儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響

王海剛

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 211100）

引言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，在各個(gè)電站中新能源裝機(jī)的占比不斷增加，但由于在新能源當(dāng)中，風(fēng)能、太陽能等由于其本身存在極強(qiáng)的隨機(jī)性和間歇性，因此使得風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的有功功率經(jīng)常出現(xiàn)頻繁地波動(dòng)，進(jìn)而造成風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電等新能源電站的出力存在不穩(wěn)定性問題。儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種能夠有效抑制新能源在供電時(shí)出力波動(dòng)的系統(tǒng)，在引入這一儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，可以有效提高新能源電站的穩(wěn)定性，進(jìn)而為電力供應(yīng)的可信度提供保障，還能夠降低電力系統(tǒng)整體備用容量，無論是在經(jīng)濟(jì)層面還是社會(huì)層面都具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用可從能量管理和儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用兩方面為新能源電站提供有力幫助[1-3]。為進(jìn)一步促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)以某新能源電站為例，探究在不同條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象

為探究儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響，選擇以某地區(qū)新能源電站為依托，該新能源電站所在地區(qū)總體特征展現(xiàn)為：可利用小時(shí)數(shù)高、電價(jià)低和“兩個(gè)細(xì)則”低。該地區(qū)燃煤基準(zhǔn)為0.3024 元/ kW·h；交易電價(jià)中光伏發(fā)電為0.2201 元/ 千瓦時(shí)，風(fēng)力發(fā)電為0.2045 元/kW·h；限電比例中光伏發(fā)電為2.13%，風(fēng)力發(fā)電為6.27%；“兩個(gè)細(xì)則”考核比例中，光伏發(fā)電為3.25%，風(fēng)力發(fā)電為11.25%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響探究，實(shí)驗(yàn)前需要準(zhǔn)備的設(shè)備包括蓄電池、電壓放大測(cè)試器、絕緣耐壓電流測(cè)量儀等。其中儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄電池選用LEOCH95-5640 型號(hào)蓄電池，該型號(hào)蓄電池的額定電壓為12 V；自身重量為5.4 kg；轉(zhuǎn)化效率為99%；容量為18 AH；尺寸規(guī)格為181.2*76.2*165.2 mm（長*寬*高）。除此之外，LEOCH95-5640 型號(hào)蓄電池具有不易漏液、無需加水、導(dǎo)電性優(yōu)和密封性好等優(yōu)勢(shì)，將該型號(hào)蓄電池應(yīng)用到本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供更高的精度條件[4]。在對(duì)電壓放大測(cè)試器選擇時(shí)，PINTECH87-41650 型號(hào)，利用該型號(hào)電壓放大測(cè)試器實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中新能源電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行電壓的測(cè)定[5]。最后在對(duì)絕緣耐壓電流測(cè)量儀選擇時(shí)，選用SECULIF8674-640 型號(hào)絕緣耐壓電流測(cè)量儀。在完成對(duì)上述主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇后，還需要對(duì)起到輔助作用的附件進(jìn)行選擇，包括各種特制線纜、熱敏打印機(jī)、條形碼閱讀器、三相延長線配置器、漏電測(cè)試用鉗表、溫度傳感器等，可選擇常規(guī)使用的設(shè)備型號(hào)[6]。

1.3 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象建模

在明確實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)中所需設(shè)備后，在具體分析時(shí)，可首先完成對(duì)該新能源電站配置儲(chǔ)能全面可調(diào)節(jié)的電能比例進(jìn)行計(jì)算，其公式為

式中：

g 為新能源電網(wǎng)在配置儲(chǔ)能后時(shí)移電量占總電量的比重；

b 為配置能源的實(shí)際占比；

c 為儲(chǔ)能時(shí)間長度；

d 為新能源電站并網(wǎng)循環(huán)頻率；

e 為循環(huán)天數(shù)；

f 為充放電深度；

a 為運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。

在明確電能比例后，為方便后續(xù)研究，對(duì)新能源電站模型進(jìn)行建立，在并網(wǎng)后，新能源電站當(dāng)中包含的內(nèi)容有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)[7-8]。選擇將新能源電機(jī)的發(fā)電能力作為模型輸出，其公式如下

式中：

為了便于分析，如圖4所示在典型分解曲線上進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記。加熱起始時(shí)間點(diǎn)為t = 0 s，質(zhì)譜儀信號(hào)值第一次大于10-11 mol時(shí)間點(diǎn)為t1，對(duì)應(yīng)溫度曲線上溫度值為T0，質(zhì)譜儀信號(hào)峰值時(shí)間點(diǎn)為t2，峰值大小為 Mm，對(duì)應(yīng)溫度為 Tm，質(zhì)譜儀信號(hào)值最后一次大于 10-11 mol時(shí)間點(diǎn)為 t3，t0、t1、t2、t3之間的時(shí)間間隔分別為Δt1、Δt2、Δt3。將不同加熱速率下的各參數(shù)對(duì)比匯總于表1。

