風(fēng)電場儲能工程應(yīng)用研究

王 健,常雪劍,高 巖

(1.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028011；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

受風(fēng)的資源特性影響，風(fēng)力發(fā)電具有波動性、隨機(jī)性、間歇性、低抗擾性、弱頻率/電壓支撐性、出力變化快等特點(diǎn)，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制帶來較大影響，增加了實(shí)時電壓調(diào)節(jié)、頻率變化調(diào)節(jié)的難度，降低了電網(wǎng)的調(diào)峰能力，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

近年來儲能技術(shù)得到了快速發(fā)展，因其響應(yīng)速度快、功率指令跟蹤精準(zhǔn)和無爬坡率限制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電?？茖W(xué)合理地在風(fēng)電場中配置儲能形成風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能有效彌補(bǔ)風(fēng)電的間歇性和波動性，提高風(fēng)電輸出功率的可控性，增強(qiáng)并網(wǎng)穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，并優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[2]。

儲能在風(fēng)電場應(yīng)用過程中，仍對一些問題存在爭議且有待論證，由于部分項(xiàng)目建設(shè)前未進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，儲能運(yùn)行過程并未充分挖掘儲能應(yīng)用的潛力，導(dǎo)致儲能利用率較低，經(jīng)濟(jì)性不高。為此，本文針對現(xiàn)階段存在的主要問題，提出了儲能在風(fēng)電場的應(yīng)用方法及其研究方向。

1 儲能在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

風(fēng)電場配置儲能，需要選擇合適的技術(shù)路線，其技術(shù)路線的選擇需要針對新能源并網(wǎng)具體問題，考慮其技術(shù)的成熟性、儲能發(fā)展的可行性。

風(fēng)電并網(wǎng)的主要問題有：

(1) 受風(fēng)的資源特性影響，風(fēng)電出力波動大，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，易產(chǎn)生電壓波動及閃變，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

(2) 受風(fēng)速不確定性影響，風(fēng)電出力存在功率瞬時突變，可能導(dǎo)致電站運(yùn)行頻率不穩(wěn)定，尤其是當(dāng)風(fēng)電規(guī)模占比較大時可能進(jìn)一步惡化電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的調(diào)頻難度。

(3) 受風(fēng)電出力不確定性影響，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)增加了電力系統(tǒng)的調(diào)度難度，系統(tǒng)需預(yù)留更多的備用電源補(bǔ)償新能源出力的不確定性，減小了系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻能力。

(4) 風(fēng)電接入電網(wǎng)的占比逐年上升，對系統(tǒng)調(diào)峰能力的需求不斷增大，特別是冬季供暖期，由于熱電機(jī)組不能參與系統(tǒng)調(diào)峰，系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，會導(dǎo)致新能源開機(jī)不足，從而造成棄電；地區(qū)電力需求、電力負(fù)荷曲線和新能源出力曲線的不匹配造成新能源發(fā)電消納不足，電力網(wǎng)架約束、外送通道不暢也會導(dǎo)致棄電發(fā)生。

基于以上分析，風(fēng)電場儲能應(yīng)用的主要目標(biāo)包括：

(1) 提供快速無功支撐和有功平滑，提高風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性[3]。

(2) 提高風(fēng)功率預(yù)測精度，提高風(fēng)電場可調(diào)度性；根據(jù)負(fù)荷需求及風(fēng)儲聯(lián)合出力預(yù)測，超前制定多發(fā)策略，提高消納能力，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)和消費(fèi)在時間上的解藕。

(3) 削峰填谷，解決棄電。

(4) 參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。

2 儲能規(guī)模配置方法

配置原則：由于現(xiàn)階段儲能成本相對較高，為完全實(shí)現(xiàn)平抑功率波動、跟蹤出力、解決棄電需要配置的儲能規(guī)模太大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，儲能只需補(bǔ)償出現(xiàn)概率較大的波動或跟蹤誤差。

儲能規(guī)模配置的整體設(shè)計(jì)方法應(yīng)建立在數(shù)據(jù)分析及概率統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上，在滿足技術(shù)要求和減少投資成本之間取得適度的折中結(jié)果[4]。

