關(guān)新,吳世瑋,解雨琪,李明洋
(沈陽(yáng)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136)
隨著“雙碳”計(jì)劃的持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn),我國(guó)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源清潔發(fā)電技術(shù)迎來了寬廣的發(fā)展空間。據(jù)目前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),至 2022 年 12 月底,我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá) 3.654 4 × 108kW,同比增長(zhǎng)率為 11.2 %(參見圖1)。其中,新增裝機(jī)容量為 3.763 × 107kW,同比減少 21 %(參見圖2)。2021 年,我國(guó)風(fēng)力發(fā)電量已達(dá) 6.526 × 1011kWh,同比增長(zhǎng)率為 40.5 %。2022 年 1 月~2022 年 11 月,風(fēng)力發(fā)電量累計(jì)為 6.144 8 × 1011kWh,累計(jì)增速為 12.2 %(參見圖3、圖4)。
圖1 2017~2022 年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖
圖2 2017~2022 年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖
圖3 2017~2022 年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量占比統(tǒng)計(jì)圖
圖4 2017~2022 年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量統(tǒng)計(jì)圖
風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分,在我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)電總量中占據(jù)著重要地位。2021 年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電總量的 8.04 %,2022 年 1 月至 11 月風(fēng)電發(fā)電量約占總發(fā)電量的8.00 %。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)使用率穩(wěn)定地保持在較高水平。2021 年 12 月,全國(guó)風(fēng)電利用率達(dá) 97.6 %。北京、天津、黑龍江、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西等 18 個(gè)省、市的風(fēng)電利用率達(dá)到 100 %。2022 年,風(fēng)電利用率達(dá) 96.8 %。在北京、天津、上海、江蘇、浙江、安徽、廣西、海南等 13 個(gè)省、市風(fēng)電利用率達(dá) 100 %(參見圖5)。隨著半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步發(fā)展,光伏發(fā)電總量也在逐年穩(wěn)步提升。2022 年新增光伏并網(wǎng)總?cè)萘繛?8.740 8 ×1011kW,其中集中式光伏電站容量為 3.629 4 ×1011kW,分布式光伏總量為 5.111 4 × 1011kW。截止 2022 年底累計(jì)光伏并網(wǎng)總?cè)萘繛?3.920 4 ×1012kW,其中集中式光伏電站容量為 2.344 2 ×1012kW,分布式光伏總量為 1.576 2× 1012kW。目前,在能源消費(fèi)總量中非化石能源的占比已經(jīng)提高到了 17.3 % 左右,其中光伏發(fā)電量占比達(dá)到 4.2 %左右。由目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知,隨著國(guó)家進(jìn)一步加大對(duì)風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)的投入和布局,新能源發(fā)電量的占比一定會(huì)進(jìn)一步增加,并逐步替代傳統(tǒng)火力發(fā)電在民生、生產(chǎn)發(fā)展中的重任,因此構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢(shì)在必行。
圖5 風(fēng)/光發(fā)電消費(fèi)比重圖
為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化加劇和資源消耗持續(xù)增加等問題,新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)變成了世界各國(guó)的普遍共識(shí)。在過去的一段時(shí)間里,新能源技術(shù)有了巨大的發(fā)展。尤其是在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,新能源已經(jīng)成為了主要的能源來源,在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益增加。
現(xiàn)今,我國(guó)也加大了對(duì)新能源的重視力度,開始將新能源發(fā)電引入到電網(wǎng)中,不斷大力發(fā)展新能源技術(shù),著力于構(gòu)建新能源電力系統(tǒng),用于緩解當(dāng)前的用電緊張形勢(shì)[1]。國(guó)家先后出臺(tái)了一系列政策,如《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》、《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》,鼓勵(lì)企業(yè)向清潔能源轉(zhuǎn)型,向產(chǎn)業(yè)升級(jí)邁進(jìn)。由于目前傳統(tǒng)化石能源的供給側(cè)還無法滿足國(guó)內(nèi)日漸增加的能源需求,而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一,因此大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對(duì)于我國(guó)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
目前具備風(fēng)能等天然地理資源的各地政府都在積極規(guī)劃布局清潔能源建設(shè),積極推進(jìn)風(fēng)電等新能源的開發(fā)利用,助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展。截至 2022 年,全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量突破 1.2 × 108kW,連續(xù) 3 a突破 1× 108kW。風(fēng)電、光伏發(fā)電量首次突破 1 ×1012kWh,達(dá)到 1.19 × 1012kWh,同比增長(zhǎng) 21 %。
