水風(fēng)光儲(chǔ)能源聯(lián)合利用系統(tǒng)研究

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045)

0 引言

隨著全球環(huán)境污染和氣候變化問(wèn)題的日益凸顯，加之化石能源的快速消耗，水電、風(fēng)電、光伏等清潔可再生能源的利用成為世界趨勢(shì)。目前，我國(guó)的能源主體依舊是化石能源，造成我國(guó)環(huán)境污染尤其嚴(yán)重，而我國(guó)的化石能源又遠(yuǎn)不能自給，充分利用清潔能源對(duì)優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和減少環(huán)境污染具有及其重要意義。

針對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)[1]不合理，能源存在瓶頸，必須加強(qiáng)新能源利用技術(shù)改造，提高清潔能源與新技術(shù)的結(jié)合能力，加快清潔能源聯(lián)合利用[2]的推廣。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

隨著一次性能源如煤炭、石油、天然氣等資源的逐步枯竭，以及世界環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，急需把能源消費(fèi)的主體由化石能源轉(zhuǎn)化為可再生能源。自20世紀(jì)中后期以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的精力在水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源技術(shù)的研發(fā)上，并建設(shè)了水電、風(fēng)電和光伏電站，以期解決本國(guó)的能源緊張，環(huán)境污染問(wèn)題。

然而，水電受制于來(lái)水量和調(diào)節(jié)庫(kù)容，年利用小時(shí)一般不超過(guò)4 000 h，除豐水期外一般不承擔(dān)基荷；風(fēng)能和太陽(yáng)能均隨著氣候、地理位置、時(shí)間變化而不斷變化，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電穩(wěn)定性較差，電能質(zhì)量較低。為解決上述問(wèn)題，有研究者提出風(fēng)能、光伏和儲(chǔ)能互補(bǔ)發(fā)電的方法，世界各國(guó)均針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。然而，相關(guān)研究主要集中在兩兩能源聯(lián)合利用方面，且存在以下問(wèn)題：儲(chǔ)能電池容量較小，成本高，導(dǎo)致了兩兩聯(lián)合利用容量受限，不能滿(mǎn)足我國(guó)能源需求現(xiàn)狀；能源兩兩聯(lián)合利用的應(yīng)用時(shí)域較窄。

水風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合利用可以充分利用抽水蓄能技術(shù)穩(wěn)定、容量較大、反應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合儲(chǔ)能電池，可充分消納系統(tǒng)中不穩(wěn)定的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，形成各能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，急需對(duì)水風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合利用技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

風(fēng)能和太陽(yáng)能都屬間歇性能源，產(chǎn)生的電能不夠穩(wěn)定，不利于電力系統(tǒng)消納，因此也不能被充分利用。隨著我國(guó)對(duì)清潔能源的迫切需要，自2005年起，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量劇增，與此同時(shí)出現(xiàn)了并網(wǎng)難、限電、市場(chǎng)難以銷(xiāo)納等諸多問(wèn)題。部分火電具備深度調(diào)峰的能力，但風(fēng)電、光電、火電“打捆外送”的方式會(huì)降低火電廠(chǎng)的效率，增大污染物的排放，違背了開(kāi)發(fā)風(fēng)電、光伏發(fā)電的初衷。

水電機(jī)組具有開(kāi)停靈活、調(diào)節(jié)出力迅速、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、可快速適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化等優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)能電池可穩(wěn)定地儲(chǔ)存電能。水儲(chǔ)和儲(chǔ)能電池有助于電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能這些不穩(wěn)定能源進(jìn)行消納。因此，抽水蓄能電站、電池儲(chǔ)能電站，可兼作風(fēng)電、光伏發(fā)電的調(diào)節(jié)電源，降低這些間歇性清潔能源給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的沖擊。

3 產(chǎn)業(yè)化過(guò)程存在的主要問(wèn)題

1)水風(fēng)光儲(chǔ)各能源容量配置不合理。主要原因是儲(chǔ)能電池成本較高，容量較小，壽命較短，與現(xiàn)有的風(fēng)能、光伏資源不能匹配，造成棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致清潔能源資源浪費(fèi)。

