新疆高光伏并网电网侧储能容量配置分析

2021-08-11曹培芳赵洪峰

水力发电 2021年5期

曹培芳，张锋，赵洪峰，高超

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐 830063)

0 引言

在化石能源日益枯竭以及导致气候变化等背景下，光伏发电系统由于满足清洁高效可再生等条件，近年来在全国各地均发展迅速。但随着光伏发电比例的不断提高[1-2]，原有可控电源对电网的调功能力削弱，光电消纳情况不佳[3- 4]，弃光比例较高，不利于资源的有效利用。

目前，由于国内大部分地区水火电厂等可调控发电系统并网比例远高于光伏并网比例，可以通过电力调度近似实现对光伏预测功率的完全利用，因此将弃光归因于光伏预测功率与光伏实际功率之差，其本质为预测误差。新疆电网新能源并网占比32%，其中光伏占比11%，截至2019年6月，光伏电站总装机10 216 MW，传统能源并网占比约68%，其中可调控占比35%，与新能源并网之比接近1∶1。光伏并网高占比导致光伏发电峰值期间，在光伏预测功率与光伏实际出力近乎相同的情况下，由于系统负荷调节空间小、外送容量有限以及可调控发电系统不足，导致大量可预测弃光功率存在，削峰填谷困难，弃光功率产生的主要原因由预测误差转变为电能供需不平衡。

大规模储能技术的快速发展为该问题提供了解决方案[5- 6]。2018年7月，江苏镇江东部百兆瓦级电池储能电站顺利并网运行，为大规模电池储能技术步入商业化提供了重要实践依据[7- 8]，证实了大规模电池储能在电网侧削峰填谷、平滑电网负荷及促进系能源消纳等方面的价值。本文从降低弃光率的角度出发，推导储能电站功率、容量配置与光电有效利用率的等式关系，通过Matlab实现数学模型计算；并在维持光电利用率不变的基础上，通过该方法计算了新建300 MW光伏电站情况下，需要的储能系统容量配置，以及新建300 MW/600 MW·h蓄电站情况下，可支持光伏电站新增并网容量。

1 无储能光电利用率

光伏电站日出力特性曲线类似于正弦半波，出力时间集中于早八点到晚八点之间，峰值出现在两点前后，与当地负荷午谷时间段重合。因为电能生产、传输及消费同时进行的特点，功率平衡关系如图1及式(1)所示。

图1 功率平衡关系

PPV+Poth=Pload+Pout+PL

(1)

式中，PPV为光伏电站发电功率；Poth为水电、火电风电等其他形式发电功率之和；Ploud为负荷用电功率；Pout为外送功率；PL为线路损耗功率。

在光伏出力较高阶段，由于光伏发电占比较高且调节困难，通过水电站蓄能和火电站调节依然无法达到功率的平衡，发电功率高于用电功率，无法消纳光伏电站送出的电力，导致可预测弃光功率出现。此时，t时刻弃电功率PEXPV(t)为

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

(2)

式中，PAPV为光伏电站可捕获光能发电功率。弃光量为弃光功率对时间的积分，计算得弃光率ηEXPV及光电利用率ηPV为

(3)

2 含储能光电利用率

储能系统的主要约束条件为t时刻总负荷有功缺额PΔ(t)、蓄电池初始容量Cbat(t)[9]。在电网系统中加入储能站后，功率平衡关系如图2所示。

图2 含储能功率平衡关系

图中，Pbat为蓄电池放电功率。t时刻负荷的有功缺额PΔ(t)、蓄电池初始容量Cbat(t)分别为

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

(4)

式中，Cbat(t-1)为(t-1)时刻蓄电池初始容量；δ为自放电电流率；ηcha为蓄电池充电效率。

由光伏电站特性及客观条件可知，储能系统一次充放电周期为24 h，且可放电时间远多于充电时间，认为可完全放电，因此推导光电利用率更关注充电状态，即PΔ(t)<0，将每时间步长t分为3种情况。