為平抑波動、提高功率預(yù)測精度、減小棄電，儲能規(guī)模配置方法如下：

(1) 收集新建風(fēng)電場附近或已建風(fēng)電場全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括風(fēng)電場并網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)出力數(shù)據(jù)、樣板機(jī)出力數(shù)據(jù)、AGC系統(tǒng)數(shù)據(jù)、功率預(yù)測短期/超短期上報(bào)數(shù)據(jù)、限電數(shù)據(jù)。

(2) 對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)及數(shù)值分析，分析風(fēng)電場不同時間尺度出力波動范圍、波動分布特性，功率預(yù)測誤差范圍、分布特性，以及棄電功率、容量范圍、分布特性，分析儲能為改善上述需求可采用的功率及容量范圍。

(3) 根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際出力、理論出力、風(fēng)功率預(yù)測數(shù)據(jù)、AGC數(shù)據(jù)，結(jié)合考核要求，分析風(fēng)儲聯(lián)合出力數(shù)據(jù)，通過調(diào)整運(yùn)行策略及參數(shù)，改變儲能規(guī)模及容量，分析儲能配比發(fā)生變化時，儲能減小功率波動、提高功率預(yù)測精度、減小棄電的程度及變化趨勢。

(4) 根據(jù)風(fēng)儲聯(lián)合出力效果提升趨勢及儲能成本增加程度，確定最優(yōu)風(fēng)儲配比。

為參與電網(wǎng)調(diào)峰，儲能的規(guī)模配置思路為:

(1) 確定電網(wǎng)負(fù)荷曲線，根據(jù)需要按季度區(qū)分負(fù)荷特性。

(2) 確定電網(wǎng)各類電源裝機(jī)規(guī)模。

(3) 根據(jù)新能源實(shí)際出力、已有調(diào)峰電源出力，動態(tài)模擬電力全年運(yùn)行曲線。

(4) 分析全年運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)峰功率缺口及容量缺口，統(tǒng)計(jì)最大調(diào)峰缺口及大概率調(diào)峰缺口，確定總儲能規(guī)模。

(5) 根據(jù)電網(wǎng)已有調(diào)峰電源靈活性改造程度及進(jìn)度，將儲能規(guī)模分配至網(wǎng)側(cè)及新能源側(cè)。

3 儲能獲取收益方式

3.1 參與電網(wǎng)輔助服務(wù)

2016年6月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場)機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》(國能監(jiān)管[2016]164號)，確定了儲能參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)主體地位，提出了在按效果補(bǔ)償原則下加快調(diào)整儲能參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)的計(jì)量公式，提高了補(bǔ)償力度。

儲能電站可為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓、備用、黑啟動等輔助服務(wù)。風(fēng)電場通過配置儲能電站，可通過參與電力市場輔助服務(wù)獲取收益[5]。

目前中國大多數(shù)地區(qū)電力調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)市場先后啟動試運(yùn)行，并結(jié)合實(shí)際情況陸續(xù)轉(zhuǎn)為正式運(yùn)行。

3.2 減小考核

西北電網(wǎng)、東北電網(wǎng)更新發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則、并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理細(xì)則，即“雙細(xì)則”，對新能源的考核方式更為嚴(yán)格，新增對風(fēng)電場、光伏電站一次調(diào)頻、虛擬慣量響應(yīng)功能制定考核標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)電場可通過配置儲能，減小電網(wǎng)對風(fēng)電場功率波動、風(fēng)功率預(yù)測精度、調(diào)頻等的考核。

根據(jù)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場正常運(yùn)行時有功功率變化最大限值如表1所示。

表1 風(fēng)電場正常運(yùn)行時有功功率變化最大限值表

儲能功率按風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模10%、儲能時長按0.5 h配置時，某100 MW風(fēng)電場全年10 min有功功率變化率超過最大限值的概率由2%減小至0.1%；某600 MW風(fēng)電場全年10 min有功功率變化率超過最大限值的概率由13.1%減小至3.6%。

