陸 杭,姜昱昀
(國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司,浙江 杭州 311225)
隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng),風(fēng)能和光能作為主要的可再生能源得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。然而,風(fēng)能和光能具有波動(dòng)性和不穩(wěn)定性,單一的風(fēng)能或光能發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)定的電能供應(yīng)需求。因此,基于混合儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為一種有效的解決方案。混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)能和光能的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了能源的互補(bǔ)和穩(wěn)定供電。然而,該系統(tǒng)的控制策略是確保其高效運(yùn)行和優(yōu)化性能的關(guān)鍵。
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種利用風(fēng)能和光能相互補(bǔ)充的發(fā)電系統(tǒng),旨在提高能源利用效率和供電可靠性。該系統(tǒng)將風(fēng)能發(fā)電與光能發(fā)電相結(jié)合,通過(guò)充分利用風(fēng)力和光照條件,實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的互補(bǔ)運(yùn)行。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕捉風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,光伏電池組將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)則用于儲(chǔ)存多余的電能,以便在風(fēng)力和光照條件不足時(shí)可以持續(xù)供電。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電之間的互補(bǔ)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性,減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴(lài)。同時(shí),通過(guò)合理的控制策略,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化管理,以實(shí)現(xiàn)最大化的能源利用和良好的供電效果[1]。
儲(chǔ)能技術(shù)在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用。常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)包括電池儲(chǔ)能技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。電池儲(chǔ)能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存起來(lái)的技術(shù),包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。儲(chǔ)氫技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為氫能并儲(chǔ)存起來(lái)的技術(shù),包括壓縮氫氣和液態(tài)氫儲(chǔ)存。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣能并儲(chǔ)存起來(lái)的技術(shù),通常將空氣壓縮儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中,并在需要時(shí)釋放壓縮空氣以發(fā)電。在選擇儲(chǔ)能技術(shù)時(shí),需要考慮其能量密度、效率、壽命、成本以及環(huán)境等影響因素,并根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)于單一儲(chǔ)能技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠充分利用不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供更加穩(wěn)定和可靠的能量,通過(guò)在不同時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)各種儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行,滿(mǎn)足能量需求的波動(dòng)性。此外,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和靈活性,能夠根據(jù)實(shí)際情況組合和優(yōu)化各種儲(chǔ)能技術(shù)。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供可靠的能量?jī)?chǔ)存和平滑的能量輸出,以應(yīng)對(duì)風(fēng)力和光照的變化。
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由不同儲(chǔ)能技術(shù)組成,基于各儲(chǔ)能技術(shù)之間的協(xié)同作用。在系統(tǒng)組成方面,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通常包括電池組、儲(chǔ)氫設(shè)備和壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備。電池組用于儲(chǔ)存和釋放電能,通過(guò)充電和放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。儲(chǔ)氫設(shè)備用于儲(chǔ)存氫能,可以通過(guò)電解水產(chǎn)生氫氣或從外部供應(yīng)儲(chǔ)存氫氣。壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備用于將空氣壓縮儲(chǔ)存,并在需要時(shí)通過(guò)膨脹機(jī)釋放壓縮空氣以產(chǎn)生電能。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)智能控制和管理,根據(jù)電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求和能源供應(yīng)情況,協(xié)調(diào)不同儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能量?jī)?chǔ)存和利用效率。通過(guò)靈活的能量調(diào)度和優(yōu)化策略,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定和可靠的能量供應(yīng),并增強(qiáng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體性能[2]。
在控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)程中,明確優(yōu)化目標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)性能和效益至關(guān)重要。一個(gè)目標(biāo)是最大化能源利用率,通過(guò)合理調(diào)配風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的產(chǎn)能,最大化可再生能源利用率。最大化能源利用率可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)力和光照條件,動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池組的工作狀態(tài)和發(fā)電量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電,確保系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下能夠提供穩(wěn)定的電能輸出。穩(wěn)定供電可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制、調(diào)度策略和負(fù)荷平衡來(lái)實(shí)現(xiàn),以平衡風(fēng)力和光照的波動(dòng)性,確保持續(xù)供電。
