基于光伏混合儲能的配置策略研究

鄭 浩，徐波豐，謝麗蓉，任榮榮，張革榮

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)光儲分室，新疆 烏魯木齊 830047；3.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

近年來，我國的太陽能光伏發(fā)電增長迅速，然而大規(guī)模的光伏并網(wǎng)，其不確定性、波動性、隨機(jī)性的特點(diǎn)容易造成棄光，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性[1，2]。以新疆為例，到2017年底，新疆棄光量達(dá)到22.9億kW·h時，棄光率高達(dá)22%。因此，加入大規(guī)模儲能系統(tǒng)對平抑光伏功率波動，減少棄光量，是一種比較有效的方法。

文獻(xiàn)[3-5]提出使用超級電容與蓄電池混合儲能的方法對功率波動進(jìn)行平抑。文獻(xiàn)[6]介紹了一種氫儲系統(tǒng)對光伏功率波動進(jìn)行平抑。文獻(xiàn)[7]提出一種考慮棄光的光儲聯(lián)合電站輸出功率的控制策略，并采用遺傳算法對儲能系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，確定優(yōu)化后的儲能系統(tǒng)輸出功率。文獻(xiàn)[8]考慮棄光損失，提出一種以儲能系統(tǒng)全壽命周期凈現(xiàn)值最大化為優(yōu)化目標(biāo)的儲能系統(tǒng)容量配置方法。文獻(xiàn)[9]通過對電源調(diào)峰能力的分析，提出評估棄風(fēng)電量的方法。由于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage，CAES)在運(yùn)行過程中需要天然氣等傳統(tǒng)燃料的填充，而且效率較低，本文提出了以非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能的方式，文獻(xiàn)[10]提出一種含壓縮空氣儲能的新型冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了壓縮空氣儲能在冷熱電三聯(lián)供微網(wǎng)中的工作模式，對在微網(wǎng)中應(yīng)用儲能提供了新的研究思路。文獻(xiàn)[11]對非補(bǔ)燃式的壓縮空氣儲能的前景進(jìn)行了探究，為新能源在微網(wǎng)中的應(yīng)用闡述了新觀點(diǎn)。

1 光伏電站功率波動及棄光分析

1.1 光伏電站發(fā)電功率波動特性

圖1所示分別為晴天、多云、陰天、雨雪天4種天氣光伏發(fā)電功率波動特性曲線。由圖1可知，晴天時，光伏發(fā)電功率曲線發(fā)電功率波動比較平緩，多云天氣時，光伏電站發(fā)電功率波動比較大，陰天和雨雪天光伏發(fā)電功率曲線發(fā)電功率波動比較少，幅值也比較低。因此，為使光伏功率波動穩(wěn)定輸出，達(dá)到并網(wǎng)要求，需通過引入儲能系統(tǒng)參與光伏功率波動的調(diào)整。

圖1 四種天氣光伏發(fā)電功率波動特性

1.2 光伏電站發(fā)電功率棄光量分析

圖2所示為光伏發(fā)電功率棄光區(qū)域示意。國家電網(wǎng)原有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]，當(dāng)光伏發(fā)電功率不滿足并網(wǎng)

圖2 光伏發(fā)電功率棄光區(qū)域示意

要求，超過并網(wǎng)負(fù)荷要求的上限，作為棄光處理。尤其在西北地區(qū)，光電資源充足，但日負(fù)荷較低，且光伏出力曲線最大的時間段剛好是負(fù)荷需求較小的時候，此時光伏發(fā)電并不滿足并網(wǎng)要求，形成一定的棄光區(qū)域。

2 基于混合儲能的抑制波動、消納棄風(fēng)配置方案

2.1 平抑波動儲能配置方案

2.1.1并網(wǎng)目標(biāo)控制域的確定

如圖3所示，光伏電站預(yù)測功率與實(shí)際發(fā)電功率之間存在誤差，國家電網(wǎng)規(guī)定，預(yù)測功率誤差短期內(nèi)不超過預(yù)測曲線的15%。因此本文根據(jù)光伏預(yù)測功率誤差允許范圍制定了光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域，超出并網(wǎng)目標(biāo)控制域范圍的發(fā)電功率將進(jìn)行平抑波動。

圖3 光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域

2.1.2以超級電容為主、壓縮空氣為輔的平抑波動策略

利用超級電容快速充放電的特性，來平抑超出光伏并網(wǎng)目標(biāo)控制域范圍波動功率小和波動功率較大的尖端部分，并配合壓縮空氣儲能，利用壓縮空氣儲能容量大的特點(diǎn)，平抑波動功率較大的平緩區(qū)域。超級電容工作過程中，考慮到SOC在超級電容器實(shí)際運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)充放電不足的問題，需要對超級電容SOC和充放電功率進(jìn)行約束，約束條件為

Smin≤Soc(t)≤Smax

(1)

Pmin≤P(t)≤Pmax

(2)

式中，Soc(t)為t時刻超級電容的荷電狀態(tài)；Smin為最小允許荷電狀態(tài)；Smax為最大允許荷電狀態(tài)；P(t)為t時刻超級電容充放電功率；Pmin為最小允許充放電功率；Pmax為最大允許充放電功率。

2.2 壓縮空氣消納棄光儲能配置

本文采用非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能，與傳統(tǒng)壓縮空氣儲能相比，不需要天然氣等燃料填充，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的能量轉(zhuǎn)換，具有冷熱電三聯(lián)供的能力，達(dá)到并網(wǎng)要求的同時，通過釋放的熱能，滿足了一部分用戶對電能的需求。其工作原理如圖4所示，非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能在工作過程中，空氣通過壓縮機(jī)進(jìn)入，壓縮能量存儲到儲氣罐中，同時壓縮過程中產(chǎn)生壓縮熱，壓縮熱通過換熱器收集在回?zé)嵯到y(tǒng)作為備用，釋能過程中，透平機(jī)在膨脹做功的過程中產(chǎn)生少量較低溫度的能量。

