平抑風電功率波動及負荷調峰的VRB 儲能應用

林 琳， 吳星昂， 於國芳， 李軍徽， 高 卓， 嚴干貴

（1. 浙江華云清潔能源有限公司， 杭州 310001； 2. 東北電力大學電氣工程學院， 吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著能源危機與環境污染問題日益突出， 風力發電因其具有環境友好、 技術成熟、 成本相對低廉等優點， 已逐漸成為電力系統中的主力電源。截至2018 年底，我國新增并網風電裝機容量2 059萬kW， 累計并網裝機容量達到1.84 億kW， 占全部發電裝機容量的9.7%[1]。 但由于風能的隨機性、 間歇性以及不可準確預測的特性， 隨著風電裝機規模的不斷增大， 風電功率的隨機波動特性給電網的安全穩定運行帶來嚴峻挑戰[2]。

儲能系統具有對功率和能量的時空平移作用， 可有效抑制風電功率波動， 緩解電網調頻調峰壓力。 同時儲能系統接入電力系統后， 可以實現需求側管理， 減小晝夜間峰谷差， 提升大電網的安全穩定性與電能質量水平， 提高輸變電能力， 增加供電可靠性， 促進可再生能源大規模接入電網[3-5]。 因此， 近年來國內外學者針對儲能系統在電力系統中的應用開展了廣泛研究， 并取得豐碩的研究成果。 文獻[6]運用功率譜密度理論分析風電頻率波動的頻譜特征， 提出利用儲能參與系統調頻解決單純時域指標下調頻責任分配的局限性問題。 文獻[7]以風儲電站的總收益最大為目標， 考慮儲能用于減小棄風和參與電網二次調頻服務， 建立了電池儲能系統和風電場聯合運行的優化模型。 文獻[8]針對基于混合儲能系統的風電場輸出功率平抑控制問題開展相關研究， 使得利用儲能系統平滑風電功率波動的同時， 延長了運行壽命， 滿足系統的經濟性要求。 文獻[9]重點闡述了儲能平抑風光發電出力波動的研究現狀， 歸納總結了平抑風電、 光伏出力波動的相關控制方法。 文獻[10]在風電波動平抑的基礎上， 利用模型預測算法分析了多種因素對儲能配置的影響。 文獻[11]考慮壽命損耗和優化運行對儲能容量配置的影響， 提出一種基于離散傅里葉變換的主動配電網混合儲能容量優化配置模型， 該模型在規劃層面確定混合儲能容量配置方案， 在運行層面通過模擬運行， 并利用離散傅里葉變換確定混合儲能系統運行方案。 文獻[12]提出以一個邊際負荷值來確定儲能系統充放電運行狀態的控制方案，在確定運行狀態的基礎上， 對實際運行控制提出分時分檔匹配的方法， 計算儲能系統全天充放電功率。 文獻[13]提出了一種“1 組超級電容器+3 組蓄電池” 組成的新型混合儲能系統， 以3 組蓄電池交替工作的方式平抑風電功率波動。 文獻[14]充分利用風能和太陽能， 利用儲能電池平抑風、光的波動， 建立了風-光熱-水電系統優化調度模型， 有效平抑峰谷差， 提高整體電力系統的經濟性。 文獻[15]針對儲能電站調峰中預測精度差等問題， 提出一種基于減法聚類和自適應網絡模糊推理電網負荷預測的調峰控制策略， 該策略能提高對區域典型負荷的預測精度， 準確識別波峰和波谷， 實現在儲能系統容量約束下的最優調峰。

目前圍繞儲能系統提高新能源輸出的運行控制方法開展了有價值的工作， 但是尚缺乏對于實際大規模儲能系統投運后參與電力系統運行的分析。 此外， 由于儲能成本較為昂貴， 大規模儲能電站參與系統調峰輔助服務的經濟性也是業界關注的焦點問題。

在各種類型的儲能系統中， VRB（全釩液流電池）因其設計靈活， 充放電性能優越， 安全可靠等優點成為目前風電儲能的理想選擇之一。 可以通過對VRB 儲能系統儲能側運行與控制的研究，來平抑風電功率的波動， 提高風電場出力可預期性[16]， 提升風電系統FFRT（柔性故障穿越）[17]能力； 用于電力系統調峰的大容量VRB 儲能電站建設也已正式啟動[18]。