(1)当光伏发电和其他电厂输出有功功率之和大于负荷、外送和损耗所需有功功率之和，有功缺额绝对值不超过储能系统最大充电功率，且电池储能容量未能充满至最大值，第(t+1)时刻储能系统数学模型为

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|≤Pbatmax

(5)

Pbat(t)=PΔ(t)

式中，Pbatmax为蓄电池最大充电功率；Pbat(t)为t时刻蓄电池放电功率；Cbatmax为蓄电池容量。

(2)有功缺额绝对值超过储能系统最大充电功率，且电池储能容量未能充满至最大值，第(t+1)时刻储能系统数学模型为

PΔ(t)<0

|PΔ(t)|>Pbatmax

(6)

Pbat(t)=Pbatmax

(3)蓄电池储能容量在(t，t+1)区间内达到最大值，第(t+1)时储能系统数学模型为

PΔ(t)<0

(7)

Cbat(t+1)=Cbatmax

基于以上3种充电状态，加入储能系统后光电利用率ηPVbat为

(8)

在实际工程应用中，需考虑电池放电深度，实际所需储能总容量大于理论值。

图5 含储能ηPVbat曲线及弃光功率分布

3 仿真计算与结果分析

2018年7月至2019年6月新疆光伏功率峰值如图3所示。

图3 光伏功率峰值

由图1可知，光伏电站出力稳定性较高，且季节性变化明显。为减小工作量，抽取每季各一典型日进行仿真分析，近似代替4个季节的数据。

此时，在无储能情况下，ηPV=90.05%，弃光功率曲线及弃光电量曲线如图4所示。

图4 四典型日弃光功率分布及弃电量

在此背景下，设光伏出力等于光伏预测功率，利用Matlab编写分析程序，计算加入储能系统后弃光功率PEXPV、弃光电量WEXPV以及光电利用率ηPVbat与Pbatmax、Cbatmax之间的关系，取储能站锂离子蓄电池[10]容量为4 MW·h，充放电功率为1 MW，充放电效率为95%，寿命为4 500个充放周期，放电深度为90%。仿真结果如图5所示。

由图5a可知，新疆电网通过电网侧储能充电功率的方法提高光电利用率，光电利用率在0.90～0.95变化时，拟合曲线接近线性。光电利用率在0.95及以上范围内变化时，拟合曲线非线性变化明显，其导数显著下降，在充电功率逐渐增加到1 675 MW以上时，光电利用率保持在0.995 023不变。这说明光电利用率接近100%时，通过增加储能充电功率的方法效率逐渐降低，最终无法总过该方法提高光电利用率。此时，储能系统达到高功率充电或满功率充电时间比极低，储能配置浪费较大。

图5b表明，储能系统充电功率以及储能容量共同限制光电利用率的增长，且存在最佳配比，即在此配比下单独增加充电功率或储能容量均不能使光电利用率增长。

图5c为新建储电站500 MW/2 000 MW·h情况下第二典型日弃光功率曲线，可将弃光过程分为三个阶段，t1时间段内，弃光功率极小，弃光功率不超过储能系统充电效率，符合式(5)，弃光的原因为储电站充电过程中产生的损耗，因此，可通过改进储能技术的方式提高该阶段光电利用率；t2时间段内，弃光功率较高，弃光功率超过储能系统充电效率，符合式(6)，导致部分光伏电站出力无处消纳，产生弃光的原因为充电功率不足导致的弃光以及储电站充电过程中产生的损耗，此阶段可通过改进储能技术以及提高储能充电功率的方式提高该阶段光电利用率；t3时间段内，储能系统容量已满，充电过程停止，储能容量不足导致产生弃光，符合式(7)，该阶段可通过增加储电站储能容量的方式压缩时长。

设新增光伏并网300 MW，光伏实际出力等比增大，负荷及线路损耗不变，代入上述分析过程，得到计算结果如图6所示。