基于新能源發電波動的儲能研究

廖少鋒

(深圳市科陸電子科技股份有限公司)

0 引言

隨著新能源在全球的推廣和應用, 風能和太陽能系統的儲能配置越來越受到重視。這是因為風能和太陽能的供給存在波動性, 造成電網的穩定性和可靠性問題, 需要采取一些手段來儲存這些能源, 以滿足學校、工廠或者市級或以上電網的需求。風能和太陽能系統的儲能方法有很多種不同的方式: 如開放式系統、閉合式系統和電動車儲能等。其中開放式系統和閉合式系統是比較常見的方式。在開放式系統中, 儲能主要通過水泵儲能、空氣壓縮儲能和液壓儲能等方式實現。這種方式的儲能成本比較低, 但是對環境的影響比較大。在閉合式系統中, 儲能主要通過鉛酸蓄電池、鋰離子電池、超級電容器等方式實現, 這種方式的能耗比較低, 對環境影響也比較小。

1 新能源發電技術研究分析

將新能源供應與電力系統連接起來可以有效地實現環境保護目標, 并且可以考慮作為傳統的以化石燃料為基礎的能源供應的一個全新的替代方案。為了提供穩定和連續的電力供應, 儲能系統被集成到電力系統中。通過技術開發, 太陽能、風能和儲能相結合的解決方案正在開發[1-2]。新能源并網如圖1 所示。

圖1 新能源并網的配置

區域可再生電力經濟優化模型將新能源發電與大型電網結合起來, 當可再生能源發電滿足30%的每小時電力負荷時, 模擬的最低成本組合包括礦物燃料發電、內陸風力發電和電池儲能。當可再生能源發電滿足90%的電力負荷時, 成本組合最低的是內陸風力發電、蓄電池能源、化石燃料發電以及額外的海上風力發電。最后, 可再生能源發電滿足99.9%的電力負荷, 成本最低的組合是內陸風力發電、海上風力發電、蓄電池能源、化石燃料發電和額外的太陽能。由于間歇性可再生能源的增加, 能源數量增加, 朝著增加可再生能源發電的方向發展[3-4]。新能源項目可以增加可再生能源供應。

針對太陽能和風力發電系統并網時供需不匹配、電力供應波動和間歇性等問題進行了研究, 成功的電網整合需要能量儲存。隨著鋰離子電池價格的持續下降, 大型電池存儲系統和V2G 操作已經成為公共事業公司的唯一能源。鋰離子材料研究的目標是鋰的回收過程和可持續性。與核能和化石能源相比, 可再生能源系統具有環境優勢。采用電網一體化系統的發展基礎是可再生能源份額的不斷增加。

本文根據采用風力發電、光伏發電和儲能分別達到110MW、50MW 和25MW。根據風能和太陽能儲能示范站工程的歷史數據, 分析了風能和太陽能的波動性, 提出了平滑風能和太陽能輸出波動的儲能系統容量配置技術。

2 新能源數學模型及儲能配置分析

2.1 風能及光伏模型

風能可以被解釋為一種動力源, 通過將風速推向安裝在高塔上的渦輪機, 將其轉化為機械動力, 然后產生電力, 從而產生電力。眾多的風力渦輪機相互靠近, 以建立理想的發電能力的風力發電場。風力渦輪機產生的功率可表示為:

式中,Pw為風力功率(kW),A為渦輪葉片掃掠面積(m2),ρ為空氣密度, 可取1.225 (kg/m3),V為風速(m/s),Cp為渦輪功率系數, 該系數與葉尖速比和葉片設計有關。風能轉換效率系數, 將風能轉化為可以利用的能量, 無論是電動的還是機械的,此常數的最大理論值0.593, 稱為(貝茨極限)。由此可見, 一個風系統所能實現的最大功率為總風力的59.3%。

太陽能光伏發電是太陽能電池將太陽光轉化為電能時產生的電能。太陽能電池基本上是一個在薄片或半導體層中的p-n 結構。太陽能的輻射可以通過光伏效應直接轉化為電能, 最大功率輸出表示如下:

式中,η是太陽能電池陣列的轉換效率;A是陣列面積(m2);R是太陽輻射(kW/m2);t0是室外空氣溫度。

CAES 的功能是在非高峰期電力需求低時進行儲能, 在高峰期電力需求高時進行再利用。計算機輔助設計系統(CAES) 在電網調度系統中有著廣泛的應用, 如負荷轉移、緩解電網調度系統的波動以及對電網系統進行管理和規范等。CAES 的主要部件包括壓縮機、溶洞和膨脹機。CAES 系統有兩種工作模式:第一種模式是壓縮機在非高峰期從風電場或電網系統中消耗電力來壓縮空氣并儲存在系統中; 第二種模式是儲存在系統中的空氣被氣體加熱然后進入渦輪發電的發電模式。發電成本(Pj,t) MW 等于燃氣價格乘以熱率值, 它可以表示為:

式中,和分別是產生功率的效率因子和注入空氣的效率因子,和,t分別是在小時t的釋放空氣量和在小時t的注入空氣量。

2.2 儲能配置分析

在了解風能和太陽能輸出功率波動的基礎上, 以平滑風能和太陽能輸出波動為目的配置儲能系統?？偨Y風能和太陽能聯合儲能系統的應用目標如下: 風能和太陽能聯合儲能系統輸出的單位時間功率波動量λws小于電網允許的風能和太陽能的極限波動量λlim。在這里,λlim將風能和太陽能儲能的聯合輸出作為一個熱電或同性質的可調電源, 無需額外增加或操作措施, 以確保電力系統的安全穩定運行, 計算出最大功率變換器單位時間。如式(4) 所示。

式中,pss表示風能和太陽能結合的功率,pc表示儲能系統的系統充放電功率,表示第i個約束條件下電網允許的風能和太陽能結合的極限增加速度,表示第i個約束條件下的電網允許的風能和太陽能聯合功率極限降低了速度。此外λlim還需滿足風電場與電力系統連接技術標注, 如表1 所示。

表1 風力發電廠有功功率變化限值推薦表

國內外基于低通濾波器的平滑風能和太陽能電力波動的研究相對成熟?；诘屯V波器的平滑風能和太陽能電力波動的基本原理是將風能和太陽能數據輸入到低通濾波器中, 并對濾波器的輸出進行平滑控制。風能和太陽能并網功率參考值、風能和太陽能并網功率值與風能和太陽能并網功率值的差值是電池儲能系統應處理的功率值, 其中風能和太陽能并網功率參考值和電池儲能系統應處理的功率值可用式(5)表示。

式中,Pout(s) 是平滑后的總輸出,Pb(s) 是電池輸出功率,T是平滑時間常數。

對Pb(s) 進行拉普拉斯逆變換, 進行時域積分:

B(t) 為t-t0時間段內需要配置的儲能容量值,當t取不同的值時,B(t) 表示儲能系統在不同時間段的不同容量要求。從理論上講, 在計算儲能系統的額定容量時, 只需要將儲能系統在一定時間內需求的最大值作為儲能系統的額定容量。

3 實驗及分析

風能和太陽能輸出具有一定的互補性, 但風能和太陽能聯合輸出的波動仍然很大, 通過配置蓄電池儲能系統可以進一步平滑聯合輸出的波動。本部分根據工程的歷史數據分析了風能和太陽能的儲能比例。

圖2 儲能系統容量隨時間常數T 的變化特性

從上圖可以看出, 時間常數T的值越小, 與電網連接的能量參考值Pout跟蹤風能和太陽能輸出功率Pw的速度就越快, 反之亦然; 時間常數T的值越小, 所需的額定存儲量就越大。能量容量越小, 反之則越大。因此,隨著一階低通濾波器時間常數的增加, 儲能系統抑制風能和太陽能所需的儲能容量也隨之增加, 且一階低通濾波器時間常數與儲能容量增加之間存在非線性關系。

根據風光儲能示范工程典型的風光數據和上述平滑控制方法, 對風光儲能的平滑應用進行了比例分析。所獲得的能量儲存容量和波動性如下圖3 所示。如果風能和太陽能聯合波動性被抑制到5% /12min 或更少, 則需要25 兆瓦的能量儲存; 如果風能和太陽能聯合波動性被抑制到7% /12min 或更少, 則需要20兆瓦的能量儲存; 如果風能和太陽能聯合波動性被抑制到10% /12min 或更少, 則需要15 兆瓦的能量儲存; 如果風能和太陽能聯合波動性被抑制到15% /12min 或更少, 則需要5 兆瓦的能量儲存。在考慮平滑效應的情況下, 15MW 儲能結構可以將風能和太陽能聯合波動抑制到10% /12min。

圖3 能量儲存率與波動的關系

當儲能配置比為15% (蓄能總功率為25MW) 時,根據目前的預測水平, 風能和太陽能的實際輸出偏差為5%及以上的概率為9%, 風能和太陽能的實際輸出偏差為9%。10%及以上的概率為5%, 20%及以上的風太陽能輸出偏差概率為1.5%。有較好的提高能力。

4 結束語

本研究以示范工程的歷史數據為基礎, 進行了平滑風能與太陽能聯合輸出波動的儲能容量分配技術研究, 平滑風能波動的儲能系統配置分析及計劃輸出跟蹤。綜合考慮, 儲能配置為15%及25 兆瓦時, 這對平滑和跟蹤計劃輸出已經達到了非常好的效果。