以西北某100 MW風(fēng)電場為例，根據(jù)西北電網(wǎng)“雙細(xì)則”考核辦法，配置不同規(guī)模儲能時，儲能效果如表2所示。

表2 不同規(guī)模儲能時儲能效果表

3.3 解決棄電

在實(shí)際運(yùn)行中，除減小考核，儲能還可利用棄電，提高風(fēng)電場發(fā)電量，提高設(shè)備的利用率，收益效果更為明顯。

儲能功率按風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模10%、儲能時長按2 h配置時，風(fēng)電場棄電率可減少1%～2%。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

2019年全球鋰離子電池平均價格為156美元/kWh(約人民幣1.10元/Wh)。若采用磷酸鐵鋰儲能電站，電池充放電倍率選用0.5C或1C，則儲能電站的造價約2.4元/Wh。以某10 MW/20 MWh磷酸鐵鋰儲能電站為例，其初始投資約4 800萬元。其綜合考慮儲能電池日歷壽命、充放電次數(shù)、充放電深度、系統(tǒng)效率等因素，儲能系統(tǒng)至少保證每天2個充放電循環(huán)，上網(wǎng)電價超過0.57元/kWh，才具有經(jīng)濟(jì)性。

儲能系統(tǒng)可通過制定合理的充放電策略，盡可能多放電，才可在其運(yùn)行周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)成本回收。

4 關(guān)鍵問題分析

4.1 控制問題

并網(wǎng)型風(fēng)電場儲能系統(tǒng)，采用P/Q控制模式，主要通過跟隨的方式調(diào)節(jié)風(fēng)電場出力。

儲能控制問題主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)：

(1) 功率穩(wěn)定控制問題

電網(wǎng)對風(fēng)電場功率波動考核指標(biāo)為有功功率變化值，無跟蹤目標(biāo)曲線，下一段考核周期的變化率變化趨勢未知、變化程度未知。儲能如何獲取出力目標(biāo)值，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)及閾值提前調(diào)整出力，是控制難點(diǎn)。

(2) 風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制問題

風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制難點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：① 如何根據(jù)負(fù)荷變化規(guī)律、限電規(guī)律、風(fēng)功率預(yù)測結(jié)果、儲能日前狀態(tài)，調(diào)整風(fēng)功率預(yù)測曲線上報(bào)策略[6]；② 儲能在跟蹤各種計(jì)劃曲線下，如何根據(jù)并網(wǎng)指標(biāo)變化、增加電量、減小考核的程度，確定最優(yōu)計(jì)劃曲線；③ 如何根據(jù)實(shí)時狀態(tài)調(diào)整儲能各功能工作順序及工作模式優(yōu)先級；④ 風(fēng)電場一次調(diào)頻時，如何根據(jù)風(fēng)機(jī)單機(jī)調(diào)頻能力、風(fēng)電場全場風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力、儲能電站調(diào)頻能力，分配功率及響應(yīng)時序[7]；⑤ 確定最優(yōu)運(yùn)行策略時，盡可能多發(fā)電的同時，如何提取儲能電池特性參數(shù)，使儲能荷電狀態(tài)、儲能充放電次數(shù)在健康運(yùn)行狀態(tài)，保證電池壽命及安全[8]。

針對風(fēng)電場儲能控制問題，風(fēng)機(jī)廠家與儲能廠家均需深入了解風(fēng)機(jī)及儲能的發(fā)電原理及控制原理，聯(lián)合開展控制系統(tǒng)搭建與試驗(yàn)，解決風(fēng)儲聯(lián)合控制瓶頸。

4.2 接入方式

風(fēng)電場儲能電站接入方式有以下3種：

(1) 風(fēng)機(jī)交流側(cè)

