試論風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行技術(shù)

文/王安民

當(dāng)前，隨著石油資源的不斷減少，太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的開(kāi)發(fā)技術(shù)也在不斷成熟。為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的供電質(zhì)量，本文對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能、儲(chǔ)能發(fā)電運(yùn)行技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致研究；通過(guò)確定混合多儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、增設(shè)風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)的儲(chǔ)能系統(tǒng)等方式，有效降低了原風(fēng)光發(fā)電運(yùn)行技術(shù)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)增強(qiáng)了風(fēng)光發(fā)電輸出平穩(wěn)性以及電網(wǎng)融入新能源的兼容性，并最終達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

隨著新能源發(fā)電領(lǐng)域的深入探索，風(fēng)能、光能發(fā)電所具有的隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而增加了電網(wǎng)控制與調(diào)度風(fēng)光發(fā)電的難度。由于風(fēng)能與光能在資源的轉(zhuǎn)化和利用過(guò)程中存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，且在風(fēng)光發(fā)電基礎(chǔ)上加入蓄能設(shè)備，能夠極大地改善新能源發(fā)電與電網(wǎng)間的銜接作用，故本文針對(duì)當(dāng)前存在的儲(chǔ)能平抑聯(lián)合風(fēng)光發(fā)電效果不佳、儲(chǔ)能配置不合理等情況，通過(guò)研究現(xiàn)有風(fēng)光發(fā)電運(yùn)行技術(shù)和優(yōu)化儲(chǔ)能配置等方式，以期提高風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行技術(shù)的實(shí)用性。

一、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

由于光能和風(fēng)能存在一定的波動(dòng)性、隨機(jī)性，所以光能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)。此時(shí)，如果借助儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)解決新能源發(fā)電存在的波動(dòng)性較大這一問(wèn)題，那么實(shí)際使用的儲(chǔ)能設(shè)備必須具備快速響應(yīng)的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2017年，全球有90%的國(guó)家或地區(qū)使用的是抽水式儲(chǔ)能設(shè)施，此類(lèi)設(shè)施最大的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保，但其儲(chǔ)能反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)也非常明顯。彼時(shí)，兼具機(jī)動(dòng)性好、循環(huán)利用率高、儲(chǔ)能密度大以及儲(chǔ)能響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)的化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。2017年，鋰電池儲(chǔ)能占化學(xué)儲(chǔ)能的93%，鉛電池儲(chǔ)能則占化學(xué)儲(chǔ)能的7%左右。[1]

現(xiàn)階段的儲(chǔ)能類(lèi)型主要有兩種，一是單一儲(chǔ)能系統(tǒng)，二是混合儲(chǔ)能的多儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，鋰離子電池、釩液電池、電池和電容混合等儲(chǔ)能技術(shù)均具有控制風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性、穩(wěn)定輸出的作用。

二、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置既可以接入交流側(cè)也可以接入直流側(cè)進(jìn)行儲(chǔ)能。但在光能發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置只接入直流側(cè)進(jìn)行儲(chǔ)能，隨后再將儲(chǔ)存的光能轉(zhuǎn)變成交流電輸送進(jìn)電網(wǎng)。因此，接入風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)施必須同時(shí)滿(mǎn)足風(fēng)電、光電的接入需求；同時(shí)，為滿(mǎn)足風(fēng)電、光電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)及互補(bǔ)要求，儲(chǔ)能設(shè)施必須從該系統(tǒng)母線(xiàn)的公共端接入，以達(dá)到兼容兩種發(fā)電系統(tǒng)的目的。風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

