新疆高光伏并網(wǎng)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能容量配置分析

曹培芳，張 鋒，趙洪峰，高 超

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引 言

在化石能源日益枯竭以及導(dǎo)致氣候變化等背景下，光伏發(fā)電系統(tǒng)由于滿足清潔高效可再生等條件，近年來(lái)在全國(guó)各地均發(fā)展迅速。但隨著光伏發(fā)電比例的不斷提高[1-2]，原有可控電源對(duì)電網(wǎng)的調(diào)功能力削弱，光電消納情況不佳[3- 4]，棄光比例較高，不利于資源的有效利用。

目前，由于國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)水火電廠等可調(diào)控發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)比例遠(yuǎn)高于光伏并網(wǎng)比例，可以通過(guò)電力調(diào)度近似實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏預(yù)測(cè)功率的完全利用，因此將棄光歸因于光伏預(yù)測(cè)功率與光伏實(shí)際功率之差，其本質(zhì)為預(yù)測(cè)誤差。新疆電網(wǎng)新能源并網(wǎng)占比32%，其中光伏占比11%，截至2019年6月，光伏電站總裝機(jī)10 216 MW，傳統(tǒng)能源并網(wǎng)占比約68%，其中可調(diào)控占比35%，與新能源并網(wǎng)之比接近1∶1。光伏并網(wǎng)高占比導(dǎo)致光伏發(fā)電峰值期間，在光伏預(yù)測(cè)功率與光伏實(shí)際出力近乎相同的情況下，由于系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)空間小、外送容量有限以及可調(diào)控發(fā)電系統(tǒng)不足，導(dǎo)致大量可預(yù)測(cè)棄光功率存在，削峰填谷困難，棄光功率產(chǎn)生的主要原因由預(yù)測(cè)誤差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┬璨黄胶狻?/p>

大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展為該問(wèn)題提供了解決方案[5- 6]。2018年7月，江蘇鎮(zhèn)江東部百兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能電站順利并網(wǎng)運(yùn)行，為大規(guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)步入商業(yè)化提供了重要實(shí)踐依據(jù)[7- 8]，證實(shí)了大規(guī)模電池儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、平滑電網(wǎng)負(fù)荷及促進(jìn)系能源消納等方面的價(jià)值。本文從降低棄光率的角度出發(fā)，推導(dǎo)儲(chǔ)能電站功率、容量配置與光電有效利用率的等式關(guān)系，通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算；并在維持光電利用率不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)該方法計(jì)算了新建300 MW光伏電站情況下，需要的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置，以及新建300 MW/600 MW·h蓄電站情況下，可支持光伏電站新增并網(wǎng)容量。

1 無(wú)儲(chǔ)能光電利用率

光伏電站日出力特性曲線類似于正弦半波，出力時(shí)間集中于早八點(diǎn)到晚八點(diǎn)之間，峰值出現(xiàn)在兩點(diǎn)前后，與當(dāng)?shù)刎?fù)荷午谷時(shí)間段重合。因?yàn)殡娔苌a(chǎn)、傳輸及消費(fèi)同時(shí)進(jìn)行的特點(diǎn)，功率平衡關(guān)系如圖1及式(1)所示。

圖1 功率平衡關(guān)系

PPV+Poth=Pload+Pout+PL

(1)

式中，PPV為光伏電站發(fā)電功率；Poth為水電、火電風(fēng)電等其他形式發(fā)電功率之和；Ploud為負(fù)荷用電功率；Pout為外送功率；PL為線路損耗功率。

在光伏出力較高階段，由于光伏發(fā)電占比較高且調(diào)節(jié)困難，通過(guò)水電站蓄能和火電站調(diào)節(jié)依然無(wú)法達(dá)到功率的平衡，發(fā)電功率高于用電功率，無(wú)法消納光伏電站送出的電力，導(dǎo)致可預(yù)測(cè)棄光功率出現(xiàn)。此時(shí)，t時(shí)刻棄電功率PEXPV(t)為

PEXPV(t)=PAPV(t)-PPV(t)

(2)

式中，PAPV為光伏電站可捕獲光能發(fā)電功率。棄光量為棄光功率對(duì)時(shí)間的積分，計(jì)算得棄光率ηEXPV及光電利用率ηPV為

(3)

2 含儲(chǔ)能光電利用率

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要約束條件為t時(shí)刻總負(fù)荷有功缺額PΔ(t)、蓄電池初始容量Cbat(t)[9]。在電網(wǎng)系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能站后，功率平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 含儲(chǔ)能功率平衡關(guān)系

圖中，Pbat為蓄電池放電功率。t時(shí)刻負(fù)荷的有功缺額PΔ(t)、蓄電池初始容量Cbat(t)分別為

PΔ(t)=Pload(t)+Pout(t)+PL(t)-PPV(t)-Poth(t)

(4)

式中，Cbat(t-1)為(t-1)時(shí)刻蓄電池初始容量；δ為自放電電流率；ηcha為蓄電池充電效率。

由光伏電站特性及客觀條件可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)一次充放電周期為24 h，且可放電時(shí)間遠(yuǎn)多于充電時(shí)間，認(rèn)為可完全放電，因此推導(dǎo)光電利用率更關(guān)注充電狀態(tài)，即PΔ(t)<0，將每時(shí)間步長(zhǎng)t分為3種情況。

(1)當(dāng)光伏發(fā)電和其他電廠輸出有功功率之和大于負(fù)荷、外送和損耗所需有功功率之和，有功缺額絕對(duì)值不超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率，且電池儲(chǔ)能容量未能充滿至最大值，第(t+1)時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|≤Pbatmax

