基于電磁儲(chǔ)能的電網(wǎng)新能源消納能力仿真分析

韓叢宇，石 勇

(陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 引言

近幾年，環(huán)境和能源安全問(wèn)題備受關(guān)注，化石能源日漸枯竭，而且使用化石能源時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、粉塵、硫化物、氮氧化物等污染問(wèn)題，隨著光電、風(fēng)電等新能源電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)新能源消納能力的研究也逐漸成為了熱點(diǎn)問(wèn)題。

梁海平等人[1]提出了一種基于改進(jìn)FPA算法的配電網(wǎng)光伏消納能力評(píng)估方法，該方法研究了電網(wǎng)分布式光伏電源的接入對(duì)電能質(zhì)量、網(wǎng)損及短路容量的影響，將網(wǎng)損最小作為目標(biāo)函數(shù)、電壓偏差和電壓波動(dòng)作為約束條件，建立電網(wǎng)消納能力模型，實(shí)驗(yàn)證明該方法具有一定的可行性，但是由于計(jì)算量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。孫偉卿等人[2]提出一種基于有效容量分布的互聯(lián)系統(tǒng)風(fēng)電消納能力評(píng)估方法，該方法綜合考慮了電-網(wǎng)-負(fù)荷各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)消納能力的影響，以有效容量為基礎(chǔ)，運(yùn)用隨機(jī)生產(chǎn)模擬法獲得消納能力評(píng)估的可靠性指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算各互聯(lián)系統(tǒng)的支援電量、發(fā)電量、支援概率等指標(biāo)完成風(fēng)電消納能力評(píng)估全過(guò)程，但是該方法只針對(duì)風(fēng)電消納能力進(jìn)行分析，具有一定的局限性。

針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，本文提出基于電磁儲(chǔ)能的電網(wǎng)新能源消納能力仿真分析方法。通過(guò)電磁儲(chǔ)能方式選擇更為環(huán)保實(shí)用的超級(jí)電容，并采用改進(jìn)后的三支路模型對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)建模，最后通過(guò)分析和計(jì)算電網(wǎng)的調(diào)峰值完成消納能力評(píng)估全過(guò)程。

2 電磁儲(chǔ)能過(guò)程研究

電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容儲(chǔ)能[3]和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能[4]等。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能主要將電能通過(guò)電磁能的形式儲(chǔ)存在線圈中，其原理為電磁感應(yīng)，將超導(dǎo)線圈置于磁場(chǎng)中，線圈周?chē)鷾囟鹊陀诰€圈自身的臨界溫度時(shí)，將磁場(chǎng)撤去，此時(shí)線圈之中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。若環(huán)境溫度始終保持在線圈臨界溫度之下，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流就會(huì)一直持續(xù)。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的主要依據(jù)為電磁感應(yīng)[5]，污染較小，并且在超導(dǎo)狀態(tài)下線圈電阻趨近于零。但是這種電磁儲(chǔ)能方式的投資過(guò)大，成本較高，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到限制。

超級(jí)電容儲(chǔ)能是近幾年新興的一種電磁儲(chǔ)能方式。其響應(yīng)速度較快，具有較高的負(fù)荷響應(yīng)特性、功率密度較高，能夠在短時(shí)間內(nèi)吸收或釋放大量電能、成本較低且后期維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較低。

由于超級(jí)電容儲(chǔ)能的實(shí)用價(jià)值更高，因此本文以超級(jí)電容儲(chǔ)能作為電網(wǎng)電磁儲(chǔ)能的理論基礎(chǔ)，構(gòu)建電磁儲(chǔ)能模型。電容器電化學(xué)溶液中的物質(zhì)由于性質(zhì)不同會(huì)產(chǎn)生共價(jià)力、庫(kù)侖力等，在這些不同力的作用下，為使系統(tǒng)的電化學(xué)力保持平衡，電荷會(huì)自發(fā)的重新分配，從而在電極和溶液的接觸面形成正負(fù)電荷層，因此將這類電容器稱為雙層電容[6]。