三、風(fēng)電、光電聯(lián)合運(yùn)行的控制形式

技術(shù)人員基于新能源發(fā)電相關(guān)理念，對(duì)光能、風(fēng)能、儲(chǔ)能資源進(jìn)行合理統(tǒng)籌，從而實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可調(diào)、可控、可預(yù)測(cè)的目的。其中，風(fēng)、光、儲(chǔ)運(yùn)行模式主要有離線(xiàn)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，因此在主網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，這三種運(yùn)行模式需要在發(fā)電量與用電量達(dá)到一定平衡時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。此外，風(fēng)、光、儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)發(fā)電控制的模式主要有三種，分別是負(fù)荷填谷削峰模式、計(jì)劃性輸出模式以及功率平滑輸出模式。為達(dá)到最佳控制效果，本文重新設(shè)計(jì)了風(fēng)、電、儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行模式，新的光電控制模式共有5種，分別是調(diào)整頻率模式、目標(biāo)跟蹤模式、自動(dòng)調(diào)整發(fā)電模式、計(jì)劃跟蹤模式以及平滑模式（見(jiàn)表1）。

運(yùn)行模式 光電控制模式風(fēng)計(jì)劃跟蹤、目標(biāo)跟蹤光風(fēng)、光聯(lián)合儲(chǔ)計(jì)劃跟蹤、目標(biāo)跟蹤、調(diào)整頻率儲(chǔ)、風(fēng)聯(lián)合計(jì)劃跟蹤儲(chǔ)、光聯(lián)合風(fēng)、光、儲(chǔ)聯(lián)合 計(jì)劃跟蹤、自動(dòng)調(diào)整、控制發(fā)電、目標(biāo)跟蹤

傳統(tǒng)光電控制模式中的功率平滑輸出、計(jì)劃輸出以及負(fù)荷填谷削峰控制均屬于調(diào)頻和發(fā)電自動(dòng)控制運(yùn)行模式。[2]

四、風(fēng)、光、儲(chǔ)發(fā)電儲(chǔ)能的平抑控制

（一）單一平抑風(fēng)、光發(fā)電輸出波動(dòng)的方法

當(dāng)前，平抑風(fēng)、光、儲(chǔ)發(fā)電功率及輸出最簡(jiǎn)單且最普遍的方法便是加裝低通濾波器。低通濾波器是由電容器、電阻等零部件共同組成的濾波電路，其主要通過(guò)控制不同頻率電波來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的目的。

需要注意的是，雖然風(fēng)、光發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)加裝低通濾波器在一定程度上平抑電力輸出，但其實(shí)際操作難度普遍較高。例如在設(shè)定時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員不僅需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際狀況來(lái)進(jìn)行操作，同時(shí)還要在低通濾波器中加入慣性的時(shí)間參數(shù)，并結(jié)合PI技術(shù)（第二代智能并聯(lián)技術(shù)）進(jìn)行控制。[3]

當(dāng)前，隨著風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)的不斷升級(jí)與濾波器的不斷更新，適用于風(fēng)、光發(fā)電輸出波動(dòng)平抑的濾波器的種類(lèi)不斷增多。以平均滑動(dòng)濾波器為例，其主要采用兩極小波段濾波形式對(duì)風(fēng)、光發(fā)電輸出進(jìn)行平抑。此類(lèi)濾波平抑設(shè)備不僅綜合性能強(qiáng)，同時(shí)還具有降低噪聲的功能。

（二）增設(shè)約束條件的平抑方法

事實(shí)上，風(fēng)、光、儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)非常復(fù)雜，僅使用濾波器是無(wú)法完全滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)平抑輸出的需要的。因此，技術(shù)人員在濾波器平抑的基礎(chǔ)上增設(shè)了相應(yīng)的約束條件，從而進(jìn)一步提高了平抑效果。與此同時(shí)，技術(shù)人員以控制有功功率達(dá)到最小波動(dòng)為目的，建立了儲(chǔ)能充放電模型，該模型能夠充分滿(mǎn)足各約束條件下系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量以及充放電控制等方面的需求。由于儲(chǔ)能約束條件中包含發(fā)電開(kāi)環(huán)控制的策略，為防止在控制過(guò)程中發(fā)生預(yù)測(cè)誤差等情況，技術(shù)人員又在系統(tǒng)中增加了預(yù)測(cè)模型控制功能，以有效增強(qiáng)平抑風(fēng)光發(fā)電輸出的效果。此外，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)在對(duì)風(fēng)、光發(fā)電輸出波動(dòng)進(jìn)行平抑時(shí)容易發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電的情況，系統(tǒng)采用了一種能夠反饋儲(chǔ)能電荷實(shí)際狀態(tài)的算法。這些約束條件還能在濾波的基礎(chǔ)上，依據(jù)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行濾波常數(shù)，研究出蓄能能量與風(fēng)、光發(fā)電的波動(dòng)關(guān)系，并以此確定儲(chǔ)能電池優(yōu)化能量與功率計(jì)算的方法。

