電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響

袁 越，張新松，傅質(zhì)馨

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇南京 210098)

隨著環(huán)境污染的日益加劇及化石燃料的逐漸枯竭，風(fēng)電作為一種可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源受到了越來越多的重視。中國(guó)政府計(jì)劃在中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃期間(2011—2015年)將風(fēng)電裝機(jī)容量增加至1億kW。然而，與常規(guī)能源發(fā)電機(jī)組不同，風(fēng)電場(chǎng)出力由隨機(jī)風(fēng)速?zèng)Q定，是一種典型的間歇性、波動(dòng)性能源，其對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不如同容量的常規(guī)發(fā)電機(jī)組。通過對(duì)RBTS可靠性測(cè)試系統(tǒng)［1］的研究發(fā)現(xiàn)，90 MW的風(fēng)電機(jī)組對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)僅相當(dāng)于原系統(tǒng)中1臺(tái)10 MW的常規(guī)發(fā)電機(jī)組［2］。當(dāng)然，這一替代率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂處的平均風(fēng)速及其參數(shù)均有密切的關(guān)系。

20世紀(jì)80年代以來，歐、美國(guó)家普遍意識(shí)到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。眾多的BESS試驗(yàn)工程在世界范圍內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)，并取得良好的效益［3-4］。如位于美國(guó)加州奇諾的BESS(容量為40 MW·h;最大充、放電功率為10MW)試驗(yàn)工程成功運(yùn)行了10 a(1988—1997年)，該工程被成功地應(yīng)用于提供快速備用、抑制低頻震蕩、電壓控制、頻率控制等方面。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍意識(shí)到風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來巨大的挑戰(zhàn)［5］，如降低系統(tǒng)可靠性、增加系統(tǒng)運(yùn)行成本、惡化電能質(zhì)量等。此時(shí)，學(xué)者們開始探討如何利用BESS靈活的充、放電能力平滑風(fēng)功率波動(dòng)［6-8］、改善風(fēng)功率間歇性，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的可調(diào)度［9-10］。

我國(guó)于2010年啟動(dòng)的國(guó)家科技支撐計(jì)劃“風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程關(guān)鍵技術(shù)研究”也開始著手研究數(shù)十兆瓦級(jí)的BESS集成技術(shù)，并將其應(yīng)用于可再生能源發(fā)電并網(wǎng)工程。與此同時(shí)，加拿大著名學(xué)者Billinton領(lǐng)導(dǎo)的研究小組嘗試將儲(chǔ)能裝置接入到風(fēng)電場(chǎng)，并借助蒙特卡洛模擬技術(shù)分析其對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)［11-12］。Bagen等［11］將BESS接入包含風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的孤立電力系統(tǒng)，并研究不同容量的BESS對(duì)孤立系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)。研究表明，BESS可有效提升孤立系統(tǒng)的可靠性，且BESS容量越大，可靠性的提升效果越明顯。Hu等［12］研究了風(fēng)電接入后，BESS對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，指出BESS可有效提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。此外，文獻(xiàn)［12］還提出幾種不同的BESS運(yùn)行策略，并對(duì)比了不同策略下的發(fā)電系統(tǒng)可靠性提升效果。但是在上述研究工作中沒有明確指明儲(chǔ)能裝置的類型，且?guī)缀鯖]有考慮儲(chǔ)能裝置的特性。

為改善風(fēng)電的間歇性，筆者嘗試將BESS接入到風(fēng)電場(chǎng)的匯流母線，并利用序貫蒙特卡洛模擬技術(shù)(SMCS)評(píng)估其對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)。并用電力不足期望(ELOLE)與電量不足期望(ELOEE)2個(gè)常用指標(biāo)衡量發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。為充分利用BESS有限的充、放電循環(huán)壽命，任何不完整的充、放電循環(huán)在電池運(yùn)行過程中均被嚴(yán)格限制。基于RBTS可靠性測(cè)試系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明:BESS可以在不顯著消耗循環(huán)壽命的情況下，有效提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，即BESS在提高發(fā)電系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，仍有足夠的能力用于平滑風(fēng)電波動(dòng)［6-8］、調(diào)度風(fēng)功率［9-10］。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及其運(yùn)行策略

