平抑風(fēng)電功率波動及負(fù)荷調(diào)峰的VRB 儲能應(yīng)用

林 琳， 吳星昂， 於國芳， 李軍徽， 高 卓， 嚴(yán)干貴

（1. 浙江華云清潔能源有限公司， 杭州 310001； 2. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益突出， 風(fēng)力發(fā)電因其具有環(huán)境友好、 技術(shù)成熟、 成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn)， 已逐漸成為電力系統(tǒng)中的主力電源。截至2018 年底，我國新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量2 059萬kW， 累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.84 億kW， 占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9.7%[1]。 但由于風(fēng)能的隨機(jī)性、 間歇性以及不可準(zhǔn)確預(yù)測的特性， 隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷增大， 風(fēng)電功率的隨機(jī)波動特性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

儲能系統(tǒng)具有對功率和能量的時(shí)空平移作用， 可有效抑制風(fēng)電功率波動， 緩解電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰壓力。 同時(shí)儲能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后， 可以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理， 減小晝夜間峰谷差， 提升大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性與電能質(zhì)量水平， 提高輸變電能力， 增加供電可靠性， 促進(jìn)可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)[3-5]。 因此， 近年來國內(nèi)外學(xué)者針對儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用開展了廣泛研究， 并取得豐碩的研究成果。 文獻(xiàn)[6]運(yùn)用功率譜密度理論分析風(fēng)電頻率波動的頻譜特征， 提出利用儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻解決單純時(shí)域指標(biāo)下調(diào)頻責(zé)任分配的局限性問題。 文獻(xiàn)[7]以風(fēng)儲電站的總收益最大為目標(biāo)， 考慮儲能用于減小棄風(fēng)和參與電網(wǎng)二次調(diào)頻服務(wù)， 建立了電池儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化模型。 文獻(xiàn)[8]針對基于混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場輸出功率平抑控制問題開展相關(guān)研究， 使得利用儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率波動的同時(shí)， 延長了運(yùn)行壽命， 滿足系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求。 文獻(xiàn)[9]重點(diǎn)闡述了儲能平抑風(fēng)光發(fā)電出力波動的研究現(xiàn)狀， 歸納總結(jié)了平抑風(fēng)電、 光伏出力波動的相關(guān)控制方法。 文獻(xiàn)[10]在風(fēng)電波動平抑的基礎(chǔ)上， 利用模型預(yù)測算法分析了多種因素對儲能配置的影響。 文獻(xiàn)[11]考慮壽命損耗和優(yōu)化運(yùn)行對儲能容量配置的影響， 提出一種基于離散傅里葉變換的主動配電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型， 該模型在規(guī)劃層面確定混合儲能容量配置方案， 在運(yùn)行層面通過模擬運(yùn)行， 并利用離散傅里葉變換確定混合儲能系統(tǒng)運(yùn)行方案。 文獻(xiàn)[12]提出以一個(gè)邊際負(fù)荷值來確定儲能系統(tǒng)充放電運(yùn)行狀態(tài)的控制方案，在確定運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上， 對實(shí)際運(yùn)行控制提出分時(shí)分檔匹配的方法， 計(jì)算儲能系統(tǒng)全天充放電功率。 文獻(xiàn)[13]提出了一種“1 組超級電容器+3 組蓄電池” 組成的新型混合儲能系統(tǒng)， 以3 組蓄電池交替工作的方式平抑風(fēng)電功率波動。 文獻(xiàn)[14]充分利用風(fēng)能和太陽能， 利用儲能電池平抑風(fēng)、光的波動， 建立了風(fēng)-光熱-水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型， 有效平抑峰谷差， 提高整體電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 文獻(xiàn)[15]針對儲能電站調(diào)峰中預(yù)測精度差等問題， 提出一種基于減法聚類和自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的調(diào)峰控制策略， 該策略能提高對區(qū)域典型負(fù)荷的預(yù)測精度， 準(zhǔn)確識別波峰和波谷， 實(shí)現(xiàn)在儲能系統(tǒng)容量約束下的最優(yōu)調(diào)峰。