（三）預(yù)測(cè)功率和智能平滑控制的方法

除上述平抑控制方法外，很多研究機(jī)構(gòu)還在風(fēng)、光發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)以及智能化控制技術(shù)等方面投入研究，從而進(jìn)一步優(yōu)化了控制效果；也有研究機(jī)構(gòu)通過(guò)在濾波器中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式的算法達(dá)到了相同的目的。還有一些研究機(jī)構(gòu)在預(yù)測(cè)風(fēng)、光發(fā)電功率的基礎(chǔ)上合理運(yùn)用協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，并根據(jù)約束功率的偏差、儲(chǔ)能容量以及功率充電模型等信息，逐步實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能充電、放電最小次數(shù)和最大剩余電量的優(yōu)化。研究機(jī)構(gòu)通過(guò)改進(jìn)蓄能公差控制方法、增加自適應(yīng)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)功能等方式，極大地改善了風(fēng)、光發(fā)電的峰谷平抑效果。

而針對(duì)風(fēng)、光發(fā)電輸出波動(dòng)目標(biāo)的平抑，研究機(jī)構(gòu)普遍采用設(shè)定目標(biāo)函數(shù)的方法。該函數(shù)主要根據(jù)短期的光電、風(fēng)電預(yù)測(cè)值，以及風(fēng)、光發(fā)電功率的預(yù)測(cè)值來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)行計(jì)劃，從而達(dá)到系統(tǒng)實(shí)際輸出功率同計(jì)劃輸出功率基本一致的效果。隨后，研究機(jī)構(gòu)便可以通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)能功率以及儲(chǔ)能容量的約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化控制。[4]

五、多種儲(chǔ)能技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用

在風(fēng)、光、儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以同多種儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。但在使用多種儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)時(shí)，每一種儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置必須能夠兼容其他系統(tǒng)。同時(shí)，考慮風(fēng)電、光電具有一定的隨機(jī)性，本文建議研究機(jī)構(gòu)采用基于機(jī)會(huì)約束的儲(chǔ)能聯(lián)合規(guī)劃方法，將儲(chǔ)能設(shè)備的電池和超級(jí)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而補(bǔ)償風(fēng)電、光電輸出過(guò)程中產(chǎn)生的波動(dòng)。此外，該方法還具有降低儲(chǔ)能裝置成本、實(shí)現(xiàn)功率匹配最優(yōu)化、保持功率輸出特性曲線(xiàn)的平滑等優(yōu)勢(shì)。大量配置儲(chǔ)能的應(yīng)用結(jié)果足以證明，其應(yīng)用效果明顯優(yōu)于余量并網(wǎng)以及低頻并網(wǎng)的方法。同時(shí)，其儲(chǔ)能設(shè)施的壽命多在10年左右，且在多種儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行模式中，鋰電池與超級(jí)儲(chǔ)能電池的組合形式最為經(jīng)濟(jì)，其效益也最高。因此，單從經(jīng)濟(jì)性考慮，采用該組合形式來(lái)平抑風(fēng)、光、儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電輸出時(shí)的波動(dòng)具有良好的發(fā)展前景。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行系統(tǒng)中，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行整合能夠在很大程度上平抑風(fēng)、光發(fā)電輸出時(shí)的波動(dòng)性，從而減少風(fēng)、光發(fā)電在并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。本文通過(guò)多種儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的方式，進(jìn)一步發(fā)揮出各儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，并有效延長(zhǎng)了綜合儲(chǔ)能裝置的使用壽命。因此，為真正實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能設(shè)施的完美融合，基于多種儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制將是今后研究的重點(diǎn)。