Pw為新能源電機(jī)發(fā)電能力；

ρ 為空氣密度；

Cp為新能源利用系數(shù)；

λ 為葉建速比/光照強(qiáng)度；

A 為發(fā)電機(jī)葉片的掃掠面積；

vw為發(fā)電速率。

根據(jù)新能源發(fā)電的特點(diǎn)，在其輸出轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，額外增加一個(gè)幅值相對(duì)較小的，具有周期性變化特征的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境干擾狀態(tài)下對(duì)新能源發(fā)電運(yùn)行的模擬[9]。在此基礎(chǔ)上，再建立儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。以Ui表示儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池內(nèi)部電壓；UDC表示直流電壓；IDC表示直流電流；Li表示儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池內(nèi)部電抗；Ri表示儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池內(nèi)部電阻。在明確儲(chǔ)能系統(tǒng)核心蓄電池的基本結(jié)構(gòu)后，結(jié)合蓄電池本身具有的充放電特性以及其參數(shù)之間的非線性關(guān)系，構(gòu)建儲(chǔ)能電池的數(shù)學(xué)模型如下

式中：

Unom為儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的額定電壓；

uset為儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓輸入信號(hào)的設(shè)定數(shù)值。

在上述模型基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中的運(yùn)行調(diào)節(jié)，在并網(wǎng)時(shí)，若存在不匹配現(xiàn)象，則通過頻率差值中的比例計(jì)分函數(shù)可進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保并網(wǎng)的有效。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源電站的并網(wǎng)模擬，設(shè)置下述兩種方案，其中第一種為新能源電站中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏發(fā)電機(jī)組單獨(dú)配置，并分別實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)；第二種為新能源混合電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)出口處集中配置[10]。首先將新能源的電站當(dāng)中風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電結(jié)合到一條母線上，再用一條很短的線路將其與并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接起來，達(dá)到并網(wǎng)目的。為了更加方便對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響，將隨機(jī)風(fēng)的變化范圍進(jìn)行擴(kuò)大，并在這一過程中記錄電壓與風(fēng)速之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 風(fēng)速擾動(dòng)條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響

針對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響，在完成上述實(shí)驗(yàn)?zāi)M后，記錄風(fēng)速與電壓之間的關(guān)系，見表1。

表1 風(fēng)速與并網(wǎng)電壓關(guān)系表

從表1 中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在不同風(fēng)速條件下，并網(wǎng)后電壓均控制在0.9755 pu 左右，電壓并沒有受到風(fēng)速變化的影響。因此，通過上述得出的結(jié)果能夠初步說明，在并網(wǎng)后的某一節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速擾動(dòng)情況時(shí)，電壓不會(huì)受到其影響，始終保持在一定范圍內(nèi)發(fā)生小幅度的改變。在上述基礎(chǔ)上，再針對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)條件下并網(wǎng)后出力情況進(jìn)行記錄，并分別對(duì)兩種不同并網(wǎng)方式的出力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由表2 可知，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生改變時(shí)，由于新能源電站當(dāng)中的風(fēng)力出力會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)性的波動(dòng)，因此對(duì)整個(gè)新能源聯(lián)合出力會(huì)產(chǎn)生一定影響。

表2 風(fēng)速擾動(dòng)條件下并網(wǎng)后出力變化記錄表

2.2 三相短路故障條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響

在明確風(fēng)速擾動(dòng)條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響后，再從三相短路故障條件下，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。根據(jù)上述論述可以，選擇在3.0 s 時(shí)間點(diǎn)在某一線路上增加三相短路故障，針對(duì)這一故障發(fā)生時(shí)，新能源電站并網(wǎng)的運(yùn)行電壓進(jìn)行記錄，并繪制成如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖1 三相短路故障發(fā)生時(shí)并網(wǎng)電壓變化記錄圖

由圖1 可知，在三相短路故障清除后，電壓出現(xiàn)了小幅度的波動(dòng)后快速上升到正常電壓以上，并快速恢復(fù)到了正常電壓。在增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后，再針對(duì)三相短路故障時(shí)的出力情況進(jìn)行記錄，并將結(jié)果繪制成表3 所示。

由表3 可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)所吸收的有功功率小于原本設(shè)定的控制目標(biāo)，而吸收的有功功率會(huì)在一定程度上緩解三相短路故障情況下新能源電站并網(wǎng)出力對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，因此能夠有效促進(jìn)新能源電站運(yùn)行的穩(wěn)定性提升。

表3 三相短路故障條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用后并網(wǎng)出力記錄

3 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電站并網(wǎng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置了兩種不同的運(yùn)行條件，其中一種為風(fēng)速擾動(dòng)條件，領(lǐng)域中為三相短路故障條件。在兩種不同條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用都能夠在極大程度上提高新能源電站并網(wǎng)及運(yùn)行的穩(wěn)定性，確保其出力的可靠性，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的供電。綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)在應(yīng)用到新能源電站并網(wǎng)當(dāng)中所具備的，減小風(fēng)出力和光出力對(duì)電網(wǎng)造成的終極以及能夠促進(jìn)電站整體運(yùn)行穩(wěn)定性提升的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際開展新能源電站并網(wǎng)時(shí)，在并網(wǎng)方案當(dāng)中應(yīng)當(dāng)將儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入放在首位，通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用方案的合理設(shè)置，促進(jìn)新能源電站運(yùn)行水平的進(jìn)一步提升。