風電場儲能容量配置與評估研究

黃玲玲，符楊

上海電力學院電力與自動化工程學院，上海

　　摘要：為了經濟合理地為風電場配置儲能設備，獲得最佳的利用效率，同時滿足消耗性能源為主的電網中大型火電或核電機組的經濟運行的要求，本文結合儲能裝置每日一充一放的運行需求特點，提出了電網谷荷時段對風電場發(fā)電功率進行存儲的思路，對風電場需求的儲能裝置的容量和功率進行配置，并結合設備管理體系對配置結果進行評估。一個風電場的實際上網電量數據分析說明該方法能夠獲得較優(yōu)的綜合利用效果。

　　1.引言

　　風能是一種隨機性和間歇性的能源，風電場的有功出力隨著氣象條件，季節(jié)和每日時間段的不同而變化，有功輸出的控制能力有限，像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣根據調度指令進行發(fā)電量調節(jié)難度較大。同時，由于風電預測困難，當并網運行的風電容量不斷擴大時，對電網調峰、調頻以及電網安全穩(wěn)定帶來了嚴重的影響[1-3]。為了解決大規(guī)模風電并網的問題，除了分析電網最大穿透功率、建立相應容量的備用電源和調節(jié)設備之外，電力儲能裝置為其提供了新的解決方案。

　　目前已經有多種儲能技術被用應用于風力發(fā)電系統(tǒng)之中，如飛輪儲能、電池儲能、超級電池儲能及超導儲能等。各種儲能技術由于工作原理不同，使其從功率、容量、工作環(huán)境以及充放電時間特性上都存在較大的差異。文獻[4-6]表明，儲能裝置能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩，提供系統(tǒng)暫態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性；文獻[7]設計了神經網絡控制器來調節(jié)儲能裝置的有功功率和無功功率，能夠保證無功功率輸出的合理和最優(yōu)。

　　但是儲能裝置的最終目標還是為了實現有功功率在時間上的控制。因此，本文從儲能裝置對風電場有功出進行調節(jié)的角度出發(fā)，不考慮諸如調壓和無功控制等其它功能。

　　國內風電場主要是由發(fā)電集團和能源公司投資或持股，風電場業(yè)主作為獨立的經濟實體，在進行儲能容量配置時，除了要滿足電網的并網標準的要求之外，還需要進行經濟性分析。在當前4類風電場上網電價的政策下，風電場配置儲能設備意味著投資的增加，儲能設備容量越大，投資增加的越多，對風電場的經濟效益影響也就越大。因此，經濟合理地為不同容量的風電場配置儲能設備，既不造成儲能設備的浪費，又不因儲能容量不足而未達到儲能的預期效果，是風電場配置儲能設備需要解決的一個關鍵問題。

　　本文結合電網的有功調節(jié)需求和風電場有功功率輸出的特點，從風電場的角度出發(fā)，滿足儲能裝置每日一充一放的運行需求，以風電場配置的儲能設備利用率最優(yōu)為目標，對儲能設備的功率和容量進行選擇。并通過實際風電場有功出力特性，對該方法指導下儲能設備的利用率進行評估。

　　2.電網對風電場有功出力的要求

　　目前已經投運的大型風電場基本都采用最大風能捕捉的控制策略。因此，風電場輸出的有功功率受風速和天氣的影響很大，表現出明顯的波動特定。圖1所示為某風電場典型并網日有功功率曲線。

　　為了減少風電功率波動性對電網運行的影響，儲能設備被引入進行風電功率的平滑，以減少對系統(tǒng)有功–頻率的影響。以圖2為例，通過對儲能功率Pb的控制，可以較好地實現對并網有功功率Pout進行控制[8]。

　　從圖2可以看出，風電場向電網輸送的功率為：

　　實際上，風電場的并網運行還需要考慮其他因素。電力調度在安排發(fā)電機組時，要保證高峰負荷可風電后，在高峰負荷時，即使風電場此時滿發(fā)，只要壓低其它一些機組出力，便可以保證電網頻率合格；靠供電，并留有一定事故、負荷備用；負荷低谷時通過調峰壓出力保證頻率合格[9]。電網接入相當容量的但是在負荷低谷時，本地風電場有功輸出較大時，對電網中其它常規(guī)能源電廠來說，相當于擴大了電網的峰谷差。因此，谷荷狀態(tài)下，風電場有功功率輸出較大時對電網影響更大。

