風能光能海水抽水蓄能電站的容量設計研究

劉 權，張 東，蘇媛媛，劉嘉欣，于 浩，孫曉東

（沈陽工程學院 a.研究生部；b.新能源學院，遼寧 沈陽 110136）

1 研究背景

生活中的每日用電需求經常會有波動，夜晚高峰需求比非高峰時段高出一倍之多。因此，設計聯(lián)合系統(tǒng)以滿足不同時段的供電需求，能更好地節(jié)約能源。

由于可再生能源的隨機性和不規(guī)則性以及負荷的功率波動，在高滲透率的系統(tǒng)中加入儲能裝置是十分必要的。儲能系統(tǒng)的功能可定義為捕獲一次產生的能量，并在以后使用?，F(xiàn)在主要的儲能方式有重力勢能儲能、電池中的化學能、以壓縮空氣儲存的壓力能、以熔鹽形式儲存的熱能等。

電池儲能是化學儲能形式中應用最廣泛的儲能形式之一，電池的壽命受放電水平的影響很大。由于電池是由化學物質組成的，其性能、成本和使用壽命受其使用方式和條件的影響。通常，電網所用的儲能方式中，60%～80%是電池儲能。電池儲能的主要優(yōu)點是響應時間短（數(shù)毫秒），提高了電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，并能夠對系統(tǒng)進行有功補償，而主要缺點是其壽命比其他儲能方式短，同時電池儲能的資金成本高，受環(huán)境影響大，備用時間短。上述缺點使得抽水蓄能缺乏競爭力。

熔鹽可用作熱能儲存，維持集中式太陽能電站的太陽能槽所獲得的熱能。典型的熔融鹽延伸混合物包括硝酸鈉、硝酸鉀和硝酸鈣，具有不易燃和無毒的優(yōu)點，已在化工和冶金工業(yè)中作為熱流體輸送使用。在電網儲能應用中，熔鹽蓄熱的主要缺點是整體效率較低（只有15%），且成本較高。當熔鹽用作加熱的燃料源時，必須建造熱電廠以將熱能轉換成電能。因此，熔鹽蓄熱與抽水蓄能相比，缺乏競爭力。

抽水蓄能電站主要由水輪機、發(fā)電機、水泵、電動機和水庫構成。目前，抽水蓄能電站使用的大多是可逆式水輪機，既可以作為水輪機使用，也可以作為水泵使用，因此也稱之為水泵水輪機。抽水蓄能電站使用的發(fā)電機大多也是可以雙向逆轉的，既可以作為發(fā)電機使用，也可以作為電動機使用，因此也稱之為電動發(fā)電機。抽水蓄能電站按照上水庫水量來源一般可以分為純抽水蓄能電站和混合抽水蓄能電站。純抽水蓄能電站的上水庫沒有水源或者天然水量很小，上水庫的水量完全依靠水泵提供，而混合抽水蓄能電站的上水庫一般有水源。上水庫在非高峰時段利用剩余能量進行抽水儲能，而下水庫則在高峰時段進行排水發(fā)電，效率通常為70%～85%，這使其成為最有效的儲能方式之一。抽水蓄能技術是根據(jù)長期用電需求調節(jié)發(fā)電量的理想技術。在高峰需求期間上水庫發(fā)電，在用電非高峰時期，上水庫從下水庫抽水蓄能。隨著發(fā)電過程中不確定因素的增加，保證供電安全的靈活性顯得尤為重要，降低維護和運營成本也很重要。水力發(fā)電廠的機械設備的壽命通常為40至50年，但水力發(fā)電廠本身可能具有100年的壽命。

2 海水抽水蓄能水電站

抽水蓄能電站具有發(fā)電和儲能的特性。傳統(tǒng)的抽水蓄能技術雖然比較成熟，但是在實際過程中，對項目的選址、工程的一次性投入，尤其是對淡水資源的依懶性很大。抽水蓄能電站一般修建在淡水資源富集的地區(qū)，但是會造成淡水資源的浪費，同時破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)此，提出海水抽水蓄能的概念。海水抽水蓄能一般建在海岸線或者孤島上，可以很好地降低一次成本的投入；同時，抽蓄海水可以減少對淡水資源的浪費。

基于海水抽水蓄能風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度地提高風電和光伏等清潔能源的利用，該系統(tǒng)具有低污染、高可靠性、低波動性和高穩(wěn)定性等特點。與單獨的風電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、抽水蓄能系統(tǒng)相比，風光抽蓄系統(tǒng)具有更好的互補性。風電場的出力主要取決于風速的大??；光伏電廠的出力主要取決于光照強度和溫度。將風電光伏抽蓄發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行，利用抽蓄機組的儲能特性，可以降低系統(tǒng)的設計容量，減少一次投入成本。

海水抽水蓄能是抽水蓄能技術的一種改進形式，電站可以建在高山海岸線的海岸附近。與普通的抽水蓄能不同，它只有一個水庫（上部）而不是兩個水庫（上部和下部），這明顯降低了成本。此外，它沒有缺水問題，因為海水總是存在的。來自上水庫的水通過壓力管道運送到電站的水輪機，并在高峰時段排放到海洋中進行發(fā)電。在非高峰時段，抽水水泵將海水送到上水庫。這種在高峰時段發(fā)電并將水抽回上水庫的循環(huán)效率約為80%～85%。