(5)

Pbat(t)=PΔ(t)

式中，Pbatmax為蓄電池最大充電功率；Pbat(t)為t時(shí)刻蓄電池放電功率；Cbatmax為蓄電池容量。

(2)有功缺額絕對(duì)值超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率，且電池儲(chǔ)能容量未能充滿至最大值，第(t+1)時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|>Pbatmax

(6)

Pbat(t)=Pbatmax

(3)蓄電池儲(chǔ)能容量在(t，t+1)區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值，第(t+1)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

(7)

Cbat(t+1)=Cbatmax

基于以上3種充電狀態(tài)，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后光電利用率ηPVbat為

(8)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需考慮電池放電深度，實(shí)際所需儲(chǔ)能總?cè)萘看笥诶碚撝怠?/p>

圖5 含儲(chǔ)能ηPVbat曲線及棄光功率分布

3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

2018年7月至2019年6月新疆光伏功率峰值如圖3所示。

圖3 光伏功率峰值

由圖1可知，光伏電站出力穩(wěn)定性較高，且季節(jié)性變化明顯。為減小工作量，抽取每季各一典型日進(jìn)行仿真分析，近似代替4個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)。

此時(shí)，在無(wú)儲(chǔ)能情況下，ηPV=90.05%，棄光功率曲線及棄光電量曲線如圖4所示。

圖4 四典型日棄光功率分布及棄電量

在此背景下，設(shè)光伏出力等于光伏預(yù)測(cè)功率，利用Matlab編寫分析程序，計(jì)算加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后棄光功率PEXPV、棄光電量WEXPV以及光電利用率ηPVbat與Pbatmax、Cbatmax之間的關(guān)系，取儲(chǔ)能站鋰離子蓄電池[10]容量為4 MW·h，充放電功率為1 MW，充放電效率為95%，壽命為4 500個(gè)充放周期，放電深度為90%。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知，新疆電網(wǎng)通過(guò)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能充電功率的方法提高光電利用率，光電利用率在0.90～0.95變化時(shí)，擬合曲線接近線性。光電利用率在0.95及以上范圍內(nèi)變化時(shí)，擬合曲線非線性變化明顯，其導(dǎo)數(shù)顯著下降，在充電功率逐漸增加到1 675 MW以上時(shí)，光電利用率保持在0.995 023不變。這說(shuō)明光電利用率接近100%時(shí)，通過(guò)增加儲(chǔ)能充電功率的方法效率逐漸降低，最終無(wú)法總過(guò)該方法提高光電利用率。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到高功率充電或滿功率充電時(shí)間比極低，儲(chǔ)能配置浪費(fèi)較大。

圖5b表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率以及儲(chǔ)能容量共同限制光電利用率的增長(zhǎng)，且存在最佳配比，即在此配比下單獨(dú)增加充電功率或儲(chǔ)能容量均不能使光電利用率增長(zhǎng)。

圖5c為新建儲(chǔ)電站500 MW/2 000 MW·h情況下第二典型日棄光功率曲線，可將棄光過(guò)程分為三個(gè)階段，t1時(shí)間段內(nèi)，棄光功率極小，棄光功率不超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電效率，符合式(5)，棄光的原因?yàn)閮?chǔ)電站充電過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，因此，可通過(guò)改進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的方式提高該階段光電利用率；t2時(shí)間段內(nèi)，棄光功率較高，棄光功率超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電效率，符合式(6)，導(dǎo)致部分光伏電站出力無(wú)處消納，產(chǎn)生棄光的原因?yàn)槌潆姽β什蛔銓?dǎo)致的棄光以及儲(chǔ)電站充電過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，此階段可通過(guò)改進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)以及提高儲(chǔ)能充電功率的方式提高該階段光電利用率；t3時(shí)間段內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量已滿，充電過(guò)程停止，儲(chǔ)能容量不足導(dǎo)致產(chǎn)生棄光，符合式(7)，該階段可通過(guò)增加儲(chǔ)電站儲(chǔ)能容量的方式壓縮時(shí)長(zhǎng)。

設(shè)新增光伏并網(wǎng)300 MW，光伏實(shí)際出力等比增大，負(fù)荷及線路損耗不變，代入上述分析過(guò)程，得到計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 含儲(chǔ)能ηPVbat變化曲線

由圖6可知，在無(wú)儲(chǔ)能情況下新增光伏并網(wǎng)300 MW，光電利用率跌落為0.886，之后隨儲(chǔ)能的增加不斷提高，若維持光電利用率不低于0.9，則至少需新增儲(chǔ)能140 MW/720 MW·h。

同理，設(shè)新增儲(chǔ)能300 MW/600 MW·h，其他條件不變，不計(jì)負(fù)荷增長(zhǎng)，代入計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 新增光伏ηPVbat變化曲線

由圖7可知，新增儲(chǔ)能300 MW/600 MW·h后，光電利用率升高，若維持光電利用率不低于0.9，可以支撐新增光伏并網(wǎng)310 MW。

4 結(jié) 論

文中根據(jù)新疆往年棄光數(shù)據(jù)，從電能供需不平衡的角度以及儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰能力出發(fā)，忽略光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)誤差以及儲(chǔ)能站選址差異導(dǎo)致的線路損耗，推導(dǎo)了新疆光電利用率與新建電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能充電功率及儲(chǔ)能容量之間的數(shù)值關(guān)系，并分析各儲(chǔ)能階段棄電原因。該配置方法可以為新疆儲(chǔ)能站規(guī)劃建設(shè)以及光伏并網(wǎng)容量配置提供理論指導(dǎo)。