風(fēng)光發(fā)電的預(yù)測(cè)和調(diào)度是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)力和光照的變化,可以利用天氣預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)模型。模型基于氣象數(shù)據(jù)和歷史記錄,通過(guò)算法分析和建模,預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)力和光照強(qiáng)度。預(yù)測(cè)結(jié)果可以提供給發(fā)電調(diào)度系統(tǒng),根據(jù)需求和優(yōu)化目標(biāo),制定合理的發(fā)電調(diào)度策略。例如,在風(fēng)力和光照充足的情況下,可以增加發(fā)電量以充分利用可再生能源;在風(fēng)力和光照不足的情況下,可以減少發(fā)電量并從儲(chǔ)能系統(tǒng)中補(bǔ)充能量,以滿(mǎn)足負(fù)荷需求[3]。
3.3.1 充放電控制
控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程是確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。在充電過(guò)程中,可以根據(jù)發(fā)電情況和負(fù)荷需求,控制充電率和充電功率。對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),可以通過(guò)光伏發(fā)電的強(qiáng)度和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)充電率。在放電過(guò)程中,可以根據(jù)負(fù)荷需求和儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余容量,控制放電率和放電功率。通過(guò)合理的充放電控制,可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效運(yùn)行,提高系統(tǒng)的能源利用效率。
3.3.2 儲(chǔ)能器容量管理
儲(chǔ)能器容量管理是確保混合儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要任務(wù)。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,儲(chǔ)能器容量的管理涉及剩余容量的估計(jì)、儲(chǔ)能器狀態(tài)監(jiān)測(cè)和容量擴(kuò)展等方面。準(zhǔn)確估計(jì)剩余容量可以避免過(guò)度充放電和容量不足的情況,可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充放電電流、電壓和儲(chǔ)能器的電量實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能器狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)電池的健康狀況、溫度和充放電效率等參數(shù),以確保儲(chǔ)能器的性能和安全。當(dāng)需要擴(kuò)展儲(chǔ)能容量時(shí),可以考慮增加儲(chǔ)能器的數(shù)量或改進(jìn)儲(chǔ)能器的設(shè)計(jì),以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。
3.3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要定期監(jiān)測(cè)和維護(hù),以確保系統(tǒng)的性能和可靠性,主要涉及關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測(cè),如儲(chǔ)能器的電壓、電流和溫度等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)運(yùn)行中的異常情況。定期維護(hù)包括優(yōu)化儲(chǔ)能器的充放電過(guò)程、清潔和檢查儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),從而確保混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持良好的性能和可靠性[4]。
為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能,綜合的整體控制策略至關(guān)重要。基于規(guī)則的控制策略可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和外部條件設(shè)定預(yù)定規(guī)則,并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。一方面,可以設(shè)定風(fēng)力和光照的優(yōu)先級(jí)和調(diào)度規(guī)則,以確保系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)化能源利用。另一方面,基于優(yōu)化算法的控制策略可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法,優(yōu)化分析風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的關(guān)系,并制定最優(yōu)的運(yùn)行策略。這可以基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型,考慮系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和負(fù)荷需求,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能和能源利用效率[5]。
(1)系統(tǒng)建模。首先,對(duì)混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的建模,考慮風(fēng)能發(fā)電裝置、光能發(fā)電裝置和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的相互作用。該建模有助于理解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。
(2)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),包括風(fēng)能發(fā)電裝置、光能發(fā)電裝置、儲(chǔ)能設(shè)備以及相應(yīng)的電力轉(zhuǎn)換和控制設(shè)備。該平臺(tái)能夠模擬實(shí)際工作條件,并允許對(duì)混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。
(3)數(shù)據(jù)采集。使用多種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)獲取系統(tǒng)各個(gè)組件的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括風(fēng)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率輸出、光能發(fā)電裝置的輻照度和發(fā)電功率、儲(chǔ)能設(shè)備的電荷和放電狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)對(duì)于后續(xù)的控制策略實(shí)施和評(píng)估非常重要。
風(fēng)光發(fā)電預(yù)測(cè)和調(diào)度是基于歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)信息,利用預(yù)測(cè)模型對(duì)風(fēng)能和光能發(fā)電的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,制定風(fēng)光發(fā)電的調(diào)度策略,以最大化系統(tǒng)的發(fā)電效益。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略如下。
(1)充放電控制。根據(jù)風(fēng)光發(fā)電的情況和電網(wǎng)需求,實(shí)施儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略。通過(guò)合理調(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電速率,以及電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量交互,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量平衡的控制。
(2)儲(chǔ)能器容量管理。采用動(dòng)態(tài)容量管理策略監(jiān)測(cè)和管理儲(chǔ)能設(shè)備的容量狀態(tài)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能器的容量,并結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行容量調(diào)度,以確保儲(chǔ)能系統(tǒng)在滿(mǎn)足需求的同時(shí)保持較高的能量利用率。
(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù),如電池的電壓、溫度等,實(shí)施對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù),有助于提高儲(chǔ)能設(shè)備的壽命和安全性。
