試論風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電運行技術(shù)

文/王安民

當(dāng)前，隨著石油資源的不斷減少，太陽能、風(fēng)能等新能源的開發(fā)技術(shù)也在不斷成熟。為進(jìn)一步提高太陽能、風(fēng)能發(fā)電的供電質(zhì)量，本文對太陽能、風(fēng)能、儲能發(fā)電運行技術(shù)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致研究；通過確定混合多儲能技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢、增設(shè)風(fēng)光儲互補的儲能系統(tǒng)等方式，有效降低了原風(fēng)光發(fā)電運行技術(shù)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，同時增強了風(fēng)光發(fā)電輸出平穩(wěn)性以及電網(wǎng)融入新能源的兼容性，并最終達(dá)到提高經(jīng)濟效益的目的。

隨著新能源發(fā)電領(lǐng)域的深入探索，風(fēng)能、光能發(fā)電所具有的隨機性和間歇性等特點對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響逐漸顯現(xiàn)出來，進(jìn)而增加了電網(wǎng)控制與調(diào)度風(fēng)光發(fā)電的難度。由于風(fēng)能與光能在資源的轉(zhuǎn)化和利用過程中存在一定的互補關(guān)系，且在風(fēng)光發(fā)電基礎(chǔ)上加入蓄能設(shè)備，能夠極大地改善新能源發(fā)電與電網(wǎng)間的銜接作用，故本文針對當(dāng)前存在的儲能平抑聯(lián)合風(fēng)光發(fā)電效果不佳、儲能配置不合理等情況，通過研究現(xiàn)有風(fēng)光發(fā)電運行技術(shù)和優(yōu)化儲能配置等方式，以期提高風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電運行技術(shù)的實用性。

一、風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

由于光能和風(fēng)能存在一定的波動性、隨機性，所以光能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)會出現(xiàn)較為明顯的波動。此時，如果借助儲能設(shè)備來解決新能源發(fā)電存在的波動性較大這一問題，那么實際使用的儲能設(shè)備必須具備快速響應(yīng)的性能。據(jù)統(tǒng)計，在2017年，全球有90%的國家或地區(qū)使用的是抽水式儲能設(shè)施，此類設(shè)施最大的優(yōu)點是環(huán)保，但其儲能反應(yīng)速度慢的缺點也非常明顯。彼時，兼具機動性好、循環(huán)利用率高、儲能密度大以及儲能響應(yīng)快等優(yōu)勢的化學(xué)儲能設(shè)施成為各國研究的重點。2017年，鋰電池儲能占化學(xué)儲能的93%，鉛電池儲能則占化學(xué)儲能的7%左右。[1]

現(xiàn)階段的儲能類型主要有兩種，一是單一儲能系統(tǒng)，二是混合儲能的多儲能系統(tǒng)。其中，鋰離子電池、釩液電池、電池和電容混合等儲能技術(shù)均具有控制風(fēng)光發(fā)電波動性、穩(wěn)定輸出的作用。

二、風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置既可以接入交流側(cè)也可以接入直流側(cè)進(jìn)行儲能。但在光能發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置只接入直流側(cè)進(jìn)行儲能，隨后再將儲存的光能轉(zhuǎn)變成交流電輸送進(jìn)電網(wǎng)。因此，接入風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的儲能設(shè)施必須同時滿足風(fēng)電、光電的接入需求；同時，為滿足風(fēng)電、光電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)及互補要求，儲能設(shè)施必須從該系統(tǒng)母線的公共端接入，以達(dá)到兼容兩種發(fā)電系統(tǒng)的目的。風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

