微網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能模型與經(jīng)濟(jì)研究

2020-07-23 10:06溫彩鳳高祥雨蘇文濤謝婉冰汪建文

可再生能源 2020年7期

溫彩鳳，曹陽，高祥雨，蘇文濤，謝婉冰，汪建文

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

微網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)加裝儲(chǔ)能裝置運(yùn)行時(shí)，可以有效地抑制風(fēng)電出力的波動(dòng)，提高微網(wǎng)能量利用率和穩(wěn)定性[1]～[6]。

目前。針對(duì)微網(wǎng)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于容量配置、經(jīng)濟(jì)調(diào)度和可靠性評(píng)估等3 個(gè)方面，對(duì)系統(tǒng)綜合性評(píng)估的研究不多[7]～[10]。文獻(xiàn)[11]，[12]基于分析方法對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)各單元的損進(jìn)行了定量和定性分析，但并未考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性因素。經(jīng)濟(jì)學(xué)是兼顧熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論，該理論研究已涉及風(fēng)電領(lǐng)域。文獻(xiàn)[13] 采用經(jīng)濟(jì)分析法分析了風(fēng)電-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中風(fēng)電存儲(chǔ)能耗特性和經(jīng)濟(jì)性，并通過算例驗(yàn)證該方法的有效性；然而，并未建立合理的評(píng)估指標(biāo)。

只有對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)熱力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面研究，才能獲取系統(tǒng)的實(shí)際特性及規(guī)律。本文針對(duì)微網(wǎng)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)困難問題，將及經(jīng)濟(jì)概念引入到微網(wǎng)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，分別建立了風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池平衡及成本守恒的數(shù)學(xué)模型。基于所建模型確立系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)估和經(jīng)濟(jì)性分析，指明系統(tǒng)效率優(yōu)化的方向。

1 風(fēng)電系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)特性

圖1 風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)流分布圖Fig.1 Flow distribution of wind energy storage system

2 風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析模型

2.1 風(fēng)輪

2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)

2.3 儲(chǔ)能電池

儲(chǔ)能電池被用作電能存儲(chǔ)媒介，電池組在滿足負(fù)載電能需求的基礎(chǔ)上，將盈裕電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)中，在發(fā)電機(jī)輸出能量不足時(shí)向負(fù)載供能。儲(chǔ)能功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供。電池能量計(jì)算式為[18]式中：EP，3為蓄電池輸出的電能；ED，3為蓄電池內(nèi)部損；Im為蓄電池充放電電流；R0為蓄電池內(nèi)阻。

3.1 基本假設(shè)條件

兼顧熱力學(xué)特性及經(jīng)濟(jì)學(xué)性質(zhì)，在考察時(shí)域內(nèi)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。為了確定不同輸入變量條件下系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)，本文對(duì)系統(tǒng)作以下假設(shè)： ①系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)； ②滿足風(fēng)電出力、供電可靠性要求；③忽略線損及變流器壓降；④假設(shè)儲(chǔ)能電池內(nèi)阻為定值。

式中：ηi，max為i 單元效率理論極大值。

3.3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

為了量化系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化所付出的成本代價(jià)，

4 算例分析

本文以如圖2 所示的某微網(wǎng)風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象。該系統(tǒng)包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鉛酸電池組、監(jiān)控與控制系統(tǒng)及交流負(fù)載。算例中，當(dāng)風(fēng)電輸出功率大于交流負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能電池充電，反之放電。為了使儲(chǔ)能電池安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在儲(chǔ)能系統(tǒng)過度充放電時(shí)，將其切出系統(tǒng)。蓄電池初始SOC 為0.5，允許最大SOC 為0.8。

圖2 系統(tǒng)示意圖Fig. 2 System diagram

由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速直接影響系統(tǒng)出力，在考察時(shí)域內(nèi)，以圖3 所示的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為參考值。系統(tǒng)功率特性如圖4 所示。

圖3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Speed curve of wind turbine

圖4 系統(tǒng)功率特性曲線Fig.4 System power characteristic curve

從圖3、圖4 可以看出，風(fēng)電功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。風(fēng)電功率于1：00-4：00 時(shí)段、5：00-7：00 時(shí)段及9：00-12：00 時(shí)段的波動(dòng)相對(duì)較大，其極大值位于10：30 左右。從整個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)域內(nèi)觀察，風(fēng)電功率波動(dòng)較大，而系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)相對(duì)較小，說明風(fēng)電功率是系統(tǒng)不平衡功率增加的主要原因。對(duì)于風(fēng)儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能電池用來補(bǔ)償這部分不平衡功率。

圖5 為整個(gè)考察時(shí)域內(nèi)蓄電池電流變化情況，最大充電電流約為12.5 A，最大放電電流為11.8 A。

圖5 儲(chǔ)能電池電流特性Fig.5 Current characteristics of energy storage battery

由圖5 可以看出，通過電池充放電可以補(bǔ)償獨(dú)立微網(wǎng)的不平衡功率。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷缺額時(shí)，電池放電，此時(shí)儲(chǔ)能電池進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償；當(dāng)負(fù)荷盈裕時(shí)，電池充電，儲(chǔ)能電池進(jìn)行負(fù)荷承擔(dān)。 19：00-21：00 時(shí)間段內(nèi)，電池電流為零，說明系統(tǒng)出現(xiàn)了短暫的功率平衡狀態(tài)。相反，10：00-10：30 時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)不平衡功率波動(dòng)最嚴(yán)重，此時(shí)間段內(nèi)電池SOC 變化最為明顯（圖6）。

由圖4、圖6 可以看出，在風(fēng)電輸出功率激增時(shí)，電池SOC 從0.58 逐漸增加至0.75 后趨于穩(wěn)定。這說明電池存儲(chǔ)了高于系統(tǒng)負(fù)荷的電能，從而減小了風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)。