多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法

遲 昆，李 媛，張 軍，張中丹，王 濤

（1.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅蘭州 730050；2.國網甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730030）

大力發展太陽能發電、水力發電、風能發電等 可再生能源是解決能源危機的有效手段。在眾多可再生能源中，風電成為電力行業發展的主要方向。風力發電對保護環境起到了很好的作用，因此風電場的建設規模日益增加。在建設過程中，由于風能具有不穩定性，容易使電網的運行狀態變得不穩定。儲能發電系統通過調度優化方法可實現風電的消納[1-2]。為此，國內外專家學者對風電、儲能構成的多能互補發電系統進行了相應地研究。相關學者利用可控柔性負荷對可控負荷發電系統進行了剖析，通過提升發電系統的負荷谷值來降低熱負荷峰值，并在二級熱網中增設儲能系統，以此來實現風電消納。該方法減弱了棄風現象，但發電系統的功率較高[3]。還有學者提出了基于熵理論的儲能發電系統聯合消納棄風控制方法，該方法建立了消納棄風的優化控制模型，以改進熵最小為棄風標準對風電棄風進行調控，再采用粒子群算法求解發電系統的儲能功率，降低風電的不可靠性，并減少運營成本。該方法雖減少了投資成本，但風電消納能力較低[4]。

為了解決以上問題，文中提出了多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法，該方法在分析消納棄風基本原理的基礎上，建立了多能互補發電系統消納棄風模型，最后通過實驗驗證了該方法的性能。

1 系統儲能聯合消納棄風模型

該研究采用了可控柔性負荷配置多能互補發電系統的儲能容量，從而消納了少量的棄風，但大多數的棄風依然未被消納。由于多能互補發電系統的調節性能較差，不能與風電場的風電儲能功率進行高效交換，且多能互補發電系統中儲能容量流動較快，具有較高的能量時移。因此，通過將儲能技術與多能互補發電系統相結合來實現風電消納，減少棄風現象，提升風電固有匹配能力[5]。

將儲能技術與多能互補發電系統結合后，與風電出力進行匹配。根據棄風出現的規律對儲能容量和互補發電系統進行調節。在調節過程中需要將棄風功率與發電系統的發電功率進行交換和轉化，以達到提升發電系統的熱負荷峰值，增強風電消納的效果。同時，當多能互補發電系統不能消納全部的風電棄風時，存儲未被消納的風電棄風，以便減少棄風電量和熱負荷谷值，達到充分利用棄風功率的目的，實現多能互補發電系統儲能聯合棄風消納[6-7]。

當多能互補發電系統的棄風消納能力下降時，棄風電量將會迅速上升，在達到最大值后略下降。為了提升發電系統的棄風消納能力、減少棄風電量以及棄風現象的發生，需要在發電系統中增設儲能設備，儲能設備的增設相當于在發電系統中建立了一個消納棄風現象的屏障，當儲能設備正常運行后，開始進行棄風消納。棄風消納能力與棄風電量之間的關系示意圖如圖1 所示。其中，棄風消納能力通過消納風電量來表示。

圖1 棄風消納能力與棄風電量之間的關系示意圖

多能互補發電系統棄風消納能力穩定時，儲能容量保持恒定，增設儲能設備可以保證發電系統的安全、穩定運行。當棄風消納能力較低時，為了保持儲能容量恒定，將發電系統電儲熱的儲能容量設定為最大，并在多能互補發電系統中投入若干負荷，使發電系統的額定功率與工作功率相等[8]。當儲能容量大于發電增量時，多能互補發電系統的棄風電量較少，棄風現象有效降低，但儲能容量無法保持一直較高的狀態。因為多能互補發電系統對儲能容量的調節能力有限，一旦提高調節功率和額定功率，將增大儲能容量匹配的成本，所以在多能互補發電系統中，需要將調節功率和工作功率設定為最佳功率，以此實現儲能容量的合理配置。

為了確定最優的調節功率和工作功率，設多能互補發電系統的儲能容量為PC，儲能設備的調節功率為PE，發電系統的棄風消納能力為PB，棄風電量為PWQ，則多能互補發電系統消納棄風模型為：

式中，I1為儲能設備,J1為多能互補發電系統,N1為儲能設備集合，M1為多能互補發電系統的數量,K為儲能容量利用率。當儲能容量利用率最高時，求解此時的儲能容量最優值，此時可進行穩定、高效地消納棄風[9-10]。當儲能容量的利用率較低時，儲能設備的配置能力將會迅速下降，調節功率與工作功率將會下降，此時不能對棄風電量進行有效地棄風消納。

2 系統儲能聯合消納棄風控制

由于多能互補發電系統在進行儲能聯合消納棄風時采用了儲能技術,并運用了儲能設備，因此為消納棄風電量設定了安全屏障。在采用儲能技術調節功率期間，多能互補發電系統的調峰能力在迅速發生改變，棄風時間在不斷延長，儲能容量在不斷增加，其中，棄風電量中的低谷棄風電量可影響棄風消納的效率和時間，低谷棄風電量增加，棄風消納效率增大，低谷棄風率也隨之增大，低谷棄風率大約為棄風電量的80%。在對儲能設備進行調試階段，低谷棄風的比重不高，這是由于多能互補發電系統中的棄風消納基本發生在低谷運行階段，在調試階段跟蹤棄風發電系統的電儲熱，輸出電儲熱的熱量，可以降低儲能調試成本，并縮短棄風消納環節，降低棄風電量和棄風率[11-13]。