　　以上海市地區(qū)為例，上海市地區(qū)2010年全年最大負荷為26212.5MW，全市最小負荷8251.1MW，上海市地區(qū)當地發(fā)電廠全年最大發(fā)電功率為17764.1MW，最小發(fā)電功率為5813.5MW。上海市電網2010年底裝機容量構成與分布如圖3所示[10]。

　　從圖3和上述數據可以看出，上海市電網配置有相當容量的發(fā)電設備，負荷消耗的電能主要來源于火力發(fā)電機組。而且新增的火電發(fā)電機組越來越呈現大容量化的趨勢。為了解決電網日益發(fā)展，峰谷差增大的問題，原本承擔基荷的一些大容量火電機組或核電機組，開始降低負荷運行或停機以滿足調峰填谷的要求。為了提高大容量機組的運行效益，在負荷低谷時期，要保證火電機組的最小技術出力，就必須限制風電場的上網電量。

　　因此，對于大型火電或核電承擔主要發(fā)電負荷的地區(qū)來說，風電場配置的儲能設備應具備以下特點：

　　1)儲能設備的容量應能滿足風電場在谷荷時段發(fā)電量充分存儲的要求；

　　2)為了能夠對谷荷時期風電場發(fā)電功率的充分存儲，儲能設備的電能存儲時間至少在數小時以上；

　　3)若需要平滑風電場有功出力，儲能設備還需要具備相應快速放電的能力。

　　隨著技術的發(fā)展，儲能電池可以較好地滿足上述三點要求。

　　3.風電場儲能電池的配置

　　交流電能不能直接存儲，但是可以通過電磁變化、電化學變化、動能或勢能轉化后進行存儲。每一個儲能系統(tǒng)都包含一個電能轉化的設備[11]。因此，儲能系統(tǒng)的容量通常包含兩個方面的：一個是儲能設備的容量，即儲能裝置能夠存儲的電能量的多少，另一個是儲能系統(tǒng)的功率，即電能量能夠被存儲或釋放的速度，這個主要取決于能量轉換裝置的最大轉換速率，同時也受電池自身反應速率的影響。這兩個參數之間可以通過儲能設備的充電時間或放電時間構成聯(lián)系，即

　　3.1.容量ES的計算

　　儲能電池的容量Es表示電池最大的充放電能力，但是為了提高儲能電池的使用壽命，通常不采用滿充滿放的方式，選擇合適的放電深度(DOD)能夠提高儲能電池的使用壽命。容量(Ahthroughput)和充放電次數(Cyclestofailure)是兩個常用的表征電池使用壽命的參數。圖4是儲能電池充放電次數、安時吞吐量與放電深度之間的曲線關系[12]。從圖4中可以看出，選擇50%的DOD可以獲得較優(yōu)的儲能電池使用壽命。

　　根據上文所述，為了改善在電力系統(tǒng)谷荷時期大容量火電機組的效率，應盡量減少谷荷時期風電場上網的電量。因此，儲能電池的容量Es可以根據風電場平均谷時發(fā)電量確定。但是，風能的間歇性和波動性，使得風電場每日和每時的有功功率都存在差異，為了提高儲能電池的利用效率，應該從數據統(tǒng)計的角度，結合風電場多年的運行數據進行計算：

　　3.2.額定功率PS

　　常用的電池儲能系統(tǒng)(BES)如圖5所示[13]。通過變換器控制系統(tǒng)對交直流變換器的控制可以實現對儲能電池組以不同大小的功率進行充放電，甚至可以如風電機組進行最大風能捕捉一般，追蹤風電場輸出功率的變化進行連續(xù)性控制。但是，由于變換器電力電子器件的限制，整個電池儲能系統(tǒng)具有功率上限，即只能工作于Ps.max以下。從目前的電力電子變換器系統(tǒng)來看，交直流變換器在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，通常取10%的裕量，即

　　儲能電池的額定功率越大，相應的其價格也越高，為了充分利用儲能設備并保證其經濟性，本文中儲能設備的額定功率按式(5)的約束取風電場谷時概率最大發(fā)電功率。

　　4.應用效果評估

　　為了對上述方法的應用效果進行分析，這里結合企業(yè)管理體系設備利用指標對風電場中配置的儲能電池的設備利用率進行評估[14,15]。主要有：

　　1)設備時間利用率：每年度設備實際使用的時間占計劃用時的百分比，是指設備的使用效率。由于文中采用風電場儲能電池每日一充一放的使用規(guī)則，因此，這里采用設備時間利用率評估儲能設備能夠被充分利用的時間百分比，即：

