏受端系統(tǒng)，形成一個供需基本平衡的區(qū)域，并經(jīng)聯(lián)絡(luò)線與相鄰區(qū)域相連。隨著500千伏主變受電容量的增大，分區(qū)內(nèi)裝機(jī)容量的提高，在提升分區(qū)供電能力的同時也導(dǎo)致分區(qū)短路電流水平的變大，成為制約分區(qū)結(jié)構(gòu)和規(guī)模的關(guān)鍵因素；另一方面，受負(fù)荷分布、電源分布的影響，分區(qū)內(nèi)部潮流分配不均，造成分區(qū)供電能力無法充分發(fā)揮[1]。因此，提升電網(wǎng)供電能力是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計亟需解決的問題。

文獻(xiàn)[1]對基于多端柔性直流的電網(wǎng)供電能力提升進(jìn)行了研究并提出應(yīng)用方案；文獻(xiàn)[2]針對分區(qū)內(nèi)部潮流分布不均的現(xiàn)象，提出利用統(tǒng)一潮流控制器提升電網(wǎng)供電能力的新技術(shù)；文獻(xiàn)[3，4]針對城市中心電網(wǎng)建設(shè)困難的客觀因素，從提升電廠效應(yīng)、增加變電容量、改善供電網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化主變壓器站間聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)等環(huán)節(jié)，提出提升城市中心電網(wǎng)供電能力的有效措施。

上述文獻(xiàn)提出了提升電網(wǎng)供電能力的一般方法，但隨著以風(fēng)電為代表的新能源的大規(guī)模接入，風(fēng)電出力波動大、隨機(jī)性強(qiáng)的特征給分區(qū)供電能力帶來了新的影響，因此，本文針對此問題研究儲能裝置對提升電網(wǎng)供電能力的作用。

1 江蘇電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)

江蘇電網(wǎng)逐步實現(xiàn)以500千伏變電站為中心、220千伏電網(wǎng)分區(qū)運行的模式，典型分區(qū)結(jié)構(gòu)包括以下三種類型。

對于較早投運的低阻抗主變的500千伏變電站采用一座500千伏變電站供一個片區(qū)的方式，若片區(qū)內(nèi)220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關(guān)打開，如圖1（a）所示。

新建500千伏變電站在短路電流、潮流可控前提下，均采用2座及以上500千伏變電站供一個片區(qū)的方式，220千伏電網(wǎng)為雙回路環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。若片區(qū)內(nèi)220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關(guān)打開。

采用2座及以上500千伏變電所供一個片區(qū)內(nèi)的方式，220千伏電網(wǎng)為雙回路鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示。若片區(qū)內(nèi)220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關(guān)打開。

2 儲能裝置對供電能力提升的研究

近年來，風(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)發(fā)展迅速，江蘇沿海地區(qū)已建設(shè)并規(guī)劃了大規(guī)模風(fēng)電場接入江蘇電網(wǎng)。由于風(fēng)力資源本身的不確定性及其發(fā)電特性與系統(tǒng)用電負(fù)荷特性的不一致性，需要電網(wǎng)為風(fēng)電提供足夠的備用容量，以彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電能力的突然變化以及預(yù)期外的功率失衡，大規(guī)模的新能源接入對系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)峰能力提出了較高的要求。目前江蘇投運的并網(wǎng)風(fēng)電場出力波動隨機(jī)性較強(qiáng)，無法與地區(qū)負(fù)荷相匹配，無法實現(xiàn)削峰、填谷功效，在一定程度上惡化了電網(wǎng)的負(fù)荷特性，加劇了負(fù)荷的峰谷差率，增加系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。夜間電網(wǎng)負(fù)荷低谷時往往是風(fēng)電場出力較高的時段，如果不限制風(fēng)電場的出力，必須減少其他常規(guī)機(jī)組的輸出功率。不斷增長的分鐘級負(fù)荷波動還要安排更多的常規(guī)機(jī)組參與調(diào)頻，可見，倘若不限制風(fēng)電場出力同時又要維持電網(wǎng)的安全可靠運行，系統(tǒng)不得不將部分負(fù)荷從高效機(jī)組轉(zhuǎn)向高成本的調(diào)頻或經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)組，反而會提升電網(wǎng)電源的發(fā)電成本，降低發(fā)電效率。

