風電供暖+儲能=？

文 | 李建林

作者系中國電力科學研究院電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)室主任

風電供暖已不是新鮮事，但傳統(tǒng)的風電-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合運行難以實現(xiàn)最大限度的消納風電。而引入儲能系統(tǒng)則能夠很好的解決這一問題。

國慶節(jié)剛過，吉林省西北部最低氣溫就已降到零下1度，但白城市安廣鎮(zhèn)的居民家中卻是暖意融融。這一切都是因為一種全新的取暖方式——風電-儲能-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合系統(tǒng)。

風電供熱替代燃煤鍋爐的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益，目前在安廣鎮(zhèn)已經(jīng)顯現(xiàn)。據(jù)測算，風電供熱替代燃煤鍋爐，2017-2018年采暖期內(nèi)共消納棄風電量1931萬kwh，可節(jié)約標準煤0.24萬噸。

事實上，風電供暖已不是什么新鮮事，但是由于受機械部件制約，調(diào)節(jié)速率與風功率快速波動不匹配和方式單一，缺乏多目標控制技術(shù)的原因，傳統(tǒng)的風電-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合運行難以實現(xiàn)最大限度的消納風電。而引入儲能系統(tǒng)則能夠很好的解決這一問題。

吉林的儲能需求

隨著風電裝機容量的持續(xù)增長，以吉林省為代表的源荷供需矛盾凸顯地區(qū)，棄風現(xiàn)象時有發(fā)生，風電就地消納能力不足已成為制約風電發(fā)展的主要因素。而冬季供熱期用于電網(wǎng)調(diào)峰的火電機組調(diào)峰能力驟減，電網(wǎng)接納風電的空間減小，進一步引發(fā)高比例棄風，以致風電平均利用小時數(shù)連續(xù)多年處于全國最低水平。

吉林省正在推廣應(yīng)用蓄熱式電鍋爐制熱項目，增加電網(wǎng)的電轉(zhuǎn)熱負荷，以促進風電本地消納。利用風電場在夜間負荷低谷期的棄風電量，為蓄熱式電鍋爐供電，電鍋爐產(chǎn)生的熱量，一部分直接用于夜間電網(wǎng)低谷時段居民供熱，另一部分儲存蓄熱裝置內(nèi)，用于白天電網(wǎng)非低谷時段居民供熱。

風電供暖項目的推廣應(yīng)用，增加了電網(wǎng)低谷負荷，在提升風電就地消納能力方面發(fā)揮了一定作用。為最大限度提升蓄熱式電鍋爐消納風電的作用，需要蓄熱式電鍋爐運行功率跟蹤風電出力。

但是，目前在電價低谷時段，蓄熱式電鍋爐以恒定功率連續(xù)運行，沒有跟蹤風電出力，蓄熱式電鍋爐運行增加的電網(wǎng)低谷負荷并未全部用于消納風電。為進一步提高風電利用比例，在技術(shù)方面有兩個問題需要解決。

一是蓄熱式電鍋爐功率調(diào)節(jié)受機械部件制約，調(diào)節(jié)速率與風功率快速波動不匹配。大容量的蓄熱式電鍋爐一般為電極式，需要通過機械系統(tǒng)控制電極棒在電流載體中的位置來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，為保證設(shè)備壽命，機械臂無法進行頻繁調(diào)整且調(diào)節(jié)速度有限，導致電鍋爐功率調(diào)節(jié)速率過慢，無法適應(yīng)風功率快速波動。

二是風電-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合運行方式單一，缺乏多目標控制技術(shù)。受功率調(diào)節(jié)速度、深度與頻次的制約且僅能單向調(diào)節(jié)的限制，目前風電-蓄熱式電鍋爐在低谷時段以恒定功率單一方式運行，難以實現(xiàn)最大限度的消納風電，為提升風電的利用比例，需要通過多目標控制策略及能量管理系統(tǒng)等技術(shù)手段，對風電-蓄熱式電鍋爐進行協(xié)調(diào)控制。考慮風電與蓄熱式電鍋爐在運行中因可控性差而引發(fā)的風電出力與負荷調(diào)節(jié)間的適配性問題，以及負荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的調(diào)控技術(shù)問題，需引入儲能系統(tǒng)及柔性控制技術(shù)探索解決途徑。