目前圍繞儲能系統(tǒng)提高新能源輸出的運(yùn)行控制方法開展了有價(jià)值的工作， 但是尚缺乏對于實(shí)際大規(guī)模儲能系統(tǒng)投運(yùn)后參與電力系統(tǒng)運(yùn)行的分析。 此外， 由于儲能成本較為昂貴， 大規(guī)模儲能電站參與系統(tǒng)調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性也是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

在各種類型的儲能系統(tǒng)中， VRB（全釩液流電池）因其設(shè)計(jì)靈活， 充放電性能優(yōu)越， 安全可靠等優(yōu)點(diǎn)成為目前風(fēng)電儲能的理想選擇之一。 可以通過對VRB 儲能系統(tǒng)儲能側(cè)運(yùn)行與控制的研究，來平抑風(fēng)電功率的波動， 提高風(fēng)電場出力可預(yù)期性[16]， 提升風(fēng)電系統(tǒng)FFRT（柔性故障穿越）[17]能力； 用于電力系統(tǒng)調(diào)峰的大容量VRB 儲能電站建設(shè)也已正式啟動[18]。

本文介紹了5 MW/10 MWh VRB 儲能系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理及特性， 以及風(fēng)儲系統(tǒng)的電氣接線和配置， 結(jié)合風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了風(fēng)電場配置的儲能系統(tǒng)的運(yùn)行特性， 進(jìn)一步結(jié)合省級電網(wǎng)負(fù)荷分析了儲能系統(tǒng)參與系統(tǒng)調(diào)峰的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

1 VRB 儲能系統(tǒng)簡介

1.1 VRB 原理及特性

VRB 是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池， 含有不同價(jià)位釩離子的硫酸液體，正負(fù)電解液被電池堆中的離子交換膜隔開。 正負(fù)價(jià)位的電解液通過兩個(gè)不斷轉(zhuǎn)動的液流泵輸送到電池堆， 在電極接觸面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 通過離子交換膜實(shí)現(xiàn)價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)換， 從而進(jìn)行充放電過程。

相比于其他儲能電池， VRB 具有儲能功率和容量可獨(dú)立配置的優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)VRB 在常溫常壓下運(yùn)行， 電解液無燃耗和爆炸的危險(xiǎn)， 安全性好。 另外VRB 循環(huán)性能好， 壽命長， 使用環(huán)境友好。 因此近年來國內(nèi)建設(shè)了多座大規(guī)模VRB 示范工程。

1.2 儲能系統(tǒng)電氣總接線

該儲能系統(tǒng)位于遼寧省沈陽市法庫縣臥牛石風(fēng)電場升壓站內(nèi)， 參考國內(nèi)5 MW/10 MWh VRB儲能系統(tǒng)示范項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)和參數(shù)， 臥牛石風(fēng)電場安裝了33 臺1 500 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組， 總裝機(jī)容量為49.5 MW。 風(fēng)電場經(jīng)66 kV 母線接入遼寧電網(wǎng)。 儲能系統(tǒng)功率約占風(fēng)電場總裝機(jī)容量10%，2011 年建成投運(yùn)時(shí)， 是全球容量最大的VRB 儲能系統(tǒng)。 圖1 為臥牛石風(fēng)儲系統(tǒng)電氣總接線。

1.3 VRB 儲能系統(tǒng)電氣接線

圖1 風(fēng)儲系統(tǒng)電氣總接線

風(fēng)電場中的儲能系統(tǒng)可以針對風(fēng)電出力進(jìn)行跟蹤計(jì)劃發(fā)電、 平滑風(fēng)電功率輸出、 參與電力系統(tǒng)調(diào)峰， 從而提升風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的能力， 減小風(fēng)電場棄風(fēng)并提高風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)， 以此獲得經(jīng)濟(jì)效益。 圖2 為臥牛石儲能系統(tǒng)電氣接線。 儲能系統(tǒng)電池組通過逆變器進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)化， 經(jīng)由三繞組變壓器連接到35 kV 母線。