兩個(gè)極板接入外加直流電壓后，分別會(huì)攜帶極性相反的兩種電荷，因此稱它們?yōu)殛?yáng)極板和陰極板。當(dāng)兩種電極板和電解液接觸時(shí)，電解液中的正電荷受到吸引會(huì)依附在陽(yáng)極板表面，負(fù)電荷受到兩個(gè)極板產(chǎn)生的作用力發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)依附在陰極板表面。電解液中正負(fù)離子和依附在電極板表面的正負(fù)電荷之間存在位壘，使得兩種電荷不能越過(guò)位壘進(jìn)行中和，只能在電極表面排列成一層，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)。雙電層電容器電容量計(jì)算公式如下

(1)

式中，C表示電容量，ε表示電解液介電常數(shù)，S表示電極板和電解液的接觸面積，d表示正負(fù)電極板間距。

超級(jí)電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為能夠更好的反映出電容器在工作過(guò)程中不同時(shí)間段內(nèi)特征動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，采用三支路模型對(duì)其進(jìn)行精確建模，三支路模型如圖1所示。

圖1 三支路模型

當(dāng)超級(jí)電容的端電壓低于額定電壓的40%時(shí)，三支路模型的性能會(huì)受到較大影響，因此進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)三支路模型

超級(jí)電容的恒流放電[7]電路圖如圖3所示。

圖3 電容器恒流放電電路圖

圖3中，表示等效端電壓，UC表示電容器電壓，I表示電流，R0表示負(fù)載電阻[8]，K表示開(kāi)關(guān)。超級(jí)電容在不同時(shí)間段的恒流放電曲線如圖4。

圖4 超級(jí)電容恒流放電曲線圖

超級(jí)電容在時(shí)刻之前已充電至額定電壓，在時(shí)刻對(duì)電阻恒流放電進(jìn)行控制，并記錄出放電前后的電壓突變量u3及t1時(shí)刻電容自身電壓u1和t2時(shí)刻電容自身電壓u2。根據(jù)圖3和圖4對(duì)三支路模型的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。

1)等效電容值

當(dāng)超級(jí)電容對(duì)電阻放電時(shí)，放電的電荷量可以表示為

Q0=It

(2)

電容器儲(chǔ)存的電荷量和電壓之間的關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Qc=CU

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)可計(jì)算出等效電容值如下

(4)

2)等效串聯(lián)電阻

如圖3，當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，由于電容器自身的漏電抗放電過(guò)程較為緩慢，因此可以將電容器的等效電壓近似為不變。當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合后，超級(jí)電容向電阻放電，則

UC=U-I·RES

(5)

等效串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致電容的端電壓放電瞬間發(fā)生突變，根據(jù)圖4的放電曲線圖可得等效串聯(lián)電阻為

(6)

3)等效并聯(lián)電阻

超級(jí)電容的等效并聯(lián)電阻測(cè)量電路如圖5所示。

圖5 等效并聯(lián)電阻測(cè)量電路

圖5中，E表示直流電壓，其大小和電容器的額定電壓相同；R5表示測(cè)試電阻，通常情況下，其阻值較小以減少電路損耗。通過(guò)電壓表對(duì)測(cè)試電阻的電壓進(jìn)行測(cè)試，則可以獲得此時(shí)電路中電流如下

(7)

根據(jù)式(6)獲得的串聯(lián)電路電阻，可近似求得電容器的等效并聯(lián)電阻如下

(8)

為確保測(cè)量準(zhǔn)確性，直流電源E的電壓波動(dòng)不可以超過(guò)±0.01v。

3 電網(wǎng)新能源消納能力分析

在電磁儲(chǔ)能模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其新能源消納能力進(jìn)行分析。新能源消納能力與常規(guī)機(jī)組調(diào)峰能力有直接關(guān)系，也就是說(shuō)常規(guī)機(jī)組能否降到最低出力，將直接影響到新能源消納能力。但是，若一味的降低常規(guī)機(jī)組出力則會(huì)造成電網(wǎng)運(yùn)行成本明顯上升，并且會(huì)導(dǎo)致常規(guī)機(jī)組出力不穩(wěn)，從而對(duì)發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此在保持調(diào)峰能力不發(fā)生較大幅度提高的前提下，能否對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰裕度進(jìn)行有效利用，在提高消納電量方面有著重要意義。

