曹培芳，張 鋒，趙洪峰，高 超

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引 言

在化石能源日益枯竭以及導(dǎo)致氣候變化等背景下，光伏發(fā)電系統(tǒng)由于滿足清潔高效可再生等條件，近年來在全國各地均發(fā)展迅速。但隨著光伏發(fā)電比例的不斷提高[1-2]，原有可控電源對電網(wǎng)的調(diào)功能力削弱，光電消納情況不佳[3- 4]，棄光比例較高，不利于資源的有效利用。

目前，由于國內(nèi)大部分地區(qū)水火電廠等可調(diào)控發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)比例遠(yuǎn)高于光伏并網(wǎng)比例，可以通過電力調(diào)度近似實現(xiàn)對光伏預(yù)測功率的完全利用，因此將棄光歸因于光伏預(yù)測功率與光伏實際功率之差，其本質(zhì)為預(yù)測誤差。新疆電網(wǎng)新能源并網(wǎng)占比32%，其中光伏占比11%，截至2019年6月，光伏電站總裝機(jī)10 216 MW，傳統(tǒng)能源并網(wǎng)占比約68%，其中可調(diào)控占比35%，與新能源并網(wǎng)之比接近1∶1。光伏并網(wǎng)高占比導(dǎo)致光伏發(fā)電峰值期間，在光伏預(yù)測功率與光伏實際出力近乎相同的情況下，由于系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)空間小、外送容量有限以及可調(diào)控發(fā)電系統(tǒng)不足，導(dǎo)致大量可預(yù)測棄光功率存在，削峰填谷困難，棄光功率產(chǎn)生的主要原因由預(yù)測誤差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┬璨黄胶狻?/p>

大規(guī)模儲能技術(shù)的快速發(fā)展為該問題提供了解決方案[5- 6]。2018年7月，江蘇鎮(zhèn)江東部百兆瓦級電池儲能電站順利并網(wǎng)運行，為大規(guī)模電池儲能技術(shù)步入商業(yè)化提供了重要實踐依據(jù)[7- 8]，證實了大規(guī)模電池儲能在電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、平滑電網(wǎng)負(fù)荷及促進(jìn)系能源消納等方面的價值。本文從降低棄光率的角度出發(fā)，推導(dǎo)儲能電站功率、容量配置與光電有效利用率的等式關(guān)系，通過Matlab實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型計算；并在維持光電利用率不變的基礎(chǔ)上，通過該方法計算了新建300 MW光伏電站情況下，需要的儲能系統(tǒng)容量配置，以及新建300 MW/600 MW·h蓄電站情況下，可支持光伏電站新增并網(wǎng)容量。

1 無儲能光電利用率

光伏電站日出力特性曲線類似于正弦半波，出力時間集中于早八點到晚八點之間，峰值出現(xiàn)在兩點前后，與當(dāng)?shù)刎?fù)荷午谷時間段重合。因為電能生產(chǎn)、傳輸及消費同時進(jìn)行的特點，功率平衡關(guān)系如圖1及式(1)所示。

圖1 功率平衡關(guān)系

PPV+Poth=Pload+Pout+PL

(1)

式中，PPV為光伏電站發(fā)電功率；Poth為水電、火電風(fēng)電等其他形式發(fā)電功率之和；Ploud為負(fù)荷用電功率；Pout為外送功率；PL為線路損耗功率。

在光伏出力較高階段，由于光伏發(fā)電占比較高且調(diào)節(jié)困難，通過水電站蓄能和火電站調(diào)節(jié)依然無法達(dá)到功率的平衡，發(fā)電功率高于用電功率，無法消納光伏電站送出的電力，導(dǎo)致可預(yù)測棄光功率出現(xiàn)。此時，t時刻棄電功率PEXPV(t)為

PEXPV(t)=PAPV(t)-PPV(t)

(2)

式中，PAPV為光伏電站可捕獲光能發(fā)電功率。棄光量為棄光功率對時間的積分，計算得棄光率ηEXPV及光電利用率ηPV為

(3)

2 含儲能光電利用率

儲能系統(tǒng)的主要約束條件為t時刻總負(fù)荷有功缺額PΔ(t)、蓄電池初始容量Cbat(t)[9]。在電網(wǎng)系統(tǒng)中加入儲能站后，功率平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 含儲能功率平衡關(guān)系

圖中，Pbat為蓄電池放電功率。t時刻負(fù)荷的有功缺額PΔ(t)、蓄電池初始容量Cbat(t)分別為

PΔ(t)=Pload(t)+Pout(t)+PL(t)-PPV(t)-Poth(t)

(4)

式中，Cbat(t-1)為(t-1)時刻蓄電池初始容量；δ為自放電電流率；ηcha為蓄電池充電效率。

由光伏電站特性及客觀條件可知，儲能系統(tǒng)一次充放電周期為24 h，且可放電時間遠(yuǎn)多于充電時間，認(rèn)為可完全放電，因此推導(dǎo)光電利用率更關(guān)注充電狀態(tài)，即PΔ(t)<0，將每時間步長t分為3種情況。

(1)當(dāng)光伏發(fā)電和其他電廠輸出有功功率之和大于負(fù)荷、外送和損耗所需有功功率之和，有功缺額絕對值不超過儲能系統(tǒng)最大充電功率，且電池儲能容量未能充滿至最大值，第(t+1)時刻儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|≤Pbatmax

(5)