臥牛石儲能系統(tǒng)總功率為5 MW， 由15 套可獨(dú)立調(diào)控的352 kW 儲能單元組成。 圖3 為單個(gè)儲能單元示意， 可見儲能系統(tǒng)每排由3 套352 kW的儲能單元構(gòu)成， 352 kW 電池堆充放電運(yùn)行電壓為400～680 V。 每套352 kW 儲能單元又包含2 個(gè)176 kW 小電池堆， 每個(gè)176 kW 電池堆又由8 個(gè)22 kW 電池堆構(gòu)成。每4 個(gè)22 kW 電池堆與另4 個(gè)22 kW 電池堆并聯(lián)后， 再與另外8 個(gè)相同的電池堆串聯(lián)。 每個(gè)22 kW 電池堆又由50 個(gè)1.5 V（額定電壓）的小電池構(gòu)成。 352 kW 電池單元基本參數(shù)如表1 所示。

圖3 單個(gè)儲能單元示意

表1 352 k W 電池單元基本參數(shù)

2 風(fēng)儲系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

風(fēng)能的波動性與隨機(jī)性使得風(fēng)電功率具有難以預(yù)測性， 這種特性將導(dǎo)致風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，對電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響， 同時(shí)對電網(wǎng)功率供需平衡的影響將會愈加嚴(yán)重， 這成為限制電網(wǎng)接納風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘康闹饕款i。而儲能系統(tǒng)可以對能量進(jìn)行動態(tài)吸收并適時(shí)釋放， 因此可實(shí)現(xiàn)對功率和能量的時(shí)間遷移， 儲能系統(tǒng)被認(rèn)為是改善風(fēng)電功率波動性、 間歇性的有效手段。 本文基于臥牛石風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)， 分析風(fēng)儲系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行特性。

圖2 臥牛石儲能系統(tǒng)電氣接線

圖4 為某一時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)出口輸出功率曲線， 可以看出風(fēng)電場輸出功率波動劇烈， 這不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 風(fēng)機(jī)出口輸出功率曲線

風(fēng)電場加入儲能裝置后， 利用大規(guī)模儲能可以提高風(fēng)電調(diào)度的可確定性。 以風(fēng)電調(diào)度參考值為控制目標(biāo)， 利用儲能系統(tǒng)對功率的吞吐特性，通過實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)中風(fēng)電的實(shí)際出力值， 使儲能系統(tǒng)在風(fēng)電實(shí)際出力值大于調(diào)度參考值時(shí)充電，反之放電。 圖5 為儲能系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度吞吐功率曲線。

圖5 儲能系統(tǒng)吞吐功率曲線

并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率是風(fēng)機(jī)出口輸出功率與儲能裝置輸出功率之和。 圖6 為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率， 表2 為風(fēng)機(jī)出口處與風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率的數(shù)值特征。

從圖6 中可以看出， 儲能系統(tǒng)的加入使得風(fēng)電功率波動嚴(yán)重時(shí)間段的波動量明顯降低。 從表2 中可直觀地看出， 風(fēng)機(jī)出口處（無儲能）輸出功率標(biāo)準(zhǔn)差與方差均高于風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)（加入儲能后）， 即接入儲能系統(tǒng)后使得風(fēng)電場輸出功率平緩， 風(fēng)電功率波動得到平抑。

圖6 風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率

表2 風(fēng)機(jī)出口處、 風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率數(shù)值特征對比kW

3 儲能電力系統(tǒng)調(diào)峰應(yīng)用分析

典型風(fēng)電出力往往與負(fù)荷恰好相反， 具有“反調(diào)峰”特性。 以某區(qū)域電網(wǎng)全年負(fù)荷及風(fēng)電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析風(fēng)電接入對電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰帶來的影響。 如圖7 所示， 某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)典型日等效負(fù)荷（負(fù)荷—風(fēng)電）峰谷差大于負(fù)荷峰谷差， 且全年中有297 天出現(xiàn)“反調(diào)峰”現(xiàn)象， 故隨著風(fēng)電滲透率逐年增大， 運(yùn)行中必須采取調(diào)峰措施以保證電力系統(tǒng)供用電的平衡， 減少因低谷調(diào)峰能力不足造成大面積“棄風(fēng)限電”。 一般傳統(tǒng)調(diào)峰機(jī)組有水電機(jī)組、 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組等等。 利用大規(guī)模儲能系統(tǒng)對負(fù)荷“削峰填谷”， 實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的時(shí)空平移， 是提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的革命性手段。 由于儲能系統(tǒng)動作快、 精度高、 調(diào)節(jié)靈活， 較傳統(tǒng)調(diào)峰方式更為快速、 精準(zhǔn)、 有效。儲能系統(tǒng)通過在波谷期充電、 波峰期放電，“削峰填谷”， 可有效改善系統(tǒng)峰谷差， 緩解火電機(jī)組與豐水期水電機(jī)組調(diào)峰負(fù)擔(dān)。