示范項目解析

吉林大安風電清潔供暖示范項目是國家能源局重點清潔環(huán)保項目，項目位于大安市安廣鎮(zhèn)南側(cè)，場地約15000平方米。項目配套的中廣核大安風力發(fā)電有限公司來福風電場裝機容量為200MW，在安廣都瑞熱力公司內(nèi)建設(shè)3臺功率為10MW電極式鍋爐，4個容積為350m3的蓄熱水罐，蓄熱溫度大于或等于180℃，蓄熱體表面溫度不大于45℃。

在蓄熱式電鍋爐側(cè)配置了移動式MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)，容量為1MW/0.5MWh，包括1套0.5MWh鋰電池儲能主系統(tǒng)，2臺500kW變流器，1套電池監(jiān)控系統(tǒng)、1個儲能集裝箱體和相關(guān)輔助系統(tǒng)組成。

通過對儲能系統(tǒng)功率特性、爬坡率、電能質(zhì)量進行測試，得到儲能系統(tǒng)技術(shù)指標如下：1）移動式鋰電池儲能系統(tǒng)的充放電試驗結(jié)果表明，該儲能系統(tǒng)充電功率可達1002kW，放電功率可達1005kW，具備1MW的充放電功率能力；2）1MW/0.5MWh移動式鋰電池儲能系統(tǒng)爬坡率測試結(jié)果表明，儲能系統(tǒng)在充電過程中爬坡率最大可達到560kW/s、放電過程中爬坡率可達到500kW/s；3）在空載、充電、放電三種工況下，儲能充放電運行對并網(wǎng)點電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動和閃變、諧波等電能質(zhì)量參數(shù)指標的影響均在合理范圍內(nèi)，各項指標符合國家標準要求。

針對工程實際需求搭建了聯(lián)合運行調(diào)控管理平臺，其技術(shù)指標如下：1）儲能與蓄熱式電鍋爐裝置可實現(xiàn)各種通信規(guī)約的轉(zhuǎn)換與無縫接口；2）對風場出力、電壓，儲熱溫度、壓力，電化學儲能電壓與SOC等參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理周期≤0.5s；3）多目標協(xié)同控制計算時間≤1s，控制節(jié)點響應(yīng)時間≤0.2s。

項目研究了風電-儲能-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合運行控制、調(diào)度管理等核心技術(shù)，有效解決風電-蓄熱式電鍋爐運行適配性問題，實現(xiàn)多種資源的綜合利用，并建設(shè)了包含200MW風電場、30MW蓄熱式電鍋爐、1MW移動式鋰電池儲能系統(tǒng)的示范工程。通過供熱季的示范運行，儲能系統(tǒng)與蓄熱式電鍋爐聯(lián)合出力能夠快速跟蹤棄風功率運行。項目成果已經(jīng)成功應(yīng)用在示范工程中，測試結(jié)果驗證了聯(lián)合運行調(diào)控策略的正確性，且對比鍋爐恒功率運行、鍋爐跟蹤棄風運行，儲能系統(tǒng)融合電鍋爐聯(lián)合運行跟蹤棄風功率效果最優(yōu)，大幅減少電鍋爐電極調(diào)節(jié)次數(shù)。

經(jīng)實測，一個供熱季示范工程消納了棄風1935萬kWh，降低棄風率4.62%，相比之前電鍋爐恒定的運行模式，本項目的應(yīng)用多消納了939萬kWh棄風電量，多降低了2.26%棄風率，有效提升了風電場的就地消納能力。

儲能的快速調(diào)節(jié)能力減少了蓄熱式電鍋爐電極棒的動作次數(shù)770次。該示范工程的運營模式下，棄風電量電價為0.2631元/kWh（不含補貼），棄風電量電價下調(diào)空間通過電價平移到用戶，有效降低了蓄熱式電鍋爐的運行成本。經(jīng)綜合計算后，示范工程各參與方一個供熱季的凈收益為368.62萬元。