基于建立的消納棄風模型，文中給出了多能互補發電系統儲能聯合消納棄風的控制策略。消納棄風控制策略如圖2 所示。

圖2 消納棄風控制策略

根據圖2 可知，在多能互補發電系統自身控制約束的基礎上，對儲能設備跟蹤棄風進行優化控制。由于時序棄風功率影響著優化控制的進行，因此在對多能互補發電系統進行棄風消納時，需要評估發電系統當前的運行狀態。如果此時棄風功率高于多能互補發電系統的運行功率，并且無法滿足電負荷要求時，儲能設備可對風電場進行電制熱,以此消納棄風電量。在不同的棄風時段，多能互補發電系統的運行功率和棄風功率都有差異，多能互補發電系統的運行功率介于工作功率與額定功率之間。

當棄風功率高于多能互補發電系統的工作功率時，多能互補發電系統以工作功率運行；當棄風功率低于工作功率但高于額定功率時，多能互補發電系統以棄風功率運行；當負荷功率高于棄風功率并小于額定功率時，儲能設備中的儲能容量為充電量和放電量的總和，多能互補發電系統在放電時，其下限功率與上限功率不會影響儲能設備的正常運行。然而多能互補系統在進行負荷充電時，上限功率和下限功率均影響儲能設備的運行。如果下限功率高于上限功率，此時儲能設備的調節能力最差，一旦上限功率高于下限功率，儲能設備的調節能力將逐漸變強[14-16]。根據多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制策略，多能互補發電系統應盡可能使用風電，降低棄風電量，減少棄風現象的發生。

3 實驗研究

為了驗證該文提出的多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法的實際工作效果，將基于熵理論的儲能發電系統聯合消納棄風控制方法與文中方法進行對比實驗。

實驗在Matlab環境下搭建了一個包含風電的多能互補發電系統。該系統風電場的裝機容量達100 MW，系統的運行功率為150 MW，儲能設備的工作功率為20 MW。為了保證實驗結果的有效性，文中設計了兩種實驗工況，以此提升發電系統的棄風消納能力。

第一種實驗工況：多能互補發電系統與儲能設備都不工作，棄風電量全部由電負荷進行消納，此時，棄風電量增加，棄風現象較多；第二種實驗工況：多能互補發電系統與儲能設備同時工作，同時對多能互補發電系統與儲能設備進行控制，提升了棄風消納的能力。

多能互補發電系統工作功率、儲能設備工作功率以及消納前后的實際工作功率為，在儲能設備調節階段，棄風功率低于多能互補發電系統的額定工作功率，多能互補發電系統以50 MW 的功率跟蹤棄風電量工作，通過多能互補發電系統的儲能技術全面消納棄風電量，使得儲能設備運行狀態為停止狀態。當多能互補發電系統中的熱負荷峰值最高時，棄風電量顯著增加，當前棄風功率高于多能互補發電系統的工作功率，多能互補發電系統以150 MW 的最大功率來消納棄風，同時，儲能設備開始運行，配合多能互補發電系統來消納棄風，將多能互補發電系統消納不完的棄風電量轉換成電能，存儲到儲能設備中。當多能互補發電系統中的熱負荷谷值最低時，棄風電量降低，儲能設備將存儲的電能釋放出來，并對較低的棄風電量進行及時的消納，以此減少儲能設備的工作功率，減少成本。

以上為多能互補發電系統與儲能設備對棄風電量的正常消納情況，采用兩種控制方法分別進行消納棄風控制實驗，實驗對比結果如圖3 所示。

圖3 消納棄風電量實驗對比結果

通過對實驗結果進行分析可知，采用該文提出的多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法后，棄風電量由原來的300 MW·h 降低到30 MW·h，文中方法的多能互補發電系統共消納270 MW·h。而采用基于熵理論的儲能互補發電系統消納棄風控制方法后，棄風電量由原來的300 MW·h 降低到100 MW·h。基于熵理論的儲能互補發電系統消納棄風控制方法的多能互補發電系統，共消納了200 MW·h 的棄風電量。相比之下，該文方法消納的棄風電量比基于熵理論的儲能發電系統消納棄風控制方法消納的棄風電量高了70 MW·h。以此證明了該文方法的棄風消納能力高于基于熵理論的儲能發電系統消納棄風控制方法。

在對不同階段的棄風電量進行消納的過程中，兩種方法的多能互補發電系統與儲能設備的消耗功率變化情況如圖4 所示。

圖4 多能互補發電系統與儲能設備的消耗功率變化情況

分析圖4 可知，應用該文方法后，多能互補發電系統與儲能設備的消耗功率隨著消納棄風電量的增加而逐漸降低，而基于熵理論方法的工作功率隨著消納棄風電量的增加而小幅度增加，而后再下降，但其消耗功率的數值始終高于該文方法，這說明該文提出的控制方法消耗的功率較低，消納效率較高。

綜上所述，該文提出的多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法消耗的功率較低，消納棄風的能力較高。

4 結束語

為了解決基于熵理論的儲能發電系統消納棄風控制方法出現的消耗功率較高、消納棄風能力較差等問題，文中提出了多能互補發電系統儲能聯合消納棄風控制方法，該方法給出了消納棄風控制原理，建立了儲能聯合消納棄風控制模型，并提出了多能互補發電系統儲能聯合消納棄風的控制策略，最后通過實驗研究表明，該文方法的消納棄風能力較高、消耗的功率較低。