　　5.算例分析

　　為驗證所提出算法的有效性，以上海某16.5MW風電場為應用對象，結合該風電場2008~2009年的發(fā)電量數據，按照上述方法進行儲能電池容量配置，并評估儲能電池的利用率。

　　圖6為該風電場2008~2009年峰谷上網電量比數據。從中可以看出該風電場峰谷上網電量比基本在2:1~3:1之間，一天24小時中風資源分布較為均勻，電網處于峰荷時期風資源稍好。

　　圖7為該風電場2008~2009年谷時輸出有功功率百分比分布圖。從圖7可以看出，該風電場谷時有功出力為0~5MW之間的情況占全年的60%以上。

　　結合上文算法，為風電場配置5MW/30MWh儲能設備。表1為風電場各種儲能配置應用效果對比數據和谷時有功出力統(tǒng)計圖。

　　表1可以看出，風電場配置的儲能設備容量越大，風資源的利用率越高，但是設備利用率越低，反之配置的儲能設備越小，風資源的利用率越低，但是設備的利用率就越高。應該根據實際需求綜合評定。

　　本文提出的算法對風電場儲能設備Es和Ps進行配置的結果可以綜合風資源利用率和設備利用率兩個方面，得到一個相對較優(yōu)的利用效果。

　　6.結論

　　1)本文針對目前電網火電裝機比例較大的特點，分析得到風電場配置儲能設備容量主要受谷荷時段大型火電機組最小技術出力約束。

　　2)本文提出的谷荷時段對風電場發(fā)電量進行存儲，其它時段可以根據需要進行功率調節(jié)的思路，符合目前許多風電場對儲能裝置每日一充一放的需求。

　　3)本文采用有功功率統(tǒng)計的方法對風電場進行儲能設備容量和功率的選擇配置，適用于已投運的風電場，對于規(guī)劃或建設中的風電場可以擴展為風功率統(tǒng)計的方法。一個具體風電場實際上網電量和有功功率數據說明，該方法能夠獲得較優(yōu)的風資源和儲能設備綜合利用效果。

　　參考文獻 (References)

　　[1]張伯明, 吳文傳, 鄭太一, 孫宏斌.消納大規(guī)模風電的多時間尺度協(xié)調的有功調度系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)自動化, 2011, 1:1-6.

　　[2]李強, 袁越, 李振杰, 王偉勝, 魯華永.考慮峰谷電價的風電–抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)能量轉化效益研究[J].電網技術, 2009,6: 13-18.

　　[3]孫元章, 吳俊, 李國杰.風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J].電網技術, 2007, 31(20): 55-62.

　　[4]韓濤, 盧繼平, 喬梁等.大型并網風電場儲能容量優(yōu)化方案[J].電網技術, 2010, 34(1): 169-173.

　　[5]樊冬梅, 雷金勇, 甘德強.超導儲能裝置在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性中的應用[J].電網技術, 2008, 30(18): 82-86.

　　[6]吳晉波, 孫海順, 文勁宇等.利用儲能技術實現交流互聯(lián)電網分區(qū)解耦控制的可行性研究[J].中國電機工程學報, 2011,30(16): 8-13.

　　[7]鄭麗, 馬維新, 李立春.超導儲能裝置提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究[J].清華大學學報(自然科學版), 2001, 41(3): 73-76.

　　[8]S.S.G.Jayasinghe.Direct integration of battery energy storage systems in distributed power generation.IEEE Transactions on Energy Conversion, 2011, 26(2): 677-685.

　　[9]國家電力調度通信中心.電網調度運行實用技術問答[M].北京: 中國電力出版社, 2003.

　　[10]上海市電力公司市場交易信息網站[URL].sd.sh.sgcc.com.cn

　　[11]張文亮, 丘明, 來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網技術, 2008, 32(7): 1-9.

　　[12]H.Bindner, T.Cronin, P.Lundsager, J.F.Manwell, U.Abdul-wahid and I.Baring-Gould.Lifetime modelling of lead acid batteries, 2005.

　　[13]李建林, 胡書舉, 付勛波等.適合直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)的 DRC 混合箝位變流器研究[J].電力自動化設備, 2009, 29(1): 89-93.

　　[14]保羅·薩繆爾森.經濟學[M].北京: 人民郵電出版社, 2004.[15]金占明.企業(yè)管理學[M].北京: 清華大學出版社, 1995.