3 擬議混合系統(tǒng)的組成

具有海水抽水蓄能系統(tǒng)的可再生能源系統(tǒng)的典型結構（包括基本參數(shù)和潮流方向），如圖1所示。風-光-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)，其管理非常復雜。這是因為光伏發(fā)電和風力發(fā)電的輸出主要取決于太陽輻射和風速，它們的功率預測十分復雜。儲能系統(tǒng)用于在白天存儲多余的能量并在夜間用電高峰時期發(fā)電，雙管道液壓單元通過適當?shù)目刂撇呗杂兄陔妷赫{節(jié)和調頻。因此，使用具有雙管道海水泵系統(tǒng)，而不是單個壓力管道泵送系統(tǒng)。

3.1 風力機

風力機的輸出功率主要取決于場址處的風速以及輸出功率曲線描述的風機特性。在該研究中，選擇T600-48風機。當切入風速（vcut-in）超過3 m/s時，風機開始運轉。當風速超過12.5 m/s（vrated）時，風機開始產生額定功率（600 kW）。當速度達到25 m/s（vcut-off）時，出于安全原因，風機將停止運行。風機的功率曲線如圖2所示，從風力機獲得的能量計算如下：

圖1 具有海水抽水蓄能系統(tǒng)的可再生能源系統(tǒng)

式中，EWT為風力發(fā)電機產生的能量；v為風速；n為風力機數(shù)量；PWT為風力發(fā)電機額定功率；t為時間。

圖2 T600-48輸出功率曲線

3.2 太陽能光伏陣列

太陽能電池是光伏陣列的主要部件，以串聯(lián)或并聯(lián)的形式形成光伏組件。一般來說，一個典型的組件由24/72個光伏電池串聯(lián)組成。光伏系統(tǒng)的輸出功率受到輻射強度、工作溫度和面板清潔度的影響。

光伏陣列產生的能量可表示為

式中，EPV為產生的能量；nPV為系統(tǒng)中光伏板的數(shù)量；Irad(t)為當?shù)貙崟r太陽輻射強度；ISTC為標準操作條件下的太陽輻射強度；PPV是在標準操作條件下光伏板的安裝容量；ηPV為系統(tǒng)的效率，它與面板的工作溫度和清潔度有關。

3.3 抽水蓄能系統(tǒng)

水流量為通過水輪機的水量。一般而言，水電站的輸出量為

式中，EH為水輪機產生的能量；ηH為水輪機的工作效率；ρ為海水密度；g為重力加速度；Q為流向水輪機排水量；h為有效揚程（高度差）。

3.4 風-光-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的工作模式

抽水蓄能電站作為電網綜合輔助管理工具，通過提供系統(tǒng)儲能服務和多工況調度運行，在電網中承擔調峰填谷、調頻調相、事故備用、黑啟動等任務，已經成為電力系統(tǒng)重要的“穩(wěn)壓器”“調節(jié)器”和“存儲器”。

隨著全球能源結構加快調整，風能、太陽能等新能源快速發(fā)展，對電力儲能提出更高的要求。當前，電力存儲技術主要有機械儲能、電磁儲能和電化學儲能，其中能夠規(guī)?；?、商業(yè)化應用的僅有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和部分化學電池儲能裝置。與其他儲能裝置相比，抽水蓄能電站具有如下優(yōu)點：

1）容量大、造價低、使用壽命長，技術已經十分成熟；

2）機組啟停時間短、響應迅速，能源轉換效率穩(wěn)定，運行安全、可靠、高效；

3）其轉換、儲存和再利用的均為清潔能源，環(huán)保性能突出。

因此，抽水蓄能電站對于提高能源利用效率，保障電網安全穩(wěn)定運行，促進新能源消納和節(jié)能減排，構建現(xiàn)代能源體系具有不可替代的重要作用。

風、光和抽水蓄能電站聯(lián)合運行的調度方式主要有3種：

1）將全部風、光發(fā)電量都用于蓄能抽水，之后再利用抽水蓄能電站發(fā)電輸送至電網；

2）根據(jù)電網的容量以及風、光電站發(fā)電功率的具體情況，將一部分風、光發(fā)電量直接輸送至電網，另一部分風、光發(fā)電量用于水泵抽水；

3）風、光發(fā)電量全部直接輸送至電網，抽水蓄能電站利用電網的電量進行抽水蓄能，之后適時發(fā)電輸送至電網。

4 結 論

本文提出了一種基于海水等大面積水源的風光抽水蓄能系統(tǒng)，并針對負荷需求，提出了聯(lián)合系統(tǒng)的工作模式。通過計算風電機組、光伏電站和抽水蓄能電站的發(fā)電量，為以后聯(lián)合系統(tǒng)的設計和調度打下基礎。新能源發(fā)電在未來所占比重越來越大，合理、經濟地分配電能是當下急需解決的問題。風-光-海水抽水蓄能電站作為一種改進的聯(lián)合系統(tǒng)，更加節(jié)省成本，同時也解決了其他水庫缺水的問題。本文僅僅對聯(lián)合系統(tǒng)各部分發(fā)電量進行設計，并未考慮聯(lián)合系統(tǒng)接入電網后對電網的功率波動，并網是最重要關鍵的部分，在之后的研究工作中，將注重聯(lián)合系統(tǒng)的并網影響。