為提高并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，將BESS通過雙向功率變換器接入到風(fēng)電場(chǎng)的匯流母線，構(gòu)建了如圖1所示的風(fēng)儲(chǔ)混合電站。圖1中Pw為風(fēng)儲(chǔ)混合電站中的風(fēng)電輸出功率，Pb為BESS的充、放電功率(電池放電時(shí)，Pb為正值，反之為負(fù)值)，Pd為風(fēng)儲(chǔ)混合電站向發(fā)電系統(tǒng)注入的功率。需要指出，本文中Pb并不局限于風(fēng)速，因此Pd可能為負(fù)值，即整個(gè)風(fēng)儲(chǔ)混合電站可能會(huì)從發(fā)電系統(tǒng)吸收功率。

BESS的使用壽命可用其生命周期內(nèi)總的充、放電循環(huán)次數(shù)來衡量，其與最大放電深度、環(huán)境溫度以及充、放電速度均有密切的關(guān)系［3］。文獻(xiàn)［13］指出:當(dāng)BESS放電深度為20%時(shí)，壽命為4 200次充、放電循環(huán);當(dāng)其放電深度增加到80%時(shí)，壽命下降為2000次充、放電循環(huán)。此外，過大的放電深度可能對(duì)BESS造成永久性的傷害，并顯著降低其使用壽命［14］。因此，參照美國(guó)加州奇諾 BESS試驗(yàn)工程的成功經(jīng)驗(yàn)，本文BESS的最大放電深度設(shè)為80%，與之對(duì)應(yīng)的BESS荷電率(SOC)為0.2。此外，為避免過快的充、放電速度對(duì)BESS造成傷害，利用功率變換器對(duì)BESS的充、放電功率進(jìn)行嚴(yán)格控制。若電池在t時(shí)刻處于放電狀態(tài)，為避免過度放電，其最大允許放電功率為

圖1 風(fēng)儲(chǔ)混合電站示意圖Fig.1 BESSincorporated into wind farm

若t時(shí)刻電池處于充電狀態(tài)，為避免過度充電，其最大充電功率為

式中:Pbm——BESS的最大充、放電功率;St-1——t-1 時(shí)刻的荷電率;Eb——BESS 的容量;η——BESS 的充、放電效率;T——時(shí)間間隔。

BESS的運(yùn)行策略為:當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量(包含風(fēng)電)大于負(fù)荷需求時(shí)，BESS充電;當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量小于負(fù)荷需求時(shí)，BESS放電，以減小發(fā)電系統(tǒng)失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。由于BESS是一種昂貴的儲(chǔ)能裝置，為充分利用其有限的循環(huán)壽命，運(yùn)行中應(yīng)嚴(yán)格禁止BESS經(jīng)歷不完整的充、放電循環(huán)。即BESS充電時(shí)，必須充電至滿充狀態(tài)(對(duì)應(yīng)的SOC為1.0);而BESS的放電時(shí)，必須放電至設(shè)定的最大放電深度(對(duì)應(yīng)的SOC為0.2)。BESS的運(yùn)行策略見圖2。假定某時(shí)刻負(fù)荷需求大于可用發(fā)電容量，此時(shí)BESS應(yīng)放電并承當(dāng)部分負(fù)荷，從而減少切負(fù)荷量，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。但若此時(shí)BESS正處在充電狀態(tài)，且為避免不完整的充、放電循環(huán)，BESS便不能放電。顯然，這一運(yùn)行策略會(huì)影響B(tài)ESS對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)。

2 常規(guī)機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)的可靠性模型

2.1 常規(guī)機(jī)組可靠性模型

常規(guī)機(jī)組采用雙狀態(tài)模型描述，即正常運(yùn)行狀態(tài)和故障停運(yùn)狀態(tài)。機(jī)組的可用容量由其運(yùn)行狀態(tài)決定，即正常運(yùn)行時(shí)，可用容量為其額定容量;而故障停運(yùn)時(shí)，可用容量為零。機(jī)組i的運(yùn)行持續(xù)時(shí)間ti1與檢修時(shí)間ti2均服從指數(shù)分布［15］，即故障率λi和修復(fù)率μi均為常數(shù)。因此，對(duì)各機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間和檢修時(shí)間進(jìn)行抽樣的公式分別為

