多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運行策略探討

郝峰HAO Feng

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，忻州 034000）

（Shanxi Xilongchi Pumped Storage Power Station Co.，Ltd.，Xinzhou 034000，China）

0 引言

進入二十一世紀(jì)以來，我國社會對各種能源的需求量不斷增加，科技的發(fā)展使自然界的各種資源受到了過度消耗，例如原本豐富的煤炭資源、礦石資源以及石油資源等已經(jīng)面臨供不應(yīng)求的問題。我國通常采用蓄能方式存儲各種資源，常用的存儲方式有蓄電池、飛輪、壓縮空氣以及電解水制氫蓄能等，在實際應(yīng)用過程中有效地緩解了能源浪費等問題。從我國目前現(xiàn)狀來看，絕大部分研究忽視了抽水蓄能模型的重要性，在實際研究工作中過分注重系統(tǒng)模型的仿真，導(dǎo)致能源存儲方式問題重重。多功能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型在現(xiàn)代社會發(fā)展建設(shè)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，建立抽水蓄能模型、明確該模型的運行方式是我國研究人員必須重視的重點工作。本文從多能互補發(fā)電系統(tǒng)的概念著手，對多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運行策略做了相關(guān)研究探討。

1 多能互補發(fā)電系統(tǒng)

多能互補發(fā)電系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。從圖1 中可以看出：多能互補發(fā)電系統(tǒng)的主要由監(jiān)控系統(tǒng)和備用電源兩大塊組成，其中監(jiān)控系統(tǒng)的控制對象主要有太陽能/風(fēng)能發(fā)電機組、波浪能控制器、逆變器以及居民用電等，備用電源由柴油和柴油發(fā)電機組共同組成。太陽能發(fā)電系統(tǒng)以太陽能為發(fā)電依據(jù)，由電池板和控制器兩部分組成，該發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘繛?6kW；太陽能控制器的主要作用是完成發(fā)電器和接收器之間的通信，在必要時刻太陽能控制器還能保護太陽能發(fā)電系統(tǒng)，保障該系統(tǒng)的正常運行；風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的總裝機容量是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的4 倍，在實際運行過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2 多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷

多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷可以同時反映多種自然資源的變化規(guī)律，是促進多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型機組配置的主要依據(jù)。保障多能互補發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定的前提是保證系統(tǒng)中各種資源具有變動性和較大的負荷變化，研究人員應(yīng)該結(jié)合該系統(tǒng)發(fā)展的實際狀況，建立相應(yīng)的凈負荷數(shù)學(xué)模型。凈負荷數(shù)學(xué)模型的建立需充分考慮風(fēng)光抽水蓄能負荷發(fā)電系統(tǒng)的負荷、風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量、風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率以及光伏陣列的輸出功率等。如果多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷大于0，則表明系統(tǒng)中各種能源的發(fā)電量總和小于系統(tǒng)負荷；如果多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷小于0，則表明系統(tǒng)負荷小于系統(tǒng)中各種能源的發(fā)電量總和。

3 多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型及運行策略探討

3.1 多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能仿真模型的建立 多能互補發(fā)電系統(tǒng)中抽水機電組在不同工況下模型的建立方式不盡相同，筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗，對該模型在水輪機工況和水泵機工況下的發(fā)電過程做了以下分析。

3.1.1 水輪機工況下的發(fā)電過程 多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型的建立需充分考慮水輪機工況下的發(fā)電狀況。如果風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷大于0，各種能源的發(fā)電總量明顯不足，面對這種情況，抽水蓄能機組存在電量供給不足的問題，保障抽水蓄能機組的正常運行是研究人員需解決的重點問題。將抽水蓄能電站水庫的正常水位定位最大水位，將死水位定位最小水位，上下水庫的水位分別有嚴格控制，水頭、流量、水量、功率以及效率等必須符合發(fā)電的實際需求，約束條件的水庫水位必須大于或等于最小水位、小于或等于最大水位。