本文介紹了5 MW/10 MWh VRB 儲能系統的基本運行原理及特性， 以及風儲系統的電氣接線和配置， 結合風電場實測數據系統分析了風電場配置的儲能系統的運行特性， 進一步結合省級電網負荷分析了儲能系統參與系統調峰的技術經濟可行性。

1 VRB 儲能系統簡介

1.1 VRB 原理及特性

VRB 是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池， 含有不同價位釩離子的硫酸液體，正負電解液被電池堆中的離子交換膜隔開。 正負價位的電解液通過兩個不斷轉動的液流泵輸送到電池堆， 在電極接觸面上發生化學反應， 通過離子交換膜實現價態的轉換， 從而進行充放電過程。

相比于其他儲能電池， VRB 具有儲能功率和容量可獨立配置的優點， 同時VRB 在常溫常壓下運行， 電解液無燃耗和爆炸的危險， 安全性好。 另外VRB 循環性能好， 壽命長， 使用環境友好。 因此近年來國內建設了多座大規模VRB 示范工程。

1.2 儲能系統電氣總接線

該儲能系統位于遼寧省沈陽市法庫縣臥牛石風電場升壓站內， 參考國內5 MW/10 MWh VRB儲能系統示范項目的結構和參數， 臥牛石風電場安裝了33 臺1 500 kW 的風力發電機組， 總裝機容量為49.5 MW。 風電場經66 kV 母線接入遼寧電網。 儲能系統功率約占風電場總裝機容量10%，2011 年建成投運時， 是全球容量最大的VRB 儲能系統。 圖1 為臥牛石風儲系統電氣總接線。

1.3 VRB 儲能系統電氣接線

圖1 風儲系統電氣總接線

風電場中的儲能系統可以針對風電出力進行跟蹤計劃發電、 平滑風電功率輸出、 參與電力系統調峰， 從而提升風力發電接入電網的能力， 減小風電場棄風并提高風電利用小時數， 以此獲得經濟效益。 圖2 為臥牛石儲能系統電氣接線。 儲能系統電池組通過逆變器進行交直流轉化， 經由三繞組變壓器連接到35 kV 母線。

臥牛石儲能系統總功率為5 MW， 由15 套可獨立調控的352 kW 儲能單元組成。 圖3 為單個儲能單元示意， 可見儲能系統每排由3 套352 kW的儲能單元構成， 352 kW 電池堆充放電運行電壓為400～680 V。 每套352 kW 儲能單元又包含2 個176 kW 小電池堆， 每個176 kW 電池堆又由8 個22 kW 電池堆構成。每4 個22 kW 電池堆與另4 個22 kW 電池堆并聯后， 再與另外8 個相同的電池堆串聯。 每個22 kW 電池堆又由50 個1.5 V（額定電壓）的小電池構成。 352 kW 電池單元基本參數如表1 所示。

圖3 單個儲能單元示意

表1 352 k W 電池單元基本參數

2 風儲系統運行特性分析

風能的波動性與隨機性使得風電功率具有難以預測性， 這種特性將導致風電大規模并網時，對電力系統的安全與經濟運行產生不利影響， 同時對電網功率供需平衡的影響將會愈加嚴重， 這成為限制電網接納風電機組總容量的主要瓶頸。而儲能系統可以對能量進行動態吸收并適時釋放， 因此可實現對功率和能量的時間遷移， 儲能系統被認為是改善風電功率波動性、 間歇性的有效手段。 本文基于臥牛石風電場實測數據， 分析風儲系統聯合運行特性。

圖2 臥牛石儲能系統電氣接線

圖4 為某一時間段內風電場風機出口輸出功率曲線， 可以看出風電場輸出功率波動劇烈， 這不利于電網的穩定運行。

圖4 風機出口輸出功率曲線

風電場加入儲能裝置后， 利用大規模儲能可以提高風電調度的可確定性。 以風電調度參考值為控制目標， 利用儲能系統對功率的吞吐特性，通過實時測量系統中風電的實際出力值， 使儲能系統在風電實際出力值大于調度參考值時充電，反之放電。 圖5 為儲能系統根據電網調度吞吐功率曲線。

