基于新能源發(fā)電波動(dòng)的儲(chǔ)能研究

廖少鋒

(深圳市科陸電子科技股份有限公司)

0 引言

隨著新能源在全球的推廣和應(yīng)用, 風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能配置越來(lái)越受到重視。這是因?yàn)轱L(fēng)能和太陽(yáng)能的供給存在波動(dòng)性, 造成電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題, 需要采取一些手段來(lái)儲(chǔ)存這些能源, 以滿(mǎn)足學(xué)校、工廠或者市級(jí)或以上電網(wǎng)的需求。風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能方法有很多種不同的方式: 如開(kāi)放式系統(tǒng)、閉合式系統(tǒng)和電動(dòng)車(chē)儲(chǔ)能等。其中開(kāi)放式系統(tǒng)和閉合式系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的方式。在開(kāi)放式系統(tǒng)中, 儲(chǔ)能主要通過(guò)水泵儲(chǔ)能、空氣壓縮儲(chǔ)能和液壓儲(chǔ)能等方式實(shí)現(xiàn)。這種方式的儲(chǔ)能成本比較低, 但是對(duì)環(huán)境的影響比較大。在閉合式系統(tǒng)中, 儲(chǔ)能主要通過(guò)鉛酸蓄電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器等方式實(shí)現(xiàn), 這種方式的能耗比較低, 對(duì)環(huán)境影響也比較小。

1 新能源發(fā)電技術(shù)研究分析

將新能源供應(yīng)與電力系統(tǒng)連接起來(lái)可以有效地實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo), 并且可以考慮作為傳統(tǒng)的以化石燃料為基礎(chǔ)的能源供應(yīng)的一個(gè)全新的替代方案。為了提供穩(wěn)定和連續(xù)的電力供應(yīng), 儲(chǔ)能系統(tǒng)被集成到電力系統(tǒng)中。通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā), 太陽(yáng)能、風(fēng)能和儲(chǔ)能相結(jié)合的解決方案正在開(kāi)發(fā)[1-2]。新能源并網(wǎng)如圖1 所示。

圖1 新能源并網(wǎng)的配置

區(qū)域可再生電力經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型將新能源發(fā)電與大型電網(wǎng)結(jié)合起來(lái), 當(dāng)可再生能源發(fā)電滿(mǎn)足30%的每小時(shí)電力負(fù)荷時(shí), 模擬的最低成本組合包括礦物燃料發(fā)電、內(nèi)陸風(fēng)力發(fā)電和電池儲(chǔ)能。當(dāng)可再生能源發(fā)電滿(mǎn)足90%的電力負(fù)荷時(shí), 成本組合最低的是內(nèi)陸風(fēng)力發(fā)電、蓄電池能源、化石燃料發(fā)電以及額外的海上風(fēng)力發(fā)電。最后, 可再生能源發(fā)電滿(mǎn)足99.9%的電力負(fù)荷, 成本最低的組合是內(nèi)陸風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電、蓄電池能源、化石燃料發(fā)電和額外的太陽(yáng)能。由于間歇性可再生能源的增加, 能源數(shù)量增加, 朝著增加可再生能源發(fā)電的方向發(fā)展[3-4]。新能源項(xiàng)目可以增加可再生能源供應(yīng)。

針對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)供需不匹配、電力供應(yīng)波動(dòng)和間歇性等問(wèn)題進(jìn)行了研究, 成功的電網(wǎng)整合需要能量?jī)?chǔ)存。隨著鋰離子電池價(jià)格的持續(xù)下降, 大型電池存儲(chǔ)系統(tǒng)和V2G 操作已經(jīng)成為公共事業(yè)公司的唯一能源。鋰離子材料研究的目標(biāo)是鋰的回收過(guò)程和可持續(xù)性。與核能和化石能源相比, 可再生能源系統(tǒng)具有環(huán)境優(yōu)勢(shì)。采用電網(wǎng)一體化系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)是可再生能源份額的不斷增加。