儲能技術(shù)主要研究利用儲能系統(tǒng)（Energy storage system，ESS）將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、電磁能等形態(tài)進(jìn)行存儲，并在需要時重新轉(zhuǎn)換為電能釋放的技術(shù)。ESS通過合理設(shè)計控制策略，其可以動態(tài)吸收能量并適時釋放，從而實現(xiàn)功率的實時調(diào)節(jié)。由于ESS一般同時具有有功和無功的調(diào)節(jié)能力，在風(fēng)電系統(tǒng)中適當(dāng)配置ESS，可以有效提高風(fēng)電功率的可控性，從而達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，改善電能質(zhì)量及優(yōu)化電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行等目的。通過儲能技術(shù)合理利用風(fēng)電場所發(fā)電力，亦可提高分區(qū)供電能力，且減少500千伏主變及其他電源的建設(shè)。

3 算例研究

江蘇沿海地區(qū)擁有豐富的風(fēng)力發(fā)電資源，其中鹽城地區(qū)規(guī)劃建設(shè)成為千萬千瓦級的風(fēng)力發(fā)電基地。根據(jù)規(guī)劃，至2020年鹽城地區(qū)風(fēng)電、光伏規(guī)劃總裝機(jī)容量約為8900MW，遠(yuǎn)景裝機(jī)將達(dá)到17000MW以上。

考慮到風(fēng)電場出力的隨機(jī)性，目前電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計中，計算高峰負(fù)荷下500千伏變電容量需求時，不考慮風(fēng)電出力；低谷負(fù)荷時，需要考慮風(fēng)電場80%出力時的風(fēng)電消納問題。這就導(dǎo)致了一方面為了滿足負(fù)荷高峰時的供電需求要新增500千伏變電容量，另一方面為了滿足負(fù)荷低谷時的風(fēng)電消納可能還需要新增500千伏變電容量。

根據(jù)調(diào)研，目前鹽城地區(qū)風(fēng)電出力率在20%及以下的概率約為63%，出力率在20%～60%的概率約為30%，出力率在60%以上的概率僅不到7%。因此，可考慮將風(fēng)電場置信容量設(shè)定為裝機(jī)容量的20%。鹽城地區(qū)負(fù)荷高峰一般出現(xiàn)在0點至8點，但風(fēng)電場出力是隨機(jī)的，每天的風(fēng)電出力高峰時段都不一樣，無規(guī)律可循。若風(fēng)電出力高峰出現(xiàn)在負(fù)荷低谷時段，可考慮將部分風(fēng)電出力儲存下來為接下來的凌晨負(fù)荷高峰提供電力支撐。

目前還未見應(yīng)用于110千伏及以上的儲能系統(tǒng)，因此儲能裝置考慮裝設(shè)在風(fēng)電場35千伏匯集系統(tǒng)側(cè)，考慮磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的成本分別為3-4元/Wh和1元/Wh。若采用價格較低的鉛酸電池作為風(fēng)電場儲能，在高峰負(fù)荷時提供約400MW電力支撐，緩解高峰2小時的供電壓力，共需投資花費約8億元。

2020年鹽城地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘考s為8060MW，置信容量為1612MW，可減少約2臺1000MVA主變的建設(shè)，不僅大大提高了鹽城電網(wǎng)供電能力，且不增加電網(wǎng)短路電流水平，不過投資也十分巨大。

4 結(jié)束語

本文以分區(qū)供電能力提升作為研究對象，在闡述江蘇電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著眼于鹽城分區(qū)這類風(fēng)電大規(guī)模接入的地區(qū)電網(wǎng)，提出將儲能技術(shù)應(yīng)用于此，可提高風(fēng)電場的置信容量，充分利用風(fēng)電場所發(fā)電力削峰填谷，可提高供電可靠性和供電能力，不過投資也非常高。隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和設(shè)備價格下降，未來將有更廣闊的應(yīng)用前景。

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