儲能系統(tǒng)接入風(fēng)機(jī)交流側(cè)時，通過DC/AC模塊+升壓變或DC/DC模塊+DC/AC模塊接入風(fēng)機(jī)箱變690 V側(cè)，主要用于平抑風(fēng)機(jī)出力波動，或與風(fēng)機(jī)聯(lián)合調(diào)頻。此種接入方式存在如下問題：① 儲能為平抑單臺風(fēng)機(jī)出力波動，風(fēng)儲配比較大，且每臺風(fēng)機(jī)需花費(fèi)升壓成本，儲能系統(tǒng)整體投資大；② 單個儲能系統(tǒng)只能與對應(yīng)風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)配合；③ 功率分配邏輯復(fù)雜，對控制系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)要求高，且通信延時較長，控制響應(yīng)時間難以保證。

(2) 風(fēng)機(jī)直流側(cè)

儲能系統(tǒng)接入風(fēng)機(jī)直流側(cè)時，通過DC/DC模塊直接接入風(fēng)機(jī)控制直流母線，儲能參與風(fēng)機(jī)控制，組成風(fēng)儲一體機(jī)，改善風(fēng)機(jī)出力，也可作為風(fēng)機(jī)備用電源[9]。此種接入方式可做為未來風(fēng)機(jī)招標(biāo)標(biāo)配，儲能成本納入風(fēng)機(jī)成本，具備較好的發(fā)展趨勢。但風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)本身控制策略復(fù)雜，涉及參數(shù)較多，結(jié)合儲能充放電控制及電壓控制，控制難度較高，技術(shù)還不成熟。

(3) 升壓站交流側(cè)

儲能系統(tǒng)接入升壓站交流側(cè)時，通過儲能PCS及升壓變，以集電線路方式集中接入升壓站，進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理。儲能充放電控制是以整個風(fēng)電場的控制為目標(biāo)，不受單臺風(fēng)機(jī)或單個儲能子系統(tǒng)影響，系統(tǒng)可靠性更高、經(jīng)濟(jì)性更好。儲能系統(tǒng)集中布置于升壓站附近，便于運(yùn)維管理。

在風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行時，會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)停運(yùn)或者檢修的情況，導(dǎo)致安裝在這些風(fēng)機(jī)側(cè)的儲能系統(tǒng)將得不到充分利用，且風(fēng)機(jī)側(cè)儲能系統(tǒng)布置分散、數(shù)量多，增加系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的工作量。因此，建議采用升壓站交流側(cè)接入方式。

4.3 布置方式

(1) “L”型或環(huán)形道路

儲能電站的整體布置思路可按變電站布置，滿足電氣安全距離、消防、運(yùn)輸、運(yùn)維檢修等要求。規(guī)模較大且條件允許時，建議采用環(huán)形道路。為了減小占地，可采用“L”型道路。

(2) 布置間距

磷酸鐵鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)性暫按丙類考慮，變壓器油量≥5 t時，安全距離按10 m考慮；2.5 t≤油量<5 t時,安全距離按5 m考慮；油量<2.5 t時，規(guī)范沒有詳細(xì)要求，有條件按5 m考慮，建議不要低于4 m。

(3) 不考慮避雷針

儲能電站全部采用集裝箱安裝時，集裝箱本身屬于金屬構(gòu)筑物，是良好的導(dǎo)電體，且封閉金屬外殼形成等電位體，安裝高度較低，因此可不考慮裝設(shè)避雷針，但應(yīng)配置足夠的泄流導(dǎo)體。

(4) 儲能集裝箱典型方案

儲能集裝箱方案包括4種，見表3～6。

表3 PCS集裝箱配置表

表4 PCS+升壓變集裝箱配置表

表5 電池集裝箱配置表

表6 電池+PCS集裝箱配置表

5 結(jié) 語

本文通過分析風(fēng)電場并網(wǎng)問題，明確儲能在風(fēng)電場發(fā)電側(cè)的應(yīng)用方向；提出儲能規(guī)模配置原則，針對儲能不同功能應(yīng)用提供儲能規(guī)模配置方法及思路；分析目前市場環(huán)境下儲能獲取收益的方式；針對風(fēng)電場儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析研究。研究成果對促進(jìn)儲能在風(fēng)電場發(fā)電側(cè)的應(yīng)用、提高儲能利用率具有一定的指導(dǎo)意義。