本文根據(jù)采用風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能分別達(dá)到110MW、50MW 和25MW。根據(jù)風(fēng)能和太陽(yáng)能儲(chǔ)能示范站工程的歷史數(shù)據(jù), 分析了風(fēng)能和太陽(yáng)能的波動(dòng)性, 提出了平滑風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出波動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置技術(shù)。

2 新能源數(shù)學(xué)模型及儲(chǔ)能配置分析

2.1 風(fēng)能及光伏模型

風(fēng)能可以被解釋為一種動(dòng)力源, 通過(guò)將風(fēng)速推向安裝在高塔上的渦輪機(jī), 將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力, 然后產(chǎn)生電力, 從而產(chǎn)生電力。眾多的風(fēng)力渦輪機(jī)相互靠近, 以建立理想的發(fā)電能力的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率可表示為:

式中,Pw為風(fēng)力功率(kW),A為渦輪葉片掃掠面積(m2),ρ為空氣密度, 可取1.225 (kg/m3),V為風(fēng)速(m/s),Cp為渦輪功率系數(shù), 該系數(shù)與葉尖速比和葉片設(shè)計(jì)有關(guān)。風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù), 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為可以利用的能量, 無(wú)論是電動(dòng)的還是機(jī)械的,此常數(shù)的最大理論值0.593, 稱(chēng)為(貝茨極限)。由此可見(jiàn), 一個(gè)風(fēng)系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的最大功率為總風(fēng)力的59.3%。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能時(shí)產(chǎn)生的電能。太陽(yáng)能電池基本上是一個(gè)在薄片或半導(dǎo)體層中的p-n 結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能的輻射可以通過(guò)光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能, 最大功率輸出表示如下:

式中,η是太陽(yáng)能電池陣列的轉(zhuǎn)換效率;A是陣列面積(m2);R是太陽(yáng)輻射(kW/m2);t0是室外空氣溫度。

CAES 的功能是在非高峰期電力需求低時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能, 在高峰期電力需求高時(shí)進(jìn)行再利用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAES) 在電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用, 如負(fù)荷轉(zhuǎn)移、緩解電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的波動(dòng)以及對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行管理和規(guī)范等。CAES 的主要部件包括壓縮機(jī)、溶洞和膨脹機(jī)。CAES 系統(tǒng)有兩種工作模式:第一種模式是壓縮機(jī)在非高峰期從風(fēng)電場(chǎng)或電網(wǎng)系統(tǒng)中消耗電力來(lái)壓縮空氣并儲(chǔ)存在系統(tǒng)中; 第二種模式是儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的空氣被氣體加熱然后進(jìn)入渦輪發(fā)電的發(fā)電模式。發(fā)電成本(Pj,t) MW 等于燃?xì)鈨r(jià)格乘以熱率值, 它可以表示為:

式中,和分別是產(chǎn)生功率的效率因子和注入空氣的效率因子,和,t分別是在小時(shí)t的釋放空氣量和在小時(shí)t的注入空氣量。

2.2 儲(chǔ)能配置分析

在了解風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上, 以平滑風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出波動(dòng)為目的配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。總結(jié)風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)如下: 風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的單位時(shí)間功率波動(dòng)量λws小于電網(wǎng)允許的風(fēng)能和太陽(yáng)能的極限波動(dòng)量λlim。在這里,λlim將風(fēng)能和太陽(yáng)能儲(chǔ)能的聯(lián)合輸出作為一個(gè)熱電或同性質(zhì)的可調(diào)電源, 無(wú)需額外增加或操作措施, 以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行, 計(jì)算出最大功率變換器單位時(shí)間。如式(4) 所示。

式中,pss表示風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合的功率,pc表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)充放電功率,表示第i個(gè)約束條件下電網(wǎng)允許的風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合的極限增加速度,表示第i個(gè)約束條件下的電網(wǎng)允許的風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合功率極限降低了速度。此外λlim還需滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)連接技術(shù)標(biāo)注, 如表1 所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電廠有功功率變化限值推薦表