三、風(fēng)電、光電聯(lián)合運行的控制形式

技術(shù)人員基于新能源發(fā)電相關(guān)理念，對光能、風(fēng)能、儲能資源進(jìn)行合理統(tǒng)籌，從而實現(xiàn)了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可調(diào)、可控、可預(yù)測的目的。其中，風(fēng)、光、儲運行模式主要有離線運行和并網(wǎng)運行兩種模式，因此在主網(wǎng)運行時，這三種運行模式需要在發(fā)電量與用電量達(dá)到一定平衡時才能實現(xiàn)。此外，風(fēng)、光、儲聯(lián)合運行模式實現(xiàn)發(fā)電控制的模式主要有三種，分別是負(fù)荷填谷削峰模式、計劃性輸出模式以及功率平滑輸出模式。為達(dá)到最佳控制效果，本文重新設(shè)計了風(fēng)、電、儲聯(lián)合運行模式，新的光電控制模式共有5種，分別是調(diào)整頻率模式、目標(biāo)跟蹤模式、自動調(diào)整發(fā)電模式、計劃跟蹤模式以及平滑模式（見表1）。

運行模式 光電控制模式風(fēng)計劃跟蹤、目標(biāo)跟蹤光風(fēng)、光聯(lián)合儲計劃跟蹤、目標(biāo)跟蹤、調(diào)整頻率儲、風(fēng)聯(lián)合計劃跟蹤儲、光聯(lián)合風(fēng)、光、儲聯(lián)合 計劃跟蹤、自動調(diào)整、控制發(fā)電、目標(biāo)跟蹤

傳統(tǒng)光電控制模式中的功率平滑輸出、計劃輸出以及負(fù)荷填谷削峰控制均屬于調(diào)頻和發(fā)電自動控制運行模式。[2]

四、風(fēng)、光、儲發(fā)電儲能的平抑控制

（一）單一平抑風(fēng)、光發(fā)電輸出波動的方法

當(dāng)前，平抑風(fēng)、光、儲發(fā)電功率及輸出最簡單且最普遍的方法便是加裝低通濾波器。低通濾波器是由電容器、電阻等零部件共同組成的濾波電路，其主要通過控制不同頻率電波來實現(xiàn)濾波的目的。

需要注意的是，雖然風(fēng)、光發(fā)電儲能系統(tǒng)可以通過加裝低通濾波器在一定程度上平抑電力輸出，但其實際操作難度普遍較高。例如在設(shè)定時間常數(shù)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員不僅需要根據(jù)系統(tǒng)運行過程中的實際狀況來進(jìn)行操作，同時還要在低通濾波器中加入慣性的時間參數(shù)，并結(jié)合PI技術(shù)（第二代智能并聯(lián)技術(shù)）進(jìn)行控制。[3]

當(dāng)前，隨著風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)的不斷升級與濾波器的不斷更新，適用于風(fēng)、光發(fā)電輸出波動平抑的濾波器的種類不斷增多。以平均滑動濾波器為例，其主要采用兩極小波段濾波形式對風(fēng)、光發(fā)電輸出進(jìn)行平抑。此類濾波平抑設(shè)備不僅綜合性能強，同時還具有降低噪聲的功能。

（二）增設(shè)約束條件的平抑方法

事實上，風(fēng)、光、儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)非常復(fù)雜，僅使用濾波器是無法完全滿足系統(tǒng)對平抑輸出的需要的。因此，技術(shù)人員在濾波器平抑的基礎(chǔ)上增設(shè)了相應(yīng)的約束條件，從而進(jìn)一步提高了平抑效果。與此同時，技術(shù)人員以控制有功功率達(dá)到最小波動為目的，建立了儲能充放電模型，該模型能夠充分滿足各約束條件下系統(tǒng)對儲能容量以及充放電控制等方面的需求。由于儲能約束條件中包含發(fā)電開環(huán)控制的策略，為防止在控制過程中發(fā)生預(yù)測誤差等情況，技術(shù)人員又在系統(tǒng)中增加了預(yù)測模型控制功能，以有效增強平抑風(fēng)光發(fā)電輸出的效果。此外，考慮儲能系統(tǒng)在對風(fēng)、光發(fā)電輸出波動進(jìn)行平抑時容易發(fā)生過充電、過放電的情況，系統(tǒng)采用了一種能夠反饋儲能電荷實際狀態(tài)的算法。這些約束條件還能在濾波的基礎(chǔ)上，依據(jù)儲能電池系統(tǒng)的實時運行濾波常數(shù)，研究出蓄能能量與風(fēng)、光發(fā)電的波動關(guān)系，并以此確定儲能電池優(yōu)化能量與功率計算的方法。

