寧夏新能源研究院(有限公司)■ 趙斌 王耀賢
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,近年來發(fā)展迅速。按照國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,到2015年風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1億kW。截至2013年12月,我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到7548萬kW,同比增長24.5%,風(fēng)電裝機(jī)容量居全球之首。如此大規(guī)模的風(fēng)電裝機(jī)容量卻由于并網(wǎng)問題制約著我國風(fēng)電的健康發(fā)展。2013年全國風(fēng)電棄風(fēng)電量約150億 kWh,出現(xiàn)如此巨大的棄風(fēng)電量[1],一方面是由于我國電網(wǎng)建設(shè)滯后,新建風(fēng)電場并網(wǎng)困難;另一方面是由于電網(wǎng)負(fù)荷曲線與風(fēng)力發(fā)電不一致,電網(wǎng)調(diào)度停機(jī)造成。而鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)可平滑風(fēng)電場功率輸出,緩解棄風(fēng)問題。本文依據(jù)風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定,重點(diǎn)研究儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑化的技術(shù),設(shè)定平滑化定量計(jì)算規(guī)則,并給出最終統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。
風(fēng)電場大規(guī)模的并網(wǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也帶來一些新問題[2,3],主要有以下幾點(diǎn):
1)風(fēng)電的隨機(jī)性、不可控性、布局的限制性給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來困難;
2)風(fēng)電大規(guī)模聚集發(fā)展使局部電網(wǎng)的調(diào)峰問題更加突出,對(duì)調(diào)峰容量和響應(yīng)速度都提出了更高的要求;
3)風(fēng)電機(jī)組易引起電網(wǎng)電壓和功率波動(dòng)問題,以及由其帶來的無功電壓控制和電能質(zhì)量問題。
風(fēng)力發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性與電力系統(tǒng)調(diào)度實(shí)時(shí)平衡之間的矛盾,使并網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)需通過常規(guī)電源的調(diào)節(jié)或儲(chǔ)能系統(tǒng)來平衡。而鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)環(huán)境友好、能量密度高,可作為風(fēng)電場的儲(chǔ)能系統(tǒng),彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)給電網(wǎng)帶來的各類影響,提高風(fēng)電場功率預(yù)測的準(zhǔn)確性,保障風(fēng)電的可信度,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
大容量鋰離子電池在風(fēng)電場中的作用[4,5]主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
1)平滑風(fēng)力輸出。按照《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,抑制風(fēng)電的短期波動(dòng)(1 min級(jí)波動(dòng)小于10%,10 min波動(dòng)小于33%)和長期波動(dòng)(小時(shí)級(jí)別),從而增加風(fēng)電輸出的穩(wěn)定性。
2)計(jì)劃發(fā)電。依據(jù)風(fēng)電場計(jì)劃的出力曲線,控制儲(chǔ)能系統(tǒng),使風(fēng)電場總體功率輸出盡可能接近計(jì)劃出力曲線,增加風(fēng)電場功率輸出的穩(wěn)定性。
3)削峰填谷。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷特性,在負(fù)荷低谷期儲(chǔ)存多余的風(fēng)電,同時(shí)還可從電網(wǎng)吸收電能;在負(fù)荷高峰期釋放儲(chǔ)存的電能,從而減少電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差,降低電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān)。
4)儲(chǔ)存電能。在需要時(shí)將儲(chǔ)存的電能供負(fù)荷使用,根據(jù)其條件不同所需儲(chǔ)能電池的系統(tǒng)功率和容量也不同,為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電功能需要配置的儲(chǔ)能電池的功率和容量較大。
本文將內(nèi)蒙古某49.5 MW風(fēng)電場配置6.5 MW/2.65 MWh鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)作為研究對(duì)象,采集風(fēng)電場、儲(chǔ)能系統(tǒng)出力數(shù)據(jù),對(duì)比分析有儲(chǔ)能系統(tǒng)與無儲(chǔ)能系統(tǒng)下風(fēng)電場的波動(dòng)特性,分析鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場短期波動(dòng)的平滑效果。
儲(chǔ)能系統(tǒng)由3套2 MW/815 kWh和1套0.5 MW/204 kWh鋰離子集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。2 MW系統(tǒng)包括1套40英寸(101.6 cm)鋰離子電池集裝箱、1套40英寸PCS集裝箱、2臺(tái)35 kV電壓等級(jí)1 MVA容量的箱式變壓器;0.5 MW系統(tǒng)由1套35英寸(88.9 cm)集裝箱、1臺(tái)35kV電壓等級(jí)0.6 MVA容量的箱式變壓器組成,每套系統(tǒng)通過PCS(功率變換器)完成直交流變換由升壓變壓器升至35 kV后,通過電纜匯集至電纜分支箱,再由電纜分支箱以一路電纜出線接入升壓站35 kV母線上。BMS(電池管理系統(tǒng))采集鋰電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù),PCS控制對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電,控制系統(tǒng)采集PCS、BMS狀態(tài)信息、風(fēng)場秒級(jí)功率數(shù)據(jù),并下發(fā)相關(guān)控制指令,如圖1所示。
圖1 鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意圖