(4)性能評(píng)估。使用一系列性能指標(biāo)來(lái)評(píng)估所提出的控制策略的效果,包括系統(tǒng)的發(fā)電效率、能量平衡度、儲(chǔ)能器的利用率等。通過(guò)與傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行比較和分析,能夠驗(yàn)證所提出的控制策略的優(yōu)越性和可行性。
(1)控制策略的有效性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,評(píng)估所提控制策略在混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的有效性,并觀察到控制策略能夠有效調(diào)節(jié)風(fēng)光發(fā)電的比例,使系統(tǒng)在不同工作條件下保持穩(wěn)定的能量供應(yīng)。
(2)性能改進(jìn)空間。通過(guò)與傳統(tǒng)控制方法的比較,進(jìn)一步探討所提控制策略的改進(jìn)空間,如進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率、減少能量損耗等。
風(fēng)能和光能的波動(dòng)性和不可控性給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和調(diào)度風(fēng)力和光照,以適應(yīng)負(fù)荷需求的變化,是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。不同儲(chǔ)能技術(shù)的集成和協(xié)同運(yùn)行也存在技術(shù)挑戰(zhàn)。如何優(yōu)化控制各種儲(chǔ)能器的充放電過(guò)程,確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效性和長(zhǎng)壽命,是一個(gè)挑戰(zhàn)。解決這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)需要綜合考慮預(yù)測(cè)算法、優(yōu)化算法、智能控制以及數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。例如,通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)風(fēng)力和光照的預(yù)測(cè)模型,提高預(yù)測(cè)精度和時(shí)間尺度,以?xún)?yōu)化發(fā)電調(diào)度策略。另外,開(kāi)發(fā)新的控制算法和策略,利用先進(jìn)的優(yōu)化方法和智能控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器的高效充放電和協(xié)同運(yùn)行,提升系統(tǒng)的能源利用效率和穩(wěn)定性。
需要對(duì)系統(tǒng)的成本、效益和投資回報(bào)進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維成本是經(jīng)濟(jì)性的主要組成部分,因此需要考慮如何降低設(shè)備和組件的成本,提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。系統(tǒng)效益包括發(fā)電量的增加、供電可靠性的提高以及電網(wǎng)支持能力的增強(qiáng)等。需要進(jìn)行成本效益分析,評(píng)估系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)可行性和收益潛力。
為提高混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,可以采取一些措施。例如,推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新,提高儲(chǔ)能器的能量密度和循環(huán)壽命,降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。此外,制定合理的政策和市場(chǎng)機(jī)制,提供財(cái)政支持和激勵(lì)措施,鼓勵(lì)混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的部署和應(yīng)用。
在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,需要充分考慮環(huán)境因素,降低碳排放和環(huán)境影響,同時(shí)需要評(píng)估系統(tǒng)的可持續(xù)性和環(huán)境效益。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,可以采取一系列措施,進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)的能效和環(huán)境友好性,減少資源消耗和環(huán)境污染。推廣清潔能源政策和可再生能源標(biāo)準(zhǔn),鼓勵(lì)和引導(dǎo)投資者和用戶(hù)采用混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),推動(dòng)可持續(xù)能源的普及和應(yīng)用。開(kāi)展環(huán)境影響評(píng)估,研究系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、土地使用和景觀等方面的影響,并采取相應(yīng)的保護(hù)和修復(fù)措施,確保系統(tǒng)的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。
混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制研究具有廣闊的發(fā)展方向和研究前景。隨著可再生能源的快速發(fā)展和應(yīng)用需求的增長(zhǎng),混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將在未來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。
未來(lái)研究重點(diǎn)可以在以下幾個(gè)方面:一是深入研究風(fēng)能和光能的預(yù)測(cè)和調(diào)度技術(shù),提高預(yù)測(cè)精度和系統(tǒng)的可調(diào)度性;二是優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略,包括充放電控制、容量管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等,以提高系統(tǒng)的能源利用效率和穩(wěn)定性;三是加強(qiáng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行研究,探索與電力市場(chǎng)和能源管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行;四是開(kāi)展新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新,如氫能儲(chǔ)存、流電池和超級(jí)電容器等,提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。
混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一種能源互補(bǔ)和供電穩(wěn)定性更高的解決方案,在可再生能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)該系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行深入研究,探討系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)、風(fēng)光發(fā)電預(yù)測(cè)和調(diào)度以及儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略和整體控制策略。通過(guò)研究案例的分析和討論,對(duì)系統(tǒng)的實(shí)施和性能評(píng)估進(jìn)行深入探索。同時(shí),針對(duì)該系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境影響等進(jìn)行綜合討論。未來(lái)可進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)能和光能預(yù)測(cè)技術(shù)的研發(fā),優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略,并加強(qiáng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行研究。通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn),混合儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有望為清潔能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。