風光互補發電系統儲能調度研究

國家能源集團福建能源有限責任公司 楊 鎮

風能、太陽能在提供能源過程中，由于隨機性和間斷性，使得能源發電系統很難產生持續穩定能源，導致能源發電系統在與大電網并網中引發不相融問題。風光互補發電系統發電過程中產生的電量超出需要的負荷時，為節約系統發電成本、提升經濟性，一方面要思考整個發電系統中各電源間彼此相互交融問題，同時還要兼顧儲能設備壽命及系統與大電網間的交互問題。風光互補發電系統主要由儲能、發電、控制、并網，等幾部分組成。

圖1 風光互補發電系統結構圖

1 儲能系統概述

儲能系統能吸收、釋放能量，因此可彌補風光互補發電系統中能源波動性及隨機性問題。在風光互補系統發電過程中，當風能或太陽能較強時，儲能系統可將多余能源吸收儲存起來；當風能或太陽能不足時，儲能系統可釋放儲存的能源，以供給重要負荷直至風光互補發電系統恢復正常發電。風光互補發電系統在并網中，儲能系統也發揮了至關重要的作用，緩解了并網過程中風光發電系統對大電網的沖擊，起到了“削峰平谷”作用，提高了供電系統運行的穩定性，提升了經濟效益[1]。

1.1 儲能工作原理

現階段風光互補發電系統儲能形式有多種，如鉛酸蓄電池、超導儲能、壓縮空氣儲能等，其中鉛酸蓄電池儲能方式應用較廣，其是最為典型的酸性蓄電池，具有放電性能較好、工作電壓較高、使用溫度寬、價格低廉等特點，但儲能過程中化學物質對環境有一定污染且電池使用壽命有限。鉛酸蓄電池儲能過程的充放電原理如下：PbO2+2H2SO4+Pb鉛酸蓄電池的正極材料為PbO2、負極材料為Pb，放電時正極中PbO2得電子、負極Pb失電子，同時溶解到電解液H2SO4中，電子流向從負極到正極，故形成正極PbO2到負極Pb的電流流向。充電時，蓄電池中電解液PbSO4和H2O產生放電時相反的化學反應，分別在正負極還原出PbO2和Pb。

1.2 儲能性能分析

電池容量。是電池在一定條件下所釋放出的電量大小，以安培·小時（Ah）為單位。以容量為20Ah電池為例，如電池供應電路的電流為1A，那該電池可持續供應20小時電能。蓄電池在使用過程中多次充放電后電池儲能容量會逐漸衰減，一旦實際電池容量小于原先額定容量的80%時電池就須更換。因此，電池實際容量也是衡量電池使用壽命的指標。

荷電狀態。指某一時刻儲能剩余容量比重，即儲能剩余容量與標稱容量之比：SOC=Ct/CESS×100%，式中Ct為儲能剩余容量，CESS為儲能滿電狀態下的標稱容量。據相關研究表明，當儲能荷電狀態處于0.68～0.8之間時，儲能充放電效率最高，故儲能荷電狀態應控制在上述范圍內。

充放電深度。放電深度指儲能放電時，儲能釋放的電量比重，即儲能釋放的電量與標稱容量之比：DOD=Q-/CESS，式中：Q-為儲能釋放電量，CESS為儲能滿電狀態下的標稱容量。充電深度指儲能充電時，儲能充電的電量比重，即儲能充電的電量與標稱容量之比：DOC=Q+/CESS，式中：Q+為儲能充電電量，CESS為儲能滿電狀態下的標稱容量。

循環壽命。指儲能實際容量減少到某一個點時對應的充電以及放電次數，該參數可用來界定電池儲能使用壽命。這里采用的模型主要考慮儲能存儲容量約束、充放電功率約束，表達式如下：

式中：SOCt為t時刻狀態下儲能荷電狀態；CESS、Ct分別是標稱容量和t時刻儲能剩余容量；Pch、Pdis分別為充、放電功率；ηch、ηdis分別為充、放電效率。

2 風光儲系統的并網影響

2.1 對電力系統穩定性的影響

利用風能和太陽能進行發電時，通常會因氣候的影響而發生變化，導致發電出現不穩定性的情況。隨著當前風力發電及光伏發電并網規模增加，研究風光發電并網運行后對電網的影響十分必要。

電壓波動和閃變。風力、光伏在進行發電的過程中，輸出電能質量的好壞與否，主要和電壓的波動以及閃變存在著非常密切的聯系，而對應電壓閃變的兩個影響因素，分別是電壓波動的幅值和頻率，電壓在進行波動的過程中會導致電器設備無法進行正常工作，主要是由于風速及光照等各種自然資源存在不穩定的現象，再加上多機組不規則的啟停，會導致發電發生突然性波動。由于人為因素無法對自然條件進行改變，因此這種影響因素是長時間存在的[2]。