圖2 BESS運(yùn)行策略Fig.2 Operation strategy of BESS

式中U為區(qū)間［0，1］上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)。本文假定各常規(guī)機(jī)組的初始狀態(tài)均為正常狀態(tài)?；诟鞒Ｒ?guī)機(jī)組在模擬周期內(nèi)的時(shí)序運(yùn)行狀態(tài)抽樣結(jié)果，可求得各常規(guī)機(jī)組在模擬周期內(nèi)各時(shí)段總的可用發(fā)電容量。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)可靠模型

假定風(fēng)電場(chǎng)由N臺(tái)容量為Pr的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(WTG)組成，各機(jī)組經(jīng)匯流、升壓后接入電網(wǎng)。WTG的切入、額定及切出風(fēng)速分別為Vq，Vr及Vo，當(dāng)WTG輪轂高度處的風(fēng)速為V時(shí)，其輸出功率為［16］

與常規(guī)機(jī)組不同，WTG的輸入能源不可控，其可用發(fā)電容量主要由隨機(jī)風(fēng)速確定。因此，在可靠性分析中可忽略WTG本身的隨機(jī)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)可用容量的影響，即假定WTG是完全可靠的理想發(fā)電機(jī)。此外，在可靠性分析中一般認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)各WTG的輸出功率近似相同，即整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率為

由于V難以預(yù)測(cè)，因此用Weibull分布［16-17］描述其概率分布:

其中

式中:k——形狀參數(shù)，代表風(fēng)速頻譜特性，無量綱;c——尺度參數(shù)，反映平均風(fēng)速大小，m/s;Ew，σw——WTG輪轂高度處風(fēng)速的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差;?！ゑR函數(shù)。參數(shù)k，c均可由風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。

根據(jù)式(7)對(duì)V進(jìn)行抽樣后，由式(5)(6)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)風(fēng)電輸出功率的抽樣值。

3 基于SMCS的發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析

BESS的充、放電模型與常規(guī)機(jī)組可用發(fā)電容量序列均為時(shí)序模型，故本文采用SMCS技術(shù)對(duì)包含BESS與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)1 a內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上分析發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，流程如圖3所示。為保證模擬的精度，在研究周期內(nèi)需要對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行足夠次的模擬，設(shè)模擬次數(shù)為n(本文設(shè)定的最大模擬次數(shù)為106次)，并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

4 算例分析

以RBTS可靠性測(cè)試系統(tǒng)(由11臺(tái)常規(guī)機(jī)組組成，總裝機(jī)容量240 MW、最高負(fù)荷185 MW)［2］為算例，研究BESS接入對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的影響。首先，對(duì)RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行模擬，得到可靠性指標(biāo)ELOLE為1.06 h/a，ELOEE為9.43 MW·h/a。因此，RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平很高。

假定RBTS測(cè)試系統(tǒng)的最高負(fù)荷由185 MW增至210 MW，由于負(fù)荷水平的增加，測(cè)試系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)ELOLE與ELOEE分別增至7.39 h/a與82.76 MW·h/a。為確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，必須新增發(fā)電容量。當(dāng)新增發(fā)電容量為10 MW的燃?xì)鈾C(jī)組(GTG)［2］時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的變化情況如表1所示。由表1得，GTG可有效地應(yīng)對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)，確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)GTG新增容量為30MW時(shí)(3臺(tái)GTG)，系統(tǒng)的可靠性水平與RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)相當(dāng)。

假定單臺(tái)WTG的額定容量為2MW，其切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為3 m/s，12 m/s和22 m/s。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況數(shù)據(jù)采用江蘇響水風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，WTG輪轂高度處的年平均風(fēng)速為6.68 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為3.61 m/s。當(dāng)新增發(fā)電容量為WTG時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)可靠性的變化趨勢(shì)如表2所示。