2)系統(tǒng)調(diào)度策略及運(yùn)行方式不合理。主要原因是，一方面目前各能源容量配置不合理，導(dǎo)致調(diào)度策略及運(yùn)行方式無(wú)法達(dá)到最優(yōu)；另一方面是水風(fēng)光儲(chǔ)能源聯(lián)合利用系統(tǒng)中各種能源特性沒(méi)有充分把握且對(duì)聯(lián)合調(diào)度及運(yùn)行沒(méi)有系統(tǒng)的研究。

3)成本較高及經(jīng)濟(jì)效益較差。主要原因是，儲(chǔ)能電池成本較高，而抽水蓄能電站建設(shè)周期較長(zhǎng)，前期投資較高，導(dǎo)致調(diào)節(jié)容量不足、系統(tǒng)成本較高，經(jīng)濟(jì)效益較差。

4)穩(wěn)定性控制技術(shù)沒(méi)有突破，無(wú)法提高電能質(zhì)量。主要原因是，相關(guān)研究較少，技術(shù)發(fā)展不成熟。

4 水風(fēng)光儲(chǔ)能源聯(lián)合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為三部分：電源系統(tǒng)，包括風(fēng)能、光伏，用來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；負(fù)載，可采用噴泉、路燈等，用來(lái)消耗產(chǎn)出的電能；抽水蓄能電站比較特殊，可以作為儲(chǔ)能電源，又可作為負(fù)載消耗電能，同時(shí)可用來(lái)研究開(kāi)發(fā)可變速水輪發(fā)電機(jī)組、新型儲(chǔ)能技術(shù)等。系統(tǒng)電氣接線(xiàn)示意圖如圖1所示。

4.1 電源系統(tǒng)

4.1.1 光伏

光伏發(fā)電是本系統(tǒng)的主要電源提供單元，項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)50 kW離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，并選用一臺(tái)250 kW逆變器，每個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電單元的電池組件采用串并聯(lián)方式組成太陽(yáng)能電池陣列，電能由太陽(yáng)能電池陣列輸入光伏方陣防雷匯流箱后接入直流配電柜，然后經(jīng)光伏逆變器和交流防雷配電柜給負(fù)載供電。

當(dāng)光線(xiàn)不足，太陽(yáng)能電池組件沒(méi)有產(chǎn)生電能或電能不能滿(mǎn)足負(fù)載要求時(shí)，由風(fēng)機(jī)和抽蓄電站供電，如果還不能達(dá)到要求時(shí)由外接電網(wǎng)供電。

圖1 系統(tǒng)電氣接線(xiàn)圖

4.1.2 風(fēng)能發(fā)電

在本系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電是供電單元，項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)10 kW離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，布置為兩個(gè)5 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)出的電能存儲(chǔ)至蓄電池，經(jīng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┴?fù)載用電。

4.2 負(fù)載部分

噴泉為主要負(fù)載，抽水蓄能電站需要抽水時(shí)作為負(fù)載運(yùn)行。

在本系統(tǒng)中，抽水蓄能電站既是供電單元也是用電單元。項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)2臺(tái)5 kW抽水蓄能機(jī)組，水輪機(jī)為水泵水輪機(jī)，發(fā)電時(shí)機(jī)組為水輪機(jī)工況，抽水時(shí)機(jī)組為水泵工況。抽蓄電站的建設(shè)需要有一定的上下高程差和水資源儲(chǔ)蓄。抽水蓄能電站在本系統(tǒng)中起到調(diào)峰作用，可以提高風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組的效率。

4.3 上位機(jī)控制

本著“不在現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)”的原則，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備界面通過(guò)串口通信技術(shù)，與上位機(jī)界面有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)一帶多通信。以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，圖形化語(yǔ)言為輔，規(guī)劃各能源的動(dòng)態(tài)配比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是集水電、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能于一體的水風(fēng)光儲(chǔ)能源聯(lián)合利用系統(tǒng)，可形成多能源聯(lián)合利用技術(shù)研究平臺(tái)，進(jìn)而有效解決水風(fēng)光儲(chǔ)各能源容量?jī)?yōu)化配置、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度及運(yùn)行、成本控制及經(jīng)濟(jì)效益分析、穩(wěn)定性控制和提高電能質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為全面提升我國(guó)水風(fēng)光儲(chǔ)能源聯(lián)合利用的研究與開(kāi)發(fā)水平提供技術(shù)支持，為我國(guó)制定水風(fēng)光儲(chǔ)等新能源政策提供技術(shù)參考。