發(fā)展新能源是未來的重要方向,不僅具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景,也有利于我國(guó)能源企業(yè)完成產(chǎn)業(yè)升級(jí)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化改革。
儲(chǔ)能技術(shù)就是通過人為方式,實(shí)現(xiàn)能源的釋放和存儲(chǔ)。儲(chǔ)能技術(shù)解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性,從而有效地降低了分布式電源對(duì)電網(wǎng)的沖擊。伴隨著儲(chǔ)能設(shè)備建設(shè)成本不斷下降,新能源產(chǎn)業(yè)在電力系統(tǒng)中的地位逐漸提高。
儲(chǔ)能設(shè)備即可作為能量的緩沖器,又可作為后備電源,在解決輸變電的不一致性問題上,可起到一定程度的改善作用,可以有效地提高電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性,使電力系統(tǒng)的可調(diào)度能力得到提高。儲(chǔ)能設(shè)備有效地抑制了可再生能源的并網(wǎng)功率波動(dòng),降低了對(duì)電網(wǎng)的影響,提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性,減少了不必要能源消納[2]。
3.2.1 為新能源發(fā)電大規(guī)模使用創(chuàng)造條件
風(fēng)能發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)等均為當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)中的重要的組成部分。新能源具有清潔、可循環(huán)等傳統(tǒng)化石能源所不具備的優(yōu)勢(shì),但是也存在波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn),影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可有效改善新能源并網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定性問題。
3.2.2 能夠改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)
隨著能源需求逐漸加大,單一使用傳統(tǒng)的化石能源,不利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)。要保障能源充分,就必須改變當(dāng)前能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。在新能源使用過程中,結(jié)合用戶的實(shí)際能源需求,采用適合方式對(duì)新能源系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),通過合理使用儲(chǔ)能技術(shù)(獨(dú)立或并網(wǎng)),保障能源供給,并保護(hù)環(huán)境。
3.2.3 調(diào)峰和控制輸出平穩(wěn)
風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源電信號(hào)具有間歇性和波動(dòng)性這兩個(gè)明顯的特點(diǎn),是目前在電網(wǎng)中無法對(duì)新能源大規(guī)模使用的最主要原因。使用儲(chǔ)能技術(shù)是解決這一問題的有效手段。通過儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)電站進(jìn)行調(diào)峰,確保其后期能夠平穩(wěn)輸出,同時(shí)不會(huì)增加電網(wǎng)的容量,并能夠提高新能源的利用率。
3.2.4 提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)作效率
電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,是確認(rèn)電網(wǎng)安全的重要指標(biāo)。在運(yùn)行過程中,任何一個(gè)部分出現(xiàn)故障,對(duì)于整個(gè)體系的安全穩(wěn)定均會(huì)產(chǎn)生不利影響[3]。使用儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠確保電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行有效的控制,能有效抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中的波動(dòng),并通過相互協(xié)調(diào)的方式,對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)控的作用。在電網(wǎng)系統(tǒng)停電、斷電時(shí),儲(chǔ)能設(shè)備能夠在一段時(shí)間內(nèi)提供有效的供電。
3.3.1 抑制風(fēng)電并網(wǎng)的功率
新能源并網(wǎng)的過程對(duì)電力系統(tǒng)帶來的不良影響會(huì)損害電壓的穩(wěn)定性。結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù),對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行建模分析,構(gòu)建有效的風(fēng)—光—儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制方案,開展對(duì)電網(wǎng)無功功率和有功功率調(diào)節(jié)和容量配置,可控制功率的頻繁變化,穩(wěn)定并網(wǎng)的輸出功率[4]。
新能源并網(wǎng)的過程對(duì)電力系統(tǒng)帶來了不良影響—頻率波動(dòng)。在新能源發(fā)電的情況下,加入行之有效的儲(chǔ)能系統(tǒng),可對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償,確保入網(wǎng)頻率的一致性。在此基礎(chǔ)上對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化,可提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的壽命,進(jìn)而降低整個(gè)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。通過在新能源并網(wǎng)中加設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng),使儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用電源,可以改善由發(fā)電間歇而引起的供電中斷現(xiàn)象,進(jìn)而提高供電穩(wěn)定性。
3.3.3 優(yōu)化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量