圖5 儲能系統吞吐功率曲線

并網點輸出功率是風機出口輸出功率與儲能裝置輸出功率之和。 圖6 為風電場并網點輸出功率， 表2 為風機出口處與風電場并網點輸出功率的數值特征。

從圖6 中可以看出， 儲能系統的加入使得風電功率波動嚴重時間段的波動量明顯降低。 從表2 中可直觀地看出， 風機出口處（無儲能）輸出功率標準差與方差均高于風電場并網點（加入儲能后）， 即接入儲能系統后使得風電場輸出功率平緩， 風電功率波動得到平抑。

圖6 風電場并網點輸出功率

表2 風機出口處、 風電并網點輸出功率數值特征對比kW

3 儲能電力系統調峰應用分析

典型風電出力往往與負荷恰好相反， 具有“反調峰”特性。 以某區域電網全年負荷及風電數據為基礎分析風電接入對電網負荷調峰帶來的影響。 如圖7 所示， 某區域電網內典型日等效負荷（負荷—風電）峰谷差大于負荷峰谷差， 且全年中有297 天出現“反調峰”現象， 故隨著風電滲透率逐年增大， 運行中必須采取調峰措施以保證電力系統供用電的平衡， 減少因低谷調峰能力不足造成大面積“棄風限電”。 一般傳統調峰機組有水電機組、 燃氣輪機機組和抽水蓄能機組等等。 利用大規模儲能系統對負荷“削峰填谷”， 實現負荷的時空平移， 是提高電網運行安全性和經濟性的革命性手段。 由于儲能系統動作快、 精度高、 調節靈活， 較傳統調峰方式更為快速、 精準、 有效。儲能系統通過在波谷期充電、 波峰期放電，“削峰填谷”， 可有效改善系統峰谷差， 緩解火電機組與豐水期水電機組調峰負擔。

圖8 為遼寧省電網某日負荷曲線， 其時間間隔為15 min， 峰谷差為2 696 MW。 加入5 MW/10 MWh VRB 儲能系統后， 利用儲能系統“低儲高發”緩解電力系統調峰壓力， 提高風電在負荷低谷期的接納空間， 最大程度降低負荷峰谷差。

圖7 某區域電網風電反調峰特性分析

圖8 遼寧省電網某日負荷曲線

圖9 為儲能系統以最大化降低負荷峰谷差為目標進行調峰的動作曲線。 加入儲能系統后， 負荷峰谷差為2 682 MW， 電網調峰負擔有所緩解。

對儲能系統全年調峰數據進行統計。 由于儲能系統容量較小， 參與全網調峰時采用全沖全放的充放電模式。 參照峰谷差電價收益模式對儲能系統進行運行效益分析， 根據公式（1）推算全年儲能系統運行效益。

式中： n 為全年儲能系統調峰運行天數； Ccharge與Cdischarge分別為負荷峰、 谷電價； ηcharge與ηdischarge分別為儲能系統充、 放電效率； E 為儲能系統容量，具體參數見表3。

圖9 儲能系統動作曲線

表3 儲能運行效益計算參數

以統計全年運行效益為基礎， 考慮儲能系統建設及容量成本， 推算儲能系統回收年限， 計算結果見表4。

表4 儲能系統回收年限

如表4 所示， 配置10 MWh 的VRB 儲能系統， 在計及儲能系統調峰運行效益的情況下， 其回收年限約34 年。 由于儲能系統調峰運行模式下且額定功率較低， 每日即一次全充放循環。 將回收年限折算為循環次數為12 702 次， 小于VRB儲能系統循環壽命， 故在現行條件下， 儲能系統已具備商業化調峰運行的能力。 未來隨著提高儲能系統峰荷充電電價等相應補貼政策的出臺， 儲能系統可縮短成本回收年限， 獲得更多的利潤，從而促進儲能技術發展與進步， 為儲能系統的大規模應用打下堅實基礎。

4 結語

本文介紹了VRB 儲能系統的工作原理及特性， 給出了臥牛石風儲系統電氣總接線圖、 VRB儲能系統電氣接線示意圖及單個儲能單元示意圖。 基于臥牛石風電場實測數據， 分析風儲系統聯合運行特性； 基于遼寧省負荷實測數據， 分析了儲能系統參與電力系統調峰的可行性。 結果表明， 儲能系統對于解決風電功率波動、 改善負荷峰谷差等方面改善效果顯著。 因此儲能系統具有良好的可用性及可行性， 然而儲能系統價格仍較為昂貴， 隨著儲能系統成本的下降及相應補貼政策的出臺， 預期儲能系統大規模應用將帶來可觀的經濟效益。