諧波污染。電力系統在工作過程中一旦受到諧波污染會影響其正常工作，導致產生的電能質量受到影響、甚至會降低設備使用壽命。諧波主要是因電流及電壓波形產生畸變引起，而引起電流、電壓畸變原因主要有電源端、輸配電過程、一些設備產生的諧波污染，如整流裝置、逆變裝置等；電網頻率。風光發電與大電網進行并網過程中，由于本身產生的發電輸出功率為無功功率，會使得電網電壓降低，引起一定的功率波動。因此如直接將風光發電并入電網會導致電力系統與大電網間失衡。故風光發電在進行并網前會進行交互功率調整，以滿足供電頻率波動符合相關標準要求。

2.2 對發電供電計劃的影響

電網在進行發電過程中計劃應按照“精準”預測來進行制定。而風光發電系統由于其預測技術不成熟，很難保證預測的精準性，故相關電網的發電供電計劃需根據風光發電系統波動做適時調整。

2.3 對電網設備容量分配的影響

若風光系統的功率改變情況和電網負荷改變相同，在進行大范圍并網后可依靠自動調峰來對電網的穩定性進行保障，但同樣存在和電網需求相反的可能。例，如風速相對較大，高于風電機組可承受的最高風速便會導致風電機組出現停止運轉的情況，這時電網會受到很大波動。因此電網須根據具體情況來進行調峰處理，以保障電網的平穩運行。

綜上，風光互補發電系統與大電網進行并網過程中對電網的影響較為明顯，故研究風光互補發電系統并網過程中能量調度問題十分必要。

3 基于可控負荷的儲能調度策略

3.1 削峰填谷模式

某一電廠規劃設計完工后發電規模基本固定，但用電過程中由于無法對實際需求側進行精確化管理，導致電量使用造成較大浪費，甚至局部地區出現用電告急的現象，而削峰填谷模式可較好解決上述問題。削峰填谷模式是利用調整不同時間段居民或企業用電負荷，來達成用電模式的削峰填谷目的。該模式利用政策干預形式對用電時段的價格進行調整，高峰用電時段電費較高、低谷期用電時段電費較低，以此鼓勵用戶盡量在低谷用電時段用電。利用削峰填谷模式，不僅可有效緩解用電高峰期時的用電壓力、還可提升用電低谷期的用電量，最終實現不同時刻用電負荷均衡，減少電廠整體電量的浪費，實現了節能，提高了經濟效益。

3.2 負荷分類

對不同用電設備按照重要性優先級進行分類，優先保障重要設備供電。這里根據斷電后對生產、生活影響等級劃分，將不同設備的用電負荷劃分為一級、二級和三級。當風光發電系統發電量不能滿足所有設備用電負荷需求時，將按照等級優先級從三級負荷開始依次切除負荷。

3.3 儲能優化調度策略

風光互補發電系統發電過程中，當風光發電不能滿足負荷需求時儲能進行放電，在放電期間如儲能荷電量處于臨界值時，系統會根據用電優先級進行部分負荷切除，以保證必要的重要設備運行，這一狀態直到發電系統發電滿足負荷需求為止，再根據優先級逐步恢復之前切除的負荷電力；當儲能正常工作時可轉移部分負荷使用時間。

如風光發電系統發電充足時輸出功率表現為明顯過剩狀態，Pip≥0，開啟充電模式。這時儲能系統表現為如下狀態：當充電功率小于等于儲能系統最大儲能荷電狀態時，則儲能系統充電；當充電功率大于儲能系統最大儲能荷電狀態時，激勵可控負荷進行消納；當可控負荷調節達到極限時，如功率還有剩余則選擇棄能處理。

如風光發電系統發電不足時，Pip＜0，儲能系統開啟放電模式。這時儲能系統表現為如下狀態：當儲能系統儲能荷電狀態能滿足所需放電功率時，儲能系統開始正常放電；當儲能系統儲能荷電狀態不能滿足所需放電功率時，按照用電優先級進行部分負荷切除處理；當可控負荷調節功率超出極限且所需功率仍有空缺，則需啟動備用電源。

綜上，對于可再生能源發電中，風力發電及光伏發電是目前應用較為頻繁的發電形式，但無論是光伏發電還是風力發電都會在外界環境影響下產生很強的波動性，因此純粹的光能或太陽能都無法提供穩定能源，而風光互補系統可彌補上述不足，給大電網提供持續不斷穩定供電。