Pbat(t)=PΔ(t)

式中，Pbatmax為蓄電池最大充電功率；Pbat(t)為t時刻蓄電池放電功率；Cbatmax為蓄電池容量。

(2)有功缺額絕對值超過儲能系統(tǒng)最大充電功率，且電池儲能容量未能充滿至最大值，第(t+1)時刻儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|>Pbatmax

(6)

Pbat(t)=Pbatmax

(3)蓄電池儲能容量在(t，t+1)區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值，第(t+1)時儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

PΔ(t)<0

(7)

Cbat(t+1)=Cbatmax

基于以上3種充電狀態(tài)，加入儲能系統(tǒng)后光電利用率ηPVbat為

(8)

在實際工程應(yīng)用中，需考慮電池放電深度，實際所需儲能總?cè)萘看笥诶碚撝怠?/p>

圖5 含儲能ηPVbat曲線及棄光功率分布

3 仿真計算與結(jié)果分析

2018年7月至2019年6月新疆光伏功率峰值如圖3所示。

圖3 光伏功率峰值

由圖1可知，光伏電站出力穩(wěn)定性較高，且季節(jié)性變化明顯。為減小工作量，抽取每季各一典型日進(jìn)行仿真分析，近似代替4個季節(jié)的數(shù)據(jù)。

此時，在無儲能情況下，ηPV=90.05%，棄光功率曲線及棄光電量曲線如圖4所示。

圖4 四典型日棄光功率分布及棄電量

在此背景下，設(shè)光伏出力等于光伏預(yù)測功率，利用Matlab編寫分析程序，計算加入儲能系統(tǒng)后棄光功率PEXPV、棄光電量WEXPV以及光電利用率ηPVbat與Pbatmax、Cbatmax之間的關(guān)系，取儲能站鋰離子蓄電池[10]容量為4 MW·h，充放電功率為1 MW，充放電效率為95%，壽命為4 500個充放周期，放電深度為90%。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知，新疆電網(wǎng)通過電網(wǎng)側(cè)儲能充電功率的方法提高光電利用率，光電利用率在0.90～0.95變化時，擬合曲線接近線性。光電利用率在0.95及以上范圍內(nèi)變化時，擬合曲線非線性變化明顯，其導(dǎo)數(shù)顯著下降，在充電功率逐漸增加到1 675 MW以上時，光電利用率保持在0.995 023不變。這說明光電利用率接近100%時，通過增加儲能充電功率的方法效率逐漸降低，最終無法總過該方法提高光電利用率。此時，儲能系統(tǒng)達(dá)到高功率充電或滿功率充電時間比極低，儲能配置浪費較大。

圖5b表明，儲能系統(tǒng)充電功率以及儲能容量共同限制光電利用率的增長，且存在最佳配比，即在此配比下單獨增加充電功率或儲能容量均不能使光電利用率增長。

圖5c為新建儲電站500 MW/2 000 MW·h情況下第二典型日棄光功率曲線，可將棄光過程分為三個階段，t1時間段內(nèi)，棄光功率極小，棄光功率不超過儲能系統(tǒng)充電效率，符合式(5)，棄光的原因為儲電站充電過程中產(chǎn)生的損耗，因此，可通過改進(jìn)儲能技術(shù)的方式提高該階段光電利用率；t2時間段內(nèi)，棄光功率較高，棄光功率超過儲能系統(tǒng)充電效率，符合式(6)，導(dǎo)致部分光伏電站出力無處消納，產(chǎn)生棄光的原因為充電功率不足導(dǎo)致的棄光以及儲電站充電過程中產(chǎn)生的損耗，此階段可通過改進(jìn)儲能技術(shù)以及提高儲能充電功率的方式提高該階段光電利用率；t3時間段內(nèi)，儲能系統(tǒng)容量已滿，充電過程停止，儲能容量不足導(dǎo)致產(chǎn)生棄光，符合式(7)，該階段可通過增加儲電站儲能容量的方式壓縮時長。

設(shè)新增光伏并網(wǎng)300 MW，光伏實際出力等比增大，負(fù)荷及線路損耗不變，代入上述分析過程，得到計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 含儲能ηPVbat變化曲線

由圖6可知，在無儲能情況下新增光伏并網(wǎng)300 MW，光電利用率跌落為0.886，之后隨儲能的增加不斷提高，若維持光電利用率不低于0.9，則至少需新增儲能140 MW/720 MW·h。

同理，設(shè)新增儲能300 MW/600 MW·h，其他條件不變，不計負(fù)荷增長，代入計算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 新增光伏ηPVbat變化曲線

由圖7可知，新增儲能300 MW/600 MW·h后，光電利用率升高，若維持光電利用率不低于0.9，可以支撐新增光伏并網(wǎng)310 MW。

4 結(jié) 論

文中根據(jù)新疆往年棄光數(shù)據(jù)，從電能供需不平衡的角度以及儲能系統(tǒng)調(diào)峰能力出發(fā)，忽略光伏發(fā)電的預(yù)測誤差以及儲能站選址差異導(dǎo)致的線路損耗，推導(dǎo)了新疆光電利用率與新建電網(wǎng)側(cè)儲能充電功率及儲能容量之間的數(shù)值關(guān)系，并分析各儲能階段棄電原因。該配置方法可以為新疆儲能站規(guī)劃建設(shè)以及光伏并網(wǎng)容量配置提供理論指導(dǎo)。