儲能系統對新能源電站并網的影響

王海剛

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇南京 211100）

引言

在“雙碳”目標背景下，在各個電站中新能源裝機的占比不斷增加，但由于在新能源當中，風能、太陽能等由于其本身存在極強的隨機性和間歇性，因此使得風力發電和光伏發電的有功功率經常出現頻繁地波動，進而造成風力發電與光伏發電等新能源電站的出力存在不穩定性問題。儲能系統是一種能夠有效抑制新能源在供電時出力波動的系統，在引入這一儲能系統時，可以有效提高新能源電站的穩定性，進而為電力供應的可信度提供保障，還能夠降低電力系統整體備用容量，無論是在經濟層面還是社會層面都具有更大的應用優勢。當前現有儲能系統的應用可從能量管理和儲能技術應用兩方面為新能源電站提供有力幫助[1-3]。為進一步促進儲能系統的應用優勢，現以某新能源電站為例，探究在不同條件下儲能系統對新能源電站并網的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗研究對象

為探究儲能系統對新能源電站并網的影響，選擇以某地區新能源電站為依托，該新能源電站所在地區總體特征展現為：可利用小時數高、電價低和“兩個細則”低。該地區燃煤基準為0.3024 元/ kW·h；交易電價中光伏發電為0.2201 元/ 千瓦時，風力發電為0.2045 元/kW·h；限電比例中光伏發電為2.13%，風力發電為6.27%；“兩個細則”考核比例中，光伏發電為3.25%，風力發電為11.25%。

1.2 實驗設備

為實現對儲能系統對新能源電站并網的影響探究，實驗前需要準備的設備包括蓄電池、電壓放大測試器、絕緣耐壓電流測量儀等。其中儲能系統中的蓄電池選用LEOCH95-5640 型號蓄電池，該型號蓄電池的額定電壓為12 V；自身重量為5.4 kg；轉化效率為99%；容量為18 AH；尺寸規格為181.2*76.2*165.2 mm（長*寬*高）。除此之外，LEOCH95-5640 型號蓄電池具有不易漏液、無需加水、導電性優和密封性好等優勢，將該型號蓄電池應用到本實驗當中，可為實驗結果提供更高的精度條件[4]。在對電壓放大測試器選擇時，PINTECH87-41650 型號，利用該型號電壓放大測試器實現對實驗過程中新能源電站和儲能系統運行電壓的測定[5]。最后在對絕緣耐壓電流測量儀選擇時，選用SECULIF8674-640 型號絕緣耐壓電流測量儀。在完成對上述主要實驗設備的選擇后，還需要對起到輔助作用的附件進行選擇，包括各種特制線纜、熱敏打印機、條形碼閱讀器、三相延長線配置器、漏電測試用鉗表、溫度傳感器等，可選擇常規使用的設備型號[6]。

1.3 實驗研究對象建模

在明確實驗研究對象以及實驗中所需設備后，在具體分析時，可首先完成對該新能源電站配置儲能全面可調節的電能比例進行計算，其公式為

式中：

g 為新能源電網在配置儲能后時移電量占總電量的比重；

b 為配置能源的實際占比；

c 為儲能時間長度；

d 為新能源電站并網循環頻率；

e 為循環天數；

f 為充放電深度；

a 為運行的小時數。

在明確電能比例后，為方便后續研究，對新能源電站模型進行建立，在并網后，新能源電站當中包含的內容有風力發電系統、光伏發電系統以及儲能系統[7-8]。選擇將新能源電機的發電能力作為模型輸出，其公式如下

式中：

為了便于分析，如圖4所示在典型分解曲線上進行相應的標記。加熱起始時間點為t = 0 s，質譜儀信號值第一次大于10-11 mol時間點為t1，對應溫度曲線上溫度值為T0，質譜儀信號峰值時間點為t2，峰值大小為 Mm，對應溫度為 Tm，質譜儀信號值最后一次大于 10-11 mol時間點為 t3，t0、t1、t2、t3之間的時間間隔分別為Δt1、Δt2、Δt3。將不同加熱速率下的各參數對比匯總于表1。