在新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)電壓降落或閃變等問題,導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。在新能源系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能設(shè)備,可平穩(wěn)控制功率的波動(dòng),實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量?jī)?yōu)化。在新能源并網(wǎng)中加入超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件,通過模糊邏輯控制來進(jìn)行電能質(zhì)量的調(diào)控,可進(jìn)一步改善電能質(zhì)量降低的問題。
3.3.4 提高新能源并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性
由于新能源輸出功率會(huì)變化不定,為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要提高備用容量。在新能源并網(wǎng)過程中,利用如抽水儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能方式,可將電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的物理勢(shì)能,提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。通過結(jié)合電價(jià)收益最大目標(biāo)和新能源輸出功率最小目標(biāo),形成兩種對(duì)應(yīng)的新能源發(fā)電和物理蓄能方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié),既可提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,也可有效降低了風(fēng)電發(fā)電的成本投入。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于大規(guī)模新能源發(fā)電并入電力系統(tǒng)時(shí)所采取的儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用而言,主要采取能量型儲(chǔ)能和功能性儲(chǔ)能相結(jié)合的方式。新能源領(lǐng)域儲(chǔ)能技術(shù)主要的應(yīng)用形式參見圖6。如抽水蓄能、鋰電池、液流電池等能量型儲(chǔ)存適合用于調(diào)頻調(diào)峰的用途。如飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能及超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能方式,適合于實(shí)時(shí)的負(fù)荷平滑和優(yōu)化電能質(zhì)量方面。
圖6 新能源領(lǐng)域儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用形式
在構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)作為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一,遍布在發(fā)電—配電—用電的各個(gè)環(huán)節(jié)。因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用情況不同,儲(chǔ)能技術(shù)給電網(wǎng)帶來的價(jià)值也不同[6]。但是,在工程實(shí)際中,儲(chǔ)能設(shè)備主要分布在新能源測(cè)、傳統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)測(cè)、用戶側(cè)等。
像其他寄生蟲一樣,弓形蟲可以在動(dòng)物和人之間傳染,其主要傳播途徑是消化道。人食用被感染的肉類或接觸被感染貓的糞便,直接或間接通過胃腸道感染弓形蟲。
3.5.1 新能源側(cè)
新能源輸出功率具有不確定性和波動(dòng)性,會(huì)增加并網(wǎng)難度。儲(chǔ)能系統(tǒng)利用自身的能量時(shí)空平移特性,可提高風(fēng)電輸出功率的可控性,提高新能源并網(wǎng)接入能力[7]。風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電均受環(huán)境天氣等因素影響。利用風(fēng)、光資源之間的互補(bǔ)特性,并在系統(tǒng)中配置適當(dāng)容量的儲(chǔ)能裝置,可平抑風(fēng)、光并網(wǎng)所帶來的波動(dòng),減少對(duì)電網(wǎng)造成的影響,還可以提高電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力
3.5.2 傳統(tǒng)電源側(cè)
傳統(tǒng)電源主要是指火電在未來新能源電力系統(tǒng)中將承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)或用作備用電源。GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定,在正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值是 ± 0.2 Hz?;痣娫谡{(diào)頻過程中存在爬坡率低、調(diào)節(jié)速度慢等缺點(diǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、雙向調(diào)節(jié)的能力。在火電機(jī)組側(cè)配置電池儲(chǔ)能系統(tǒng),輔助火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻,可保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,延長(zhǎng)火電機(jī)組的使用壽命。
3.5.3 電網(wǎng)側(cè)
儲(chǔ)能電站的接入可以有效提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力,緩解負(fù)荷高峰時(shí)的供電壓力,實(shí)現(xiàn)削峰填谷,平滑配網(wǎng)中的負(fù)荷波動(dòng),保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,提升電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。因無功補(bǔ)償器具有靈活性、快速響應(yīng)等特點(diǎn),所以當(dāng)電網(wǎng)中有功功率的劇烈波動(dòng)威脅電網(wǎng)頻率穩(wěn)定時(shí),通過儲(chǔ)能電站輔助調(diào)頻,可維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定,提高電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)對(duì)新能源消納能力。由于分布式新能源大規(guī)模接入電網(wǎng),使得電網(wǎng)側(cè)涵蓋了較多的微電網(wǎng)以及主動(dòng)配電網(wǎng),微電網(wǎng)中風(fēng)、光等可再生能源的波動(dòng)性給電力系統(tǒng)帶來了負(fù)面影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入不僅可以維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡,還能有效緩解棄風(fēng)、棄光等問題。主動(dòng)配電網(wǎng)是由風(fēng)、光等分布式電源、可控負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能等能源構(gòu)成的,可主動(dòng)參與運(yùn)行、控制、管理,從而提高配電網(wǎng)對(duì)分布式新能源的接納能力。儲(chǔ)能系統(tǒng)在主動(dòng)配電網(wǎng)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