新能源消納原理如圖6所示。

圖6 新能源消納原理圖

從圖6中可以看出，新能源消納空間在負(fù)荷曲線和機(jī)組最低出力二者之間，即常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰裕度。從理論上講，若新能源出力可以將這一區(qū)間充滿，則可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)最大消納電量，但是由于新能源存在出力不確定性，在出力值低于調(diào)峰裕量時(shí)依然需要將常規(guī)電源出力提高，以保持電力平衡。因此，若能夠?qū)崿F(xiàn)消納空間密集出力，則能夠有效的將消納電量提高，且基礎(chǔ)出力越密集，電量越多。

不同裝機(jī)容量的棄新能源比例變化情況如圖7所示。

圖7 不同新能源裝機(jī)容量下的棄新能源比例

從圖7中可以看出，棄新能源比例隨著裝機(jī)容量的增加而不斷上升。

電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是同時(shí)完成的，因此要求電網(wǎng)在滿足電力系統(tǒng)基本負(fù)荷的同時(shí)，還需要根據(jù)電力負(fù)荷變化調(diào)節(jié)生產(chǎn)，即調(diào)峰。調(diào)峰的主要原因是為了符合峰谷變化按照一定速度對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。從時(shí)間周期角度考慮，一般情況下調(diào)峰以24小時(shí)作為周期日行為，系統(tǒng)的調(diào)峰能力如圖8所示。

圖8 調(diào)峰能力示意圖

圖8中，PLmax表示日最大負(fù)荷，PLmin表示最小負(fù)荷，PGmax表示高峰負(fù)荷時(shí)可調(diào)機(jī)組出力，PGmin表示機(jī)組最小出力，PLmax-PLmin表示負(fù)荷峰谷差，PGmax-PGmin表示調(diào)峰能力，備用負(fù)荷則可以用PGmax-PLmin來(lái)表示。若要保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，負(fù)荷峰谷差要小于系統(tǒng)調(diào)峰能力。

除了通過(guò)新能源發(fā)電機(jī)組降低出力深度和啟停調(diào)峰，還可以采用聯(lián)網(wǎng)線路調(diào)峰及拉閘、中斷負(fù)荷等方法負(fù)控調(diào)峰。調(diào)峰需求是由負(fù)荷峰谷差和備用負(fù)荷兩個(gè)部分組成，一般情況下，備用容量按負(fù)荷備用和旋轉(zhuǎn)事故備用考慮，本文分析過(guò)程中旋轉(zhuǎn)備用取10%，負(fù)荷備用取2%，事故備用取8%。地區(qū)電網(wǎng)一般屬于受端電網(wǎng)，其調(diào)峰很大程度上只能依靠電網(wǎng)的調(diào)峰能力，因此在地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，可對(duì)機(jī)組地區(qū)出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，其計(jì)算方法如下

PG=PLmax×(1+X)-PZ-0.8PR

(9)

式(9)中，PG表示在負(fù)荷高峰時(shí)機(jī)組區(qū)域出力；PLmax表示電網(wǎng)地區(qū)的最大負(fù)荷；X表示負(fù)荷備用系數(shù)；PZ表示電網(wǎng)自備出力；PR表示地區(qū)電網(wǎng)供熱機(jī)組出力。供熱機(jī)組額定功率在80%左右，并且不參與調(diào)峰。可調(diào)機(jī)組的最小出力可用式(10)進(jìn)行計(jì)算。

PGmin=PG×(1-S)

(10)

式中，S表示綜合調(diào)峰系數(shù)，該系數(shù)與電源結(jié)構(gòu)相關(guān)，則電網(wǎng)的調(diào)峰能力計(jì)算公式如下

PTF=PG-PLmin

(11)

新能源發(fā)電因多種因素導(dǎo)致其具有反調(diào)峰特征，例如在風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)速變化會(huì)使系統(tǒng)在低谷負(fù)荷時(shí)功率最大，在負(fù)荷高峰時(shí)功率較低的現(xiàn)象，風(fēng)電反調(diào)峰特性如圖9。