國(guó)內(nèi)外基于低通濾波器的平滑風(fēng)能和太陽(yáng)能電力波動(dòng)的研究相對(duì)成熟?；诘屯V波器的平滑風(fēng)能和太陽(yáng)能電力波動(dòng)的基本原理是將風(fēng)能和太陽(yáng)能數(shù)據(jù)輸入到低通濾波器中, 并對(duì)濾波器的輸出進(jìn)行平滑控制。風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)功率參考值、風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)功率值與風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)功率值的差值是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)處理的功率值, 其中風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)功率參考值和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)處理的功率值可用式(5)表示。

式中,Pout(s) 是平滑后的總輸出,Pb(s) 是電池輸出功率,T是平滑時(shí)間常數(shù)。

對(duì)Pb(s) 進(jìn)行拉普拉斯逆變換, 進(jìn)行時(shí)域積分:

B(t) 為t-t0時(shí)間段內(nèi)需要配置的儲(chǔ)能容量值,當(dāng)t取不同的值時(shí),B(t) 表示儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)間段的不同容量要求。從理論上講, 在計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量時(shí), 只需要將儲(chǔ)能系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)需求的最大值作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出具有一定的互補(bǔ)性, 但風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合輸出的波動(dòng)仍然很大, 通過(guò)配置蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以進(jìn)一步平滑聯(lián)合輸出的波動(dòng)。本部分根據(jù)工程的歷史數(shù)據(jù)分析了風(fēng)能和太陽(yáng)能的儲(chǔ)能比例。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量隨時(shí)間常數(shù)T 的變化特性

從上圖可以看出, 時(shí)間常數(shù)T的值越小, 與電網(wǎng)連接的能量參考值Pout跟蹤風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出功率Pw的速度就越快, 反之亦然; 時(shí)間常數(shù)T的值越小, 所需的額定存儲(chǔ)量就越大。能量容量越小, 反之則越大。因此,隨著一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)的增加, 儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制風(fēng)能和太陽(yáng)能所需的儲(chǔ)能容量也隨之增加, 且一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)與儲(chǔ)能容量增加之間存在非線性關(guān)系。

根據(jù)風(fēng)光儲(chǔ)能示范工程典型的風(fēng)光數(shù)據(jù)和上述平滑控制方法, 對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)能的平滑應(yīng)用進(jìn)行了比例分析。所獲得的能量?jī)?chǔ)存容量和波動(dòng)性如下圖3 所示。如果風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合波動(dòng)性被抑制到5% /12min 或更少, 則需要25 兆瓦的能量?jī)?chǔ)存; 如果風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合波動(dòng)性被抑制到7% /12min 或更少, 則需要20兆瓦的能量?jī)?chǔ)存; 如果風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合波動(dòng)性被抑制到10% /12min 或更少, 則需要15 兆瓦的能量?jī)?chǔ)存; 如果風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合波動(dòng)性被抑制到15% /12min 或更少, 則需要5 兆瓦的能量?jī)?chǔ)存。在考慮平滑效應(yīng)的情況下, 15MW 儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)可以將風(fēng)能和太陽(yáng)能聯(lián)合波動(dòng)抑制到10% /12min。

圖3 能量?jī)?chǔ)存率與波動(dòng)的關(guān)系

當(dāng)儲(chǔ)能配置比為15% (蓄能總功率為25MW) 時(shí),根據(jù)目前的預(yù)測(cè)水平, 風(fēng)能和太陽(yáng)能的實(shí)際輸出偏差為5%及以上的概率為9%, 風(fēng)能和太陽(yáng)能的實(shí)際輸出偏差為9%。10%及以上的概率為5%, 20%及以上的風(fēng)太陽(yáng)能輸出偏差概率為1.5%。有較好的提高能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以示范工程的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 進(jìn)行了平滑風(fēng)能與太陽(yáng)能聯(lián)合輸出波動(dòng)的儲(chǔ)能容量分配技術(shù)研究, 平滑風(fēng)能波動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置分析及計(jì)劃輸出跟蹤。綜合考慮, 儲(chǔ)能配置為15%及25 兆瓦時(shí), 這對(duì)平滑和跟蹤計(jì)劃輸出已經(jīng)達(dá)到了非常好的效果。