通常情況下，研究人員會從發(fā)電過程的t0時刻以及t1時刻對數(shù)輪機工況下的發(fā)電過程進行探討。以發(fā)電過程中t0時刻為例，如果Pjz大于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能很難得到滿足，主要原因是可逆式水泵水輪機組的發(fā)電量偏低；如果Pjz等于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能剛還得到滿足，此時可逆式水泵水輪機組的發(fā)電量與風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能相等。如果Pjz小于Pco，表明風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)多余的電能得到充分滿足，主要原因是可逆式水泵水輪機組的發(fā)電量非常高，完全滿足風(fēng)光抽蓄符合發(fā)電系統(tǒng)的需求。

3.1.2 水泵工況下的抽水過程 如果風(fēng)光抽蓄發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷小于0，該系統(tǒng)中將會產(chǎn)生多余的電能，通常情況下，工作人員應(yīng)該將剩余的電能轉(zhuǎn)化成水能，不僅方便存儲，還能減少存儲中能源的流失。抽水蓄能機組必須在水泵工況下完成抽水操作，抽水機組水泵所使用的功率和發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷有直接關(guān)系。抽水過程中，工作人員還應(yīng)該高度重視水庫的特征水位、水庫容量以及水利損失對水泵的影響。

3.2 多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能的運行策略 多能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能的運行策略以該系統(tǒng)模型為依據(jù)。系統(tǒng)模型中使用的可逆式水泵水輪機的主要優(yōu)勢是可以依據(jù)既定的出力保持有效的運行狀態(tài)，也可以根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的流量完成操作作業(yè)。假設(shè)凈負荷曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，如果凈負荷大于0，將會出現(xiàn)抽水蓄能機組不能正常運行、抽水機組以凈負荷為依據(jù)，在水輪機工況下運行以及以額定功率為基礎(chǔ)，抽水蓄能機組正常運行三種狀態(tài)。

圖2 負荷系統(tǒng)凈負荷曲線圖

3.3 實例探討 本文以某地區(qū)風(fēng)光抽蓄多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷為主，對該系統(tǒng)模型的簡歷以及運行策略進行實例探討。實例探討的主要目的是提高多能互補發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，全面促進抽水蓄能模型在我國資源開發(fā)中的應(yīng)用。某風(fēng)光抽蓄多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷曲線和抽水蓄能機組輸出功率曲線如圖3 所示。

圖3 某風(fēng)光抽蓄多能互補發(fā)電系統(tǒng)的凈負荷曲線和抽水蓄能機組輸出功率曲線

從圖3 中可以看出，當(dāng)凈負荷大于0，以315kW 為標(biāo)準(zhǔn)，如果Pjz小于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能機組不能正常運行，蓄能機組的輸出功率為0；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，又小于315kW，抽水蓄能機組輸出功率與凈負荷功率基本一致；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水機組的輸出功率為315kW。當(dāng)凈負荷小于0，以525kW 為標(biāo)準(zhǔn)，如果Pjz小于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能機組不能正常運行，蓄能機組的輸出功率為0；如果Pjz大于或等于該標(biāo)準(zhǔn)，抽水機組的輸出功率為525kW。

4 結(jié)束語

綜上所述，多功能互補發(fā)電系統(tǒng)抽水蓄能模型的建立是現(xiàn)階段我國能源開發(fā)發(fā)展的主要方向之一，該系統(tǒng)在各種能源開發(fā)利用過程中發(fā)揮著不可替代的作用。多能互補發(fā)電系統(tǒng)中抽水機電組在不同工況下模型的建立方式不盡相同，研究人員應(yīng)該明確抽水機組在水輪工況和水泵工況下的運行方式，結(jié)合實際運行狀況建立有效的模型，以模型的實際狀況，采取有效措施促進設(shè)備的正常運行，為多能互補發(fā)電系統(tǒng)的模型以及優(yōu)化配置提供動力保障。

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