（三）預(yù)測功率和智能平滑控制的方法

除上述平抑控制方法外，很多研究機構(gòu)還在風(fēng)、光發(fā)電預(yù)測技術(shù)以及智能化控制技術(shù)等方面投入研究，從而進(jìn)一步優(yōu)化了控制效果；也有研究機構(gòu)通過在濾波器中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式的算法達(dá)到了相同的目的。還有一些研究機構(gòu)在預(yù)測風(fēng)、光發(fā)電功率的基礎(chǔ)上合理運用協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，并根據(jù)約束功率的偏差、儲能容量以及功率充電模型等信息，逐步實現(xiàn)了儲能充電、放電最小次數(shù)和最大剩余電量的優(yōu)化。研究機構(gòu)通過改進(jìn)蓄能公差控制方法、增加自適應(yīng)和動態(tài)隨機功能等方式，極大地改善了風(fēng)、光發(fā)電的峰谷平抑效果。

而針對風(fēng)、光發(fā)電輸出波動目標(biāo)的平抑，研究機構(gòu)普遍采用設(shè)定目標(biāo)函數(shù)的方法。該函數(shù)主要根據(jù)短期的光電、風(fēng)電預(yù)測值，以及風(fēng)、光發(fā)電功率的預(yù)測值來設(shè)計運行計劃，從而達(dá)到系統(tǒng)實際輸出功率同計劃輸出功率基本一致的效果。隨后，研究機構(gòu)便可以通過設(shè)置儲能功率以及儲能容量的約束條件來實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的動態(tài)化控制。[4]

五、多種儲能技術(shù)的聯(lián)合運用

在風(fēng)、光、儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)既可以單獨運行，也可以同多種儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行。但在使用多種儲能聯(lián)合運行技術(shù)時，每一種儲能系統(tǒng)的配置必須能夠兼容其他系統(tǒng)。同時，考慮風(fēng)電、光電具有一定的隨機性，本文建議研究機構(gòu)采用基于機會約束的儲能聯(lián)合規(guī)劃方法，將儲能設(shè)備的電池和超級儲能電容器進(jìn)行有機結(jié)合，從而補償風(fēng)電、光電輸出過程中產(chǎn)生的波動。此外，該方法還具有降低儲能裝置成本、實現(xiàn)功率匹配最優(yōu)化、保持功率輸出特性曲線的平滑等優(yōu)勢。大量配置儲能的應(yīng)用結(jié)果足以證明，其應(yīng)用效果明顯優(yōu)于余量并網(wǎng)以及低頻并網(wǎng)的方法。同時，其儲能設(shè)施的壽命多在10年左右，且在多種儲能聯(lián)合運行模式中，鋰電池與超級儲能電池的組合形式最為經(jīng)濟，其效益也最高。因此，單從經(jīng)濟性考慮，采用該組合形式來平抑風(fēng)、光、儲聯(lián)合運行發(fā)電輸出時的波動具有良好的發(fā)展前景。

六、結(jié)語

綜上所述，在風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電運行系統(tǒng)中，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行整合能夠在很大程度上平抑風(fēng)、光發(fā)電輸出時的波動性，從而減少風(fēng)、光發(fā)電在并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。本文通過多種儲能聯(lián)合運行的方式，進(jìn)一步發(fā)揮出各儲能系統(tǒng)運行優(yōu)勢，并有效延長了綜合儲能裝置的使用壽命。因此，為真正實現(xiàn)各儲能設(shè)施的完美融合，基于多種儲能聯(lián)合運行的儲能協(xié)調(diào)控制將是今后研究的重點。