風光儲聯(lián)合發(fā)電技術及其工程應用

唐宏德,郭家寶,陳文升

(上海電力設計院有限公司,上海 200025)

為解決風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源大規(guī)模接入電網的問題,我國已有部分企業(yè)和研究機構立項開展風光儲聯(lián)合發(fā)電技術研究和工程試點,旨在采用新的技術手段,實現風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及電網的友好互動和智能調度,實現智能電網對可再生能源集約化發(fā)展的有力支撐,進而破解大規(guī)模可再生能源并網運行的技術瓶頸,提高電網對大規(guī)模可再生能源的接納能力。

1 系統(tǒng)的特點

由于風能和光能的間歇性和隨機性,風、光獨立運行系統(tǒng)很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出,如果在風、光互補的基礎上加入儲能裝置組成風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),就可以充分利用風能和光能在時間及地域上的天然互補性,同時配合儲能系統(tǒng)對電能的存儲和釋放,改善整個風光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性,緩解風電、光電等可再生能源的間歇性和波動性與電力系統(tǒng)需要實時平衡之間的矛盾,降低其對電網的不利影響。

風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過對風能與光能的存儲與釋放,可以使不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高品質的電力產品,增加電網對可再生能源的吸納程度[1-3]。

風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能系統(tǒng)和智能控制調度系統(tǒng)等構成。風電和光伏兩種發(fā)電方式在能源的采集上互相補充同時又各具特色:光伏發(fā)電供電可靠、運行維護成本低、但造價高;風力發(fā)電發(fā)電量高、造價和運行維護成本低、但可靠性低。風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不僅為解決當前的能源危機和環(huán)境污染開辟了一條新路,而且有效改善了風電和光伏發(fā)電單獨輸出電力時對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的影響。

2 關鍵技術

風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術,包括風光儲系統(tǒng)容量配比的確定、儲能裝置功率和容量的選擇、風光儲系統(tǒng)調度策略的制定、智能控制調度系統(tǒng)的設計和風光儲能系統(tǒng)無功補償配置方案的完善。

2.1 風光儲系統(tǒng)容量配比

研究風光儲能系統(tǒng)的容量配比問題目的,是充分利用風光在時間及地域上的天然互補性以及儲能電池的能量可存儲性,改善整個風光發(fā)電系統(tǒng)的時間功率輸出曲線,抑制風光獨立發(fā)電系統(tǒng)接入對電網產生的不利影響。

風能及太陽能資源具有互補性,白天太陽能充足、晚上風能充足,夏大太陽能充足、冬天風能充足,特別是在我國的西北和華北等地區(qū),冬春兩季風力大,夏秋兩季太陽光輻射強。風光復合發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風能和太陽能的天然互補性,可以大大減少系統(tǒng)中蓄電池的用量,采用風能太陽能互補發(fā)電系統(tǒng),很好地克服風能及太陽能提供能量的隨機性、間歇性的缺點,實現不間斷供電,從而提高系統(tǒng)的經濟性和運行的可靠性。由于風電、太陽能發(fā)電、儲能裝置之間有著復雜的匹配關系,風光互補供電系統(tǒng)的容量配置就是根據這種復雜的匹配關系決定系統(tǒng)各部分的容量,從而達到風光總輸出功率平穩(wěn)和有效提高能源利用率的作用。因此,在風光儲互補供電系統(tǒng)的設計中,系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置是一個很重要步驟。

2.2 儲能裝置功率和容量選擇

儲能電池功率和容量的選擇與風光發(fā)電輸出的波動程度以及儲能系統(tǒng)要求實現的控制目標有關。通常情況下,增加儲能電池功率和容量能夠改善風光發(fā)電輸出的穩(wěn)定性,但是儲能電池的功率和容量所具有的改善系統(tǒng)輸出電力波形的能力不同,因此要在對儲能電池功率和容量對輸出波形影響的研究基礎上,選擇最佳的儲能裝置功率和容量。

2.3 風光儲系統(tǒng)調度策略

風光儲系統(tǒng)應用的主旨在于利用風光在時間及地域上的天然互補性,以及儲能電池的能量可存儲性,從而改善整個風光發(fā)電系統(tǒng)的時間功率輸出曲線,減少分布式電源接入對電網的不利影響,利用儲能電池對不確定性較大的風能與光能的存儲與釋放,可以使不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高價值的產品,增加電網對可再生能源的吸收接納程度,利用能量存儲系統(tǒng)可對電網負荷進行適當的調整,還可以為電網提供削峰填谷的功能。在風光儲能系統(tǒng)運行過程中,首先要確定風光儲所要實現的目標,然后根據不同的控制目標選擇不同的系統(tǒng)調度策略。

