水风光储能源联合利用系统研究

(华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450045)

0 引言

随着全球环境污染和气候变化问题的日益凸显，加之化石能源的快速消耗，水电、风电、光伏等清洁可再生能源的利用成为世界趋势。目前，我国的能源主体依旧是化石能源，造成我国环境污染尤其严重，而我国的化石能源又远不能自给，充分利用清洁能源对优化我国的能源结构和减少环境污染具有及其重要意义。

针对我国能源结构[1]不合理，能源存在瓶颈，必须加强新能源利用技术改造，提高清洁能源与新技术的结合能力，加快清洁能源联合利用[2]的推广。

1 国内外技术发展状况

随着一次性能源如煤炭、石油、天然气等资源的逐步枯竭，以及世界环境问题的日益严峻，急需把能源消费的主体由化石能源转化为可再生能源。自20世纪中后期以来，发达国家都投入了大量的精力在水能、风能、太阳能等可再生能源技术的研发上，并建设了水电、风电和光伏电站，以期解决本国的能源紧张，环境污染问题。

然而，水电受制于来水量和调节库容，年利用小时一般不超过4 000 h，除丰水期外一般不承担基荷；风能和太阳能均随着气候、地理位置、时间变化而不断变化，风能和太阳能发电稳定性较差，电能质量较低。为解决上述问题，有研究者提出风能、光伏和储能互补发电的方法，世界各国均针对风光储互补发电关键技术进行了大量的研究。然而，相关研究主要集中在两两能源联合利用方面，且存在以下问题：储能电池容量较小，成本高，导致了两两联合利用容量受限，不能满足我国能源需求现状；能源两两联合利用的应用时域较窄。

水风光储联合利用可以充分利用抽水蓄能技术稳定、容量较大、反应迅速的优点，结合储能电池，可充分消纳系统中不稳定的风能和太阳能资源，形成各能源的优势互补。因此，急需对水风光储联合利用技术进行研究开发。

2 产业发展状况

风能和太阳能都属间歇性能源，产生的电能不够稳定，不利于电力系统消纳，因此也不能被充分利用。随着我国对清洁能源的迫切需要，自2005年起，风力发电和光伏发电装机容量剧增，与此同时出现了并网难、限电、市场难以销纳等诸多问题。部分火电具备深度调峰的能力，但风电、光电、火电“打捆外送”的方式会降低火电厂的效率，增大污染物的排放，违背了开发风电、光伏发电的初衷。

水电机组具有开停灵活、调节出力迅速、运行维护费用低、可快速适应电网负荷变化等优点。储能电池可稳定地储存电能。水储和储能电池有助于电力系统对风能、太阳能这些不稳定能源进行消纳。因此，抽水蓄能电站、电池储能电站，可兼作风电、光伏发电的调节电源，降低这些间歇性清洁能源给电网运行带来的冲击。

3 产业化过程存在的主要问题

1)水风光储各能源容量配置不合理。主要原因是储能电池成本较高，容量较小，寿命较短，与现有的风能、光伏资源不能匹配，造成弃风、弃光现象严重，导致清洁能源资源浪费。

2)系统调度策略及运行方式不合理。主要原因是，一方面目前各能源容量配置不合理，导致调度策略及运行方式无法达到最优；另一方面是水风光储能源联合利用系统中各种能源特性没有充分把握且对联合调度及运行没有系统的研究。

3)成本较高及经济效益较差。主要原因是，储能电池成本较高，而抽水蓄能电站建设周期较长，前期投资较高，导致调节容量不足、系统成本较高，经济效益较差。

4)稳定性控制技术没有突破，无法提高电能质量。主要原因是，相关研究较少，技术发展不成熟。

4 水风光储能源联合利用系统设计

系统分为三部分：电源系统，包括风能、光伏，用来为整个系统提供电能；负载，可采用喷泉、路灯等，用来消耗产出的电能；抽水蓄能电站比较特殊，可以作为储能电源，又可作为负载消耗电能，同时可用来研究开发可变速水轮发电机组、新型储能技术等。系统电气接线示意图如图1所示。

4.1 电源系统

4.1.1 光伏

光伏发电是本系统的主要电源提供单元，项目预计建设50 kW离网太阳能发电系统，并选用一台250 kW逆变器，每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联方式组成太阳能电池阵列，电能由太阳能电池阵列输入光伏方阵防雷汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏逆变器和交流防雷配电柜给负载供电。

当光线不足，太阳能电池组件没有产生电能或电能不能满足负载要求时，由风机和抽蓄电站供电，如果还不能达到要求时由外接电网供电。

图1 系统电气接线图

4.1.2 风能发电

在本系统中，风力发电是供电单元，项目预计建设10 kW离网风力发电系统，布置为两个5 kW风力发电机组，发出的电能存储至蓄电池，经逆变器逆变为交流电供负载用电。

4.2 负载部分

喷泉为主要负载，抽水蓄能电站需要抽水时作为负载运行。

在本系统中，抽水蓄能电站既是供电单元也是用电单元。项目预计建设2台5 kW抽水蓄能机组，水轮机为水泵水轮机，发电时机组为水轮机工况，抽水时机组为水泵工况。抽蓄电站的建设需要有一定的上下高程差和水资源储蓄。抽水蓄能电站在本系统中起到调峰作用，可以提高风电机组和光伏机组的效率。

4.3 上位机控制

本着“不在现场，远离现场”的原则，将现场设备界面通过串口通信技术，与上位机界面有机结合起来，以实现上位机一带多通信。以C语言为基础，图形化语言为辅，规划各能源的动态配比，实现系统的稳定、高效运行。

5 结语

该系统是集水电、风电、光伏、储能于一体的水风光储能源联合利用系统，可形成多能源联合利用技术研究平台，进而有效解决水风光储各能源容量优化配置、系统优化调度及运行、成本控制及经济效益分析、稳定性控制和提高电能质量等关键技术问题，为全面提升我国水风光储能源联合利用的研究与开发水平提供技术支持，为我国制定水风光储等新能源政策提供技术参考。