3.5.4 用戶側(cè)
儲(chǔ)能裝置能夠使用戶自主或者通過外部調(diào)度控制儲(chǔ)能進(jìn)行電能儲(chǔ)存或釋放,并根據(jù)分時(shí)電價(jià)政策分時(shí)段充放電進(jìn)行盈利,降低用戶電費(fèi)。在電力負(fù)荷處于高峰時(shí),電價(jià)較高,用戶則利用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行放電,維持自身用電需求。當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷時(shí),電價(jià)較低,用戶則通過儲(chǔ)能裝置將電能存儲(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷,減少電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)的壓力,降低用戶用電費(fèi)用。當(dāng)用戶參與需求側(cè)響應(yīng)并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入能夠提高用戶參與需求側(cè)響應(yīng)的能力。用戶實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)時(shí)易出現(xiàn)電能不足的情況。此時(shí)儲(chǔ)能裝置作為不間斷電源,可以提高供電的可靠性。當(dāng)發(fā)電裝置處于出力高峰時(shí),通過儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存電能;當(dāng)電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰時(shí),此時(shí)電價(jià)較高,儲(chǔ)能裝置放電,用戶在滿足自身用電需求的同時(shí)利用余電上網(wǎng),從而獲得收益。
上述內(nèi)容討論了儲(chǔ)能設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景,分析了儲(chǔ)能技術(shù)在穩(wěn)定新能源發(fā)電并網(wǎng)時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),那么如何將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于新能源發(fā)電側(cè),發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)呢?結(jié)合發(fā)電側(cè)的工程實(shí)際情況,大體有以下 3 種方式可以實(shí)現(xiàn):
出現(xiàn)頻率偏差時(shí),借助同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻原理,利用調(diào)速器和偏差率相結(jié)合原理,共同作用改變發(fā)電機(jī)組的發(fā)力,迅速完成一次調(diào)頻。繼而進(jìn)行二次調(diào)頻,借助具有電力電子變流裝置的新型儲(chǔ)能設(shè)備將調(diào)頻的響應(yīng)控制在毫秒的范圍內(nèi),可確保電信號(hào)頻率穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值,實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)頻效果。
將發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置相結(jié)合,模擬成一個(gè)虛擬的同步發(fā)電機(jī)組。這樣可以借助虛擬調(diào)頻模型平臺(tái)將傳統(tǒng)的同步調(diào)頻模型轉(zhuǎn)移。在儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)加入能量控制系統(tǒng),使虛擬的模型算法運(yùn)行起來,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源并網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。
借助電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一支配的方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻。儲(chǔ)能系統(tǒng)在調(diào)度指揮的作用下完成對(duì)應(yīng)指令,結(jié)合調(diào)度的有功、無功數(shù)值,進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)發(fā)出功率或者吸收功率實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。因?yàn)閱我徽{(diào)頻調(diào)峰的算法較為復(fù)雜,所以在借助電網(wǎng)完成輔助時(shí),可進(jìn)一步降低了調(diào)控的難度。
本文中筆者介紹了近年來新能源的發(fā)展趨勢(shì)及儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用形式,通過分析儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的作用,得出了一些新能源發(fā)電領(lǐng)域中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的一般可行性方法。
隨著我國(guó)大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔能源技術(shù),穩(wěn)步推進(jìn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)[8],著力于構(gòu)建以清潔能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng),儲(chǔ)能技術(shù)作為新能源發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),一定將迎來廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。