由于風光的出力具有不確定性,通常情況下是不可調度的,因此風光儲系統(tǒng)能量調度策略的主要任務確定儲能裝置的充放電過程,確保系統(tǒng)能夠最大程度地達到預定控制目標。調度策略的制定要以可靠的數據預測和控制目標作為決策基礎,其中數據預測包括日風速預測、日光照強度預測等,控制的基本目標主要有平滑電站的功率輸出曲線、跟蹤計劃出力曲線和實現負荷曲線削峰填谷等。此外,還需要研究不同目標輸出下的總體策略原則以及制定儲能電池的充放電策略。

2.4 智能控制調度系統(tǒng)

智能控制調度系統(tǒng)根據電網下達的調度曲線、風能預測和光照預測,調節(jié)風、光、儲三者的功率輸出,實現預設的控制目標,因此是整個風光儲項目的控制核心。智能控制調度的目標是將發(fā)電、太陽能發(fā)電等不穩(wěn)定的能源轉化為高質量的電力,因此是將智能電網和清潔能源結合的一種重要體現。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)獨立組網,各種配置相互獨立,這種方式雖然實現簡單,但相互之間無法進行信息交互,更做不到系統(tǒng)協(xié)調控制,無法達到智能控制調度系統(tǒng)的要求。風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的智能控制調度系統(tǒng)可采用“一體化”的設計原則,在統(tǒng)一的通信平臺上,配置一體化的計算機監(jiān)控系統(tǒng),可以實現對上述所有設備的監(jiān)測和控制,并實現智能控制調度的目的。

根據目前的技術發(fā)展情況,儲能裝置、風機、光伏逆變器等設備控制方式比較特殊,包含機械、電力電子等器件的監(jiān)測和控制。目前國內外工程中,儲能裝置、風機、光伏逆變器的控制系統(tǒng)分別由設備制造商統(tǒng)一提供,均采用專門的控制策略和通信規(guī)約,電力系統(tǒng)常用的通信標準和控制系統(tǒng)無法直接用于這些設備中,因此需要進一步研究如何在統(tǒng)一標準平臺的基礎上實現智能控制。

2.5 風光儲能系統(tǒng)無功補償配置方案

通常,風力發(fā)電機組、光伏發(fā)電設備和儲能系統(tǒng)本身都具有在一定功率因數范圍內的調節(jié)能力,其中風力發(fā)電機組的功率因數基本可在0.95(超前)～0.95(滯后)調節(jié),光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)都是通過逆變器并網運行,逆變器的功率因數一般可在0.98(超前)～0.98(滯后)調節(jié)。不過為了實現這些發(fā)電機組無功輸出的連續(xù)可調,還需要在發(fā)電項目內另外安裝無功電壓自動控制裝置,真正實現無功出力的有效控制。目前,可作為動態(tài)無功備用的無功補償裝置主要有調相機、靜止無功補償器(SVC)、靜止無功發(fā)生器(STATCOM,也稱SVG)等,在具體的工程應用中需要根據接入電網特點和需求研究無功補償配置方案。

3 工程應用

由于存在波動性、間歇性和隨機性的特性風力發(fā)電、光伏發(fā)電獨立運行都很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出,為了研究解決這一問題我國各大電網公司和發(fā)電集團都在積極探索風光儲聯(lián)合發(fā)電的工程應用,其中最為典型的是國家電網公司在張家口著手建設的我國第一個國家級大型風光儲輸示范工程。該工程旨在通過采用科學創(chuàng)新的技術手段,實現風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及與電網的友好互動和智能化調度,進而破解大規(guī)模可再生能源發(fā)電并網運行的技術瓶頸,提高電網對大規(guī)模可再生能源發(fā)電的接納能力,為可再生能源集約化發(fā)展提供有力的支撐[1]。

國家風光儲輸示范工程是國家“金太陽工程”的重要組成部分,項目的風力發(fā)電500 MW,光伏發(fā)電100MW,儲能系統(tǒng)110MW;一期工程擬建設風力發(fā)電100 MW、光伏發(fā)電50 MW和化學儲能裝置20MW。通過儲能系統(tǒng)與光伏、風力發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調,不僅能有效減小可再生能源發(fā)電對電力系統(tǒng)的沖擊和影響,提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經濟性,而且對增強可再生能源發(fā)電產業(yè)的核心競爭力,促進國內風電、光電的產業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展,推動我國風資源和光資源的開發(fā)利用,實現國家能源可持續(xù)發(fā)展的總體戰(zhàn)略具有重要意義。

[1] 余寅,唐宏德,郭家寶,等.風光儲輸一體化發(fā)電應用前景分析[J].華東電力,2010,38(12):1891-1893.

[2] 劉波,郭家寶,袁智強,等.風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)調度策略研究[J].華東電力,2010,38(12):1897-1899.

[3] 劉波,郭家寶,袁智強,等.風光互補發(fā)電系統(tǒng)特性研究[J].華東電力,2010,38(12):1903-1906.