圖8 為遼寧省電網(wǎng)某日負(fù)荷曲線， 其時(shí)間間隔為15 min， 峰谷差為2 696 MW。 加入5 MW/10 MWh VRB 儲能系統(tǒng)后， 利用儲能系統(tǒng)“低儲高發(fā)”緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力， 提高風(fēng)電在負(fù)荷低谷期的接納空間， 最大程度降低負(fù)荷峰谷差。

圖7 某區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電反調(diào)峰特性分析

圖8 遼寧省電網(wǎng)某日負(fù)荷曲線

圖9 為儲能系統(tǒng)以最大化降低負(fù)荷峰谷差為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)峰的動作曲線。 加入儲能系統(tǒng)后， 負(fù)荷峰谷差為2 682 MW， 電網(wǎng)調(diào)峰負(fù)擔(dān)有所緩解。

對儲能系統(tǒng)全年調(diào)峰數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 由于儲能系統(tǒng)容量較小， 參與全網(wǎng)調(diào)峰時(shí)采用全沖全放的充放電模式。 參照峰谷差電價(jià)收益模式對儲能系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行效益分析， 根據(jù)公式（1）推算全年儲能系統(tǒng)運(yùn)行效益。

式中： n 為全年儲能系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行天數(shù)； Ccharge與Cdischarge分別為負(fù)荷峰、 谷電價(jià)； ηcharge與ηdischarge分別為儲能系統(tǒng)充、 放電效率； E 為儲能系統(tǒng)容量，具體參數(shù)見表3。

圖9 儲能系統(tǒng)動作曲線

表3 儲能運(yùn)行效益計(jì)算參數(shù)

以統(tǒng)計(jì)全年運(yùn)行效益為基礎(chǔ)， 考慮儲能系統(tǒng)建設(shè)及容量成本， 推算儲能系統(tǒng)回收年限， 計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 儲能系統(tǒng)回收年限

如表4 所示， 配置10 MWh 的VRB 儲能系統(tǒng)， 在計(jì)及儲能系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行效益的情況下， 其回收年限約34 年。 由于儲能系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行模式下且額定功率較低， 每日即一次全充放循環(huán)。 將回收年限折算為循環(huán)次數(shù)為12 702 次， 小于VRB儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命， 故在現(xiàn)行條件下， 儲能系統(tǒng)已具備商業(yè)化調(diào)峰運(yùn)行的能力。 未來隨著提高儲能系統(tǒng)峰荷充電電價(jià)等相應(yīng)補(bǔ)貼政策的出臺， 儲能系統(tǒng)可縮短成本回收年限， 獲得更多的利潤，從而促進(jìn)儲能技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步， 為儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文介紹了VRB 儲能系統(tǒng)的工作原理及特性， 給出了臥牛石風(fēng)儲系統(tǒng)電氣總接線圖、 VRB儲能系統(tǒng)電氣接線示意圖及單個(gè)儲能單元示意圖。 基于臥牛石風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)， 分析風(fēng)儲系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行特性； 基于遼寧省負(fù)荷實(shí)測數(shù)據(jù)， 分析了儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的可行性。 結(jié)果表明， 儲能系統(tǒng)對于解決風(fēng)電功率波動、 改善負(fù)荷峰谷差等方面改善效果顯著。 因此儲能系統(tǒng)具有良好的可用性及可行性， 然而儲能系統(tǒng)價(jià)格仍較為昂貴， 隨著儲能系統(tǒng)成本的下降及相應(yīng)補(bǔ)貼政策的出臺， 預(yù)期儲能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。