圖9 風(fēng)力發(fā)電反調(diào)峰特性

從圖9中可以看出，在低谷負(fù)荷時(shí)，風(fēng)電滿發(fā)，高峰時(shí)，風(fēng)電停發(fā)。

定義新能源出力為負(fù)負(fù)荷，等效負(fù)荷為電網(wǎng)總負(fù)荷與新能源出力之間的差值，等效曲線如圖10。

圖10 等效負(fù)荷曲線

從圖10中可以看出，新能源電力系統(tǒng)的反調(diào)峰特性導(dǎo)致電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差小于等效峰谷差，側(cè)面說(shuō)明了新能源的峰谷差變大，加大了電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組調(diào)峰難度。

電網(wǎng)的低谷負(fù)荷調(diào)峰能力指的是電網(wǎng)系統(tǒng)處于負(fù)荷低谷時(shí)，機(jī)組出力減去機(jī)組最小技術(shù)出力獲得的差值，其示意圖如圖11所示。

圖11 低谷負(fù)荷調(diào)峰能力示意圖

根據(jù)上文分析，新能源的消納能力主要由電網(wǎng)的調(diào)峰盈余決定，并且在對(duì)新能源電網(wǎng)的能力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)將反調(diào)峰情況考慮在內(nèi)。因此消納能力的計(jì)算公式如下

Px,tf=Py/K

(12)

式(12)中，Py表示調(diào)峰容量盈余。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證基于電磁儲(chǔ)能的電網(wǎng)新能源消納能力仿真分析方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能，進(jìn)行一次仿真分析。首先要保證電磁儲(chǔ)能穩(wěn)定性，設(shè)置電容器充電初期的電感電流為15A，充電一段時(shí)間后，使電流變?yōu)?0A，保持一段時(shí)間后再恢復(fù)為15A，充電結(jié)束后，得出電感電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖如圖12所示。

圖12 電感電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖

從圖中可以看出在電容器充電的過(guò)程中，電流發(fā)生變化時(shí)，電磁儲(chǔ)能能夠快速的適應(yīng)電流變化，且超調(diào)量更小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

然后以某地區(qū)電力系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為例，使用本文方法對(duì)其消納能力進(jìn)行分析。該地區(qū)同一年份該地區(qū)典型日負(fù)荷曲線如圖13所示，同時(shí)通過(guò)該地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電光伏出力數(shù)據(jù)獲得當(dāng)年的年出力標(biāo)幺值。

圖13 典型日負(fù)荷曲線

根據(jù)電源規(guī)劃，該地區(qū)機(jī)組裝機(jī)容量約為4361kW，其中水電裝機(jī)容量約為734kW。截止到上一年年末，該地區(qū)風(fēng)電機(jī)組容量為978.14kW，光伏機(jī)組容量為487.96kW，風(fēng)電和光伏機(jī)組容量比近似于2：1。由此可得該地區(qū)前一年的棄風(fēng)比約為33.3%，棄光比例約為25.32%，說(shuō)明該地區(qū)的新能源消納形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的新能源電能利用率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖14所示。

圖14 新能源電能利用率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖14可知，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增長(zhǎng)，文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的新能源電能利用率波動(dòng)較大，且文獻(xiàn)[1]方法新能源電能利用率在30%～65%之間，文獻(xiàn)[2]方法的新能源電能利用率在58%～80%之間，而本文方法的新能源電能利用率在85%以上，說(shuō)明本文方法的新能源電能利用率較高，新能源消納能力較強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文從電磁儲(chǔ)能的調(diào)峰能力方面對(duì)新能源消納能力進(jìn)行了分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法得出的分析結(jié)果較為準(zhǔn)確，新能源電能利用率較高。同時(shí)給出以下建議：

1)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)能力。風(fēng)電合并后，電網(wǎng)的負(fù)荷性能是整個(gè)電網(wǎng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此隨風(fēng)電出力特性進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)尤為重要。

2)改善電網(wǎng)的機(jī)組性能。改善機(jī)組性能或增加儲(chǔ)能裝置能夠有效調(diào)高電網(wǎng)在風(fēng)電方面的調(diào)峰能力。

3)加強(qiáng)需求側(cè)管理。根據(jù)風(fēng)電出力的實(shí)際情況對(duì)電荷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，引導(dǎo)公眾合理用電意識(shí)，也有利于提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行穩(wěn)定性。