圖3 SMCS流程Fig.3 Flowchart of SMCS

從表2可以看出，作為一種間歇性能源，WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不如常規(guī)機(jī)組。當(dāng)WTG新增容量增至280 MW時(shí)，ELOEE和ELOLE的數(shù)值分別為15.53MW·h/a和1.39h/a，仍顯著低于RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平。當(dāng)WTG裝機(jī)容量從0 MW增至160 MW時(shí)，對(duì)應(yīng)的ELOEE和ELOLE數(shù)值分別下降65.31 MW·h/a和5.81 h/a;而當(dāng)WTG裝機(jī)容量進(jìn)一步增至280 MW時(shí)，對(duì)應(yīng)的ELOEE和ELOLE數(shù)值僅分別下降2.1 MW·h/a和0.19 h/a。即WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)出“飽和”效應(yīng)，由此可推斷，即使繼續(xù)增加WTG裝機(jī)容量也不能有效提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。因此，在負(fù)荷增長(zhǎng)的情況下，僅靠WTG不足以確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

為改善WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，假定容量為40 MW·h的BESS接入到風(fēng)電場(chǎng)匯流母線(該 BESS最大充、放電功率為10 MW)，且BESS按照第1節(jié)提出的運(yùn)行策略運(yùn)行。不同新增WTG裝機(jī)容量下測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平如表3所示。從表3可以看出，當(dāng)新增WTG裝機(jī)容量為160 MW時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)ELOEE與ELOLE分別降至10.73 MW·h/a和0.97 h/a，基本達(dá)到了RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平。

當(dāng)BESS容量從40 MW·h增至80 MW·h時(shí)(BESS最大充、放電功率亦由10 MW增至20 MW)，不同WTG裝機(jī)容量下測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平如表3所示。此時(shí)，當(dāng)新增WTG裝機(jī)容量為100 MW時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)的ELOEE和ELOLE分別降至10.10 MW·h/a和0.83 h/a，基本達(dá)到了RBTS基本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性水平。

表1 GTG對(duì)測(cè)試系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)Table 1 Reliability contribution of GTG

表2 WTG對(duì)測(cè)試系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)Table 2 Reliability contribution of WTG

表3 含BESS的WTG對(duì)測(cè)試系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)(E b=40 MW·h，E b=80 MW·h)Table 3 Reliability contribution of WTG with BESS(E b=40 MW·h，E b=80 MW·h)

以上分析表明，按照第1節(jié)提出的技術(shù)方案將BESS接入到風(fēng)電場(chǎng)，可顯著增強(qiáng)WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的貢獻(xiàn)。且BESS容量越大，這一作用越明顯。需要指出，電池是一種昂貴的儲(chǔ)能設(shè)備，僅用其來提高WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的貢獻(xiàn)度不經(jīng)濟(jì)。從表3可以看出，由于嚴(yán)格限制了BESS不完整的充、放電循環(huán)，因此，模擬年內(nèi)電池的平均充、放電次數(shù)均不超過2次，且隨BESS容量的增加而下降。BESS在其使用周期內(nèi)可用的充、放電總數(shù)往往可達(dá)幾百乃至上千次(如美國(guó)加州奇諾BESS試驗(yàn)工程在10 a內(nèi)的總充、放電循環(huán)次數(shù)高達(dá)2000次)，也就是說BESS完全有能力在提高發(fā)電系統(tǒng)可靠性的同時(shí)完成其他的功能，如用于平滑風(fēng)功率的波動(dòng)［6-8］、實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率的可調(diào)度［9-10］等。當(dāng)然，如何協(xié)調(diào)BESS完成這些功能，是一個(gè)值得深入研究的課題，作者將在未來的研究工作中加以考慮。

5 結(jié) 語(yǔ)

為提高WTG對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，將BESS接入到風(fēng)電場(chǎng)的匯流母線。BESS在發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量大于負(fù)荷需求時(shí)充電，在發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量小于負(fù)荷需求時(shí)放電，以減小發(fā)電系統(tǒng)失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。為延長(zhǎng)BESS的使用壽命，BESS在運(yùn)行過程中嚴(yán)格限制不完整的充、放電循環(huán)。

利用SMCS技術(shù)評(píng)估BESS對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響，結(jié)果顯示，BESS可在不顯著消耗其循環(huán)壽命的前提下有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)。

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