采集一天風(fēng)電場功率數(shù)據(jù),分別以1 min、10 min為分析周期,計(jì)算風(fēng)電場的波動(dòng)率;參考《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,統(tǒng)計(jì)出1 min波動(dòng)和10 min波動(dòng)分別大于10%、33%的數(shù)據(jù),計(jì)算某一天波動(dòng)率的遵守率(指在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),波動(dòng)率超過規(guī)定范圍的點(diǎn)占全部統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)計(jì)算點(diǎn)的比率),進(jìn)而統(tǒng)計(jì)某月的遵守率,最后統(tǒng)計(jì)1年內(nèi)風(fēng)電場的遵守率。具體的計(jì)算規(guī)則如下文所示。
3.2.1 有功電力變化量(1 min)
根據(jù)以下步驟計(jì)算出1 min的有功電力變化量。
1)T1(在圖2為第240 s)作為基準(zhǔn)時(shí)間,選定從這點(diǎn)起1 min后的時(shí)間T2(在圖2中為第300 s)。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)合計(jì)為60點(diǎn)。
2)區(qū)間T1~T2的發(fā)電電力最大值P1max、最小值Pmin從測試數(shù)據(jù)中抽出,差值ΔP=P1max–Pmin定義為1 min的有功電力變化量。
式(1)中,ΔP(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠的1 min功率變化值; P1max(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠1 min內(nèi)最大功率值; Pmin(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠1 min內(nèi)最小功率值。
3)更新 1 s基準(zhǔn)時(shí)間 T′1、T′2(在圖 2 中分別為第241 s、301 s),利用步驟1)、2)計(jì)算出有功電力變化量。重復(fù)操作這個(gè)過程直到算出全區(qū)間的有功電力變化量。
圖2 風(fēng)電場風(fēng)功率波動(dòng)曲線圖
3.2.2 有功電力變化量(10 min)
根據(jù)以下步驟計(jì)算出10 min的有功電力變化量。
1)T1(在圖2中為第240 s)作為基準(zhǔn)時(shí)間,選定從這點(diǎn)起10 min(600 s)后的時(shí)間T3(在圖2中為840 s)。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)合計(jì)為600點(diǎn)。
2)區(qū)間T1~T3的發(fā)電電力最大值P2max、最小值 P′min從測試數(shù)據(jù)中抽出,差值 ΔP′=P2max–P′min定義為10 min的有功電力變化量。
式(2)中,ΔP′(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠的10 min功率變化值;P2max(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠10 min內(nèi)最大功率值; P′min(WT+Lib)為風(fēng)儲(chǔ)電廠10 min內(nèi)最小功率值。
3)更新1 s基準(zhǔn)時(shí)間T′1、T′3(在圖2中為第241 s,841 s)、利用步驟1)、2)計(jì)算出有功電力變化量。重復(fù)操作這個(gè)過程直到算出全區(qū)間的有功電力變化量。
從控制系統(tǒng)內(nèi)存中讀取記錄數(shù)據(jù),主要有風(fēng)電場每秒功率輸出PWT、鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)每秒功率輸出PLib、風(fēng)電場總功率輸出PTotal,繪制3條曲線圖表,如圖3所示。
圖3 風(fēng)電平滑化曲線圖
配置鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)后,風(fēng)電場的有功出力變得更加平滑,降低了風(fēng)電場出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。經(jīng)過1個(gè)月的長時(shí)間運(yùn)行,經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算風(fēng)電場1 min遵守率由95.52%增加到99.86%,10 min遵守率由98.05%增加到99.57%。
風(fēng)電場配備鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場輸出功率的穩(wěn)定性具有重要作用[6,7],為了提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力,尋找適合瞬時(shí)平滑風(fēng)電場出力的儲(chǔ)能技術(shù),對(duì)鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場的應(yīng)用進(jìn)行研究是當(dāng)前迫切需要的。
本文以內(nèi)蒙古某49.5 MW風(fēng)電場配置鋰離子儲(chǔ)能裝置后,風(fēng)電場遵守率的變化情況為例,為未來大規(guī)模推廣儲(chǔ)能系統(tǒng)、保證電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供了新的技術(shù)支持。
[1]史正軍,李勇 . MW級(jí)電池儲(chǔ)能站在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 10(2): 252-254.
[2]孔令 ,廖麗瑩.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣開關(guān), 2008, 2(5): 61-64.
[3]賈宏新,張宇,王育飛,等. 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 可再生能源, 2009, 27(6): 10-15.
[4]張文亮,丘明,來小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(7): 1-8.
[5]李建華.基于 離子電池的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的研究[J].科技傳播,2013, 10(1): 74-76.
[6]程時(shí)杰,文勁宇,孫海順.儲(chǔ)能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電氣應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用, 2005, 24(4): 5-6.
[7]靳文濤,馬會(huì)萌,謝志佳.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率控制策略重點(diǎn)理論研究[J].電力建設(shè), 2012, 33(7): 7-9.