圖4 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能工作原理

想要保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須依靠火電、水電進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償，若光伏出力高于全網(wǎng)負(fù)荷，則進(jìn)行消納棄光處理，若光伏出力低于全網(wǎng)負(fù)荷，則進(jìn)行火電、水電補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)平衡。某區(qū)域的并網(wǎng)平衡關(guān)系如下

Pload(t)=Ph(t)+Pw(t)+Preal(t)

(3)

式中，Pload(t)為t時刻全網(wǎng)負(fù)荷出力；Ph(t)為t時刻火電出力；Pw(t)為t時刻水電出力；Preal(t)為t時刻光伏并網(wǎng)功率。。

如圖5所示，提出一種冷熱電三聯(lián)供的配置策略，利用壓縮空氣儲能運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的能量用來供給光伏電站工作人員日常用電需求，壓縮過程中產(chǎn)生的熱能，用來室內(nèi)供暖供熱，膨脹過程中產(chǎn)生的制冷量，用于室內(nèi)制冷降溫?？紤]季節(jié)變化，天氣狀況，晝夜交替，不同的時間段對冷熱電的需求也會不同，因此，本文提出一種針對3種不同情景進(jìn)行能量分配的供給模式，并分別對3種模式供給補(bǔ)償進(jìn)行分析。

圖5 冷熱電三聯(lián)供配置模式

針對不同供給補(bǔ)償模式，具體分析如下：

2.2.1考慮季節(jié)變化

(1)夏季，由于室內(nèi)氣溫較高，用戶對制冷量的需求較大，此時，僅靠透平機(jī)膨脹做功獲得的制冷量難以維持用戶需求，需要通過制冷系統(tǒng)對回?zé)嵯到y(tǒng)的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(2)冬季，室內(nèi)溫度較低，直接利用回?zé)嵯到y(tǒng)將熱能輸送到供暖系統(tǒng)。

(3)春秋季節(jié)，沒有供暖和供冷的需求，只需要一小部分的熱能作為生活熱水的需求。

2.2.2考慮天氣狀況

(1)晴天和多云天氣，光伏出力較大，對壓縮空氣儲能運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱能回收到儲熱裝置，并根據(jù)日常需求，進(jìn)行冷熱分配。

(2)雨雪天氣，光伏出力較小，儲熱裝置并不能滿足用戶的冷熱需求，此時，需要儲能裝置進(jìn)行儲能補(bǔ)給。

2.2.3考慮晝夜交替

由于光伏出力主要集中在白天，當(dāng)晚上儲熱裝置不能滿足冷熱需求時，使用儲能裝置對熱需求進(jìn)行補(bǔ)償。

3 算例分析

以新疆某光伏電站為例，裝機(jī)容量為16 MW，圖6為光伏電站某日實(shí)際功率平抑波動和消納棄光效果圖，可以看出，平抑波動后，光伏功率曲線較為平滑，功率波動變化幅度大大減小，同時考慮當(dāng)?shù)厝肇?fù)荷曲線，對超出日負(fù)荷曲線的功率進(jìn)行儲能，有效解決了棄光現(xiàn)象。提出的以超級電容平抑波動為主，壓縮空氣儲能消納棄光為輔，兩者相互補(bǔ)充，共同作用，實(shí)現(xiàn)了很好的平抑波動和消納棄光效果，達(dá)到了并網(wǎng)要求。

圖6 平抑波動合消納棄光效果

分別選取4個典型天氣情況(夏季)進(jìn)行儲能容量的計(jì)算，得到陰天、下雨天的儲能容量為0，多云的儲能容量為2.18 MW，晴天的儲能容量為2.76 MW。由此可知，陰雨天氣，光伏出力較小，光伏發(fā)電功率并不滿足儲能要求，因此儲能容量為0，光伏出力最大的時候是在晴天，儲能容量最高為2.76 MW，小于最大儲能容量(即裝機(jī)容量的20%)，因此可以得出結(jié)論，加入儲能裝置后，儲能系統(tǒng)能夠消納所有的棄光電量。

由于本文主要考慮光伏混合儲能以平抑波動、消納棄光為主，對于壓縮空氣儲能過程中，冷熱聯(lián)供產(chǎn)生的能量相對于并網(wǎng)電量還是比較小的，用來滿足光伏電站工作人員的基本用電需求。以新疆某光伏電站為例，16 MW的光伏電站最大儲能容量為3.2 MW，在冬季可以提供熱能的面積可達(dá)3 690 m2，即使是夏季供冷面積也可達(dá)840 m2(設(shè)定光伏電站工作人員房屋覆蓋區(qū)域?yàn)? 500 m2，居住面積為800 m2)，所以本儲能系統(tǒng)在儲能過程中釋放的熱能完全能滿足該光伏電站工作人員基本的用電需求。

4 結(jié) 論

本文從平抑光伏功率波動，減少棄光量兩個方面入手，提出了一種基于超級電容-壓縮空氣混合儲能的配置策略。以超級電容平抑為主、壓縮空氣儲能平抑為輔的平抑功率策略，有效的解決了光伏并網(wǎng)的問題。以壓縮空氣儲能為主的儲能裝置，有效的解決了光伏電站棄光的問題，并利用在儲能運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，非補(bǔ)燃式壓縮機(jī)壓縮空氣產(chǎn)生的熱能和透平機(jī)膨脹過程中排除的制冷量，因地制宜，較好的解決了光伏電站工作人員的日常用電需求。