Pw為新能源電機發電能力；

ρ 為空氣密度；

Cp為新能源利用系數；

λ 為葉建速比/光照強度；

A 為發電機葉片的掃掠面積；

vw為發電速率。

根據新能源發電的特點，在其輸出轉矩的基礎上，額外增加一個幅值相對較小的，具有周期性變化特征的轉矩波動，因此實現對外界環境干擾狀態下對新能源發電運行的模擬[9]。在此基礎上，再建立儲能系統模型。以Ui表示儲能系統蓄電池內部電壓；UDC表示直流電壓；IDC表示直流電流；Li表示儲能系統中蓄電池內部電抗；Ri表示儲能系統中蓄電池內部電阻。在明確儲能系統核心蓄電池的基本結構后，結合蓄電池本身具有的充放電特性以及其參數之間的非線性關系，構建儲能電池的數學模型如下

式中：

Unom為儲能系統中電池的額定電壓；

uset為儲能系統電壓輸入信號的設定數值。

在上述模型基礎上，為實現對儲能系統在實驗過程中的運行調節，在并網時，若存在不匹配現象，則通過頻率差值中的比例計分函數可進行調節，確保并網的有效。

1.4 實驗方法

針對儲能系統與新能源電站的并網模擬，設置下述兩種方案，其中第一種為新能源電站中風力發電機組與光伏發電機組單獨配置，并分別實現與儲能系統的并網；第二種為新能源混合電站與儲能系統并網出口處集中配置[10]。首先將新能源的電站當中風力發電和太陽能發電結合到一條母線上，再用一條很短的線路將其與并網節點連接起來，達到并網目的。為了更加方便對風速擾動條件下儲能系統對新能源電站并網的影響，將隨機風的變化范圍進行擴大，并在這一過程中記錄電壓與風速之間的關系。

2 實驗結果分析與討論

2.1 風速擾動條件下儲能系統對新能源電站并網的影響

針對風速擾動條件下儲能系統對新能源電站并網的影響，在完成上述實驗模擬后，記錄風速與電壓之間的關系，見表1。

表1 風速與并網電壓關系表

從表1 中記錄的實驗數據可以看出，在不同風速條件下，并網后電壓均控制在0.9755 pu 左右，電壓并沒有受到風速變化的影響。因此，通過上述得出的結果能夠初步說明，在并網后的某一節點上，當出現風速擾動情況時，電壓不會受到其影響，始終保持在一定范圍內發生小幅度的改變。在上述基礎上，再針對風速擾動條件下并網后出力情況進行記錄，并分別對兩種不同并網方式的出力變化進行統計，得到如表2所示的實驗結果。

由表2 可知，當風速發生改變時，由于新能源電站當中的風力出力會呈現出隨機性的波動，因此對整個新能源聯合出力會產生一定影響。

表2 風速擾動條件下并網后出力變化記錄表

2.2 三相短路故障條件下儲能系統對新能源電站并網的影響

在明確風速擾動條件下，儲能系統的加入對新能源電站并網的影響后，再從三相短路故障條件下，對儲能系統對新能源電站并網的影響進行分析。根據上述論述可以，選擇在3.0 s 時間點在某一線路上增加三相短路故障，針對這一故障發生時，新能源電站并網的運行電壓進行記錄，并繪制成如圖1 所示的實驗結果圖。

圖1 三相短路故障發生時并網電壓變化記錄圖

由圖1 可知，在三相短路故障清除后，電壓出現了小幅度的波動后快速上升到正常電壓以上，并快速恢復到了正常電壓。在增加儲能系統后，再針對三相短路故障時的出力情況進行記錄，并將結果繪制成表3 所示。

由表3 可知，儲能系統設計所吸收的有功功率小于原本設定的控制目標，而吸收的有功功率會在一定程度上緩解三相短路故障情況下新能源電站并網出力對電網造成的沖擊，因此能夠有效促進新能源電站運行的穩定性提升。

表3 三相短路故障條件下儲能系統應用后并網出力記錄

3 結論

綜上所述，針對儲能系統對新能源電站并網的影響進行了實驗研究。在實驗過程中，設置了兩種不同的運行條件，其中一種為風速擾動條件，領域中為三相短路故障條件。在兩種不同條件下，儲能系統的應用都能夠在極大程度上提高新能源電站并網及運行的穩定性，確保其出力的可靠性，實現更穩定的供電。綜合儲能系統在應用到新能源電站并網當中所具備的，減小風出力和光出力對電網造成的終極以及能夠促進電站整體運行穩定性提升的優勢，在實際開展新能源電站并網時，在并網方案當中應當將儲能系統的加入放在首位，通過對儲能系統應用方案的合理設置，促進新能源電站運行水平的進一步提升。