风光互补发电系统储能调度研究

国家能源集团福建能源有限责任公司 杨 镇

风能、太阳能在提供能源过程中，由于随机性和间断性，使得能源发电系统很难产生持续稳定能源，导致能源发电系统在与大电网并网中引发不相融问题。风光互补发电系统发电过程中产生的电量超出需要的负荷时，为节约系统发电成本、提升经济性，一方面要思考整个发电系统中各电源间彼此相互交融问题，同时还要兼顾储能设备寿命及系统与大电网间的交互问题。风光互补发电系统主要由储能、发电、控制、并网，等几部分组成。

图1 风光互补发电系统结构图

1 储能系统概述

储能系统能吸收、释放能量，因此可弥补风光互补发电系统中能源波动性及随机性问题。在风光互补系统发电过程中，当风能或太阳能较强时，储能系统可将多余能源吸收储存起来；当风能或太阳能不足时，储能系统可释放储存的能源，以供给重要负荷直至风光互补发电系统恢复正常发电。风光互补发电系统在并网中，储能系统也发挥了至关重要的作用，缓解了并网过程中风光发电系统对大电网的冲击，起到了“削峰平谷”作用，提高了供电系统运行的稳定性，提升了经济效益[1]。

1.1 储能工作原理

现阶段风光互补发电系统储能形式有多种，如铅酸蓄电池、超导储能、压缩空气储能等，其中铅酸蓄电池储能方式应用较广，其是最为典型的酸性蓄电池，具有放电性能较好、工作电压较高、使用温度宽、价格低廉等特点，但储能过程中化学物质对环境有一定污染且电池使用寿命有限。铅酸蓄电池储能过程的充放电原理如下：PbO2+2H2SO4+Pb铅酸蓄电池的正极材料为PbO2、负极材料为Pb，放电时正极中PbO2得电子、负极Pb失电子，同时溶解到电解液H2SO4中，电子流向从负极到正极，故形成正极PbO2到负极Pb的电流流向。充电时，蓄电池中电解液PbSO4和H2O产生放电时相反的化学反应，分别在正负极还原出PbO2和Pb。

1.2 储能性能分析

电池容量。是电池在一定条件下所释放出的电量大小，以安培·小时（Ah）为单位。以容量为20Ah电池为例，如电池供应电路的电流为1A，那该电池可持续供应20小时电能。蓄电池在使用过程中多次充放电后电池储能容量会逐渐衰减，一旦实际电池容量小于原先额定容量的80%时电池就须更换。因此，电池实际容量也是衡量电池使用寿命的指标。

荷电状态。指某一时刻储能剩余容量比重，即储能剩余容量与标称容量之比：SOC=Ct/CESS×100%，式中Ct为储能剩余容量，CESS为储能满电状态下的标称容量。据相关研究表明，当储能荷电状态处于0.68～0.8之间时，储能充放电效率最高，故储能荷电状态应控制在上述范围内。

充放电深度。放电深度指储能放电时，储能释放的电量比重，即储能释放的电量与标称容量之比：DOD=Q-/CESS，式中：Q-为储能释放电量，CESS为储能满电状态下的标称容量。充电深度指储能充电时，储能充电的电量比重，即储能充电的电量与标称容量之比：DOC=Q+/CESS，式中：Q+为储能充电电量，CESS为储能满电状态下的标称容量。

循环寿命。指储能实际容量减少到某一个点时对应的充电以及放电次数，该参数可用来界定电池储能使用寿命。这里采用的模型主要考虑储能存储容量约束、充放电功率约束，表达式如下：

式中：SOCt为t时刻状态下储能荷电状态；CESS、Ct分别是标称容量和t时刻储能剩余容量；Pch、Pdis分别为充、放电功率；ηch、ηdis分别为充、放电效率。

2 风光储系统的并网影响

2.1 对电力系统稳定性的影响

利用风能和太阳能进行发电时，通常会因气候的影响而发生变化，导致发电出现不稳定性的情况。随着当前风力发电及光伏发电并网规模增加，研究风光发电并网运行后对电网的影响十分必要。

电压波动和闪变。风力、光伏在进行发电的过程中，输出电能质量的好坏与否，主要和电压的波动以及闪变存在着非常密切的联系，而对应电压闪变的两个影响因素，分别是电压波动的幅值和频率，电压在进行波动的过程中会导致电器设备无法进行正常工作，主要是由于风速及光照等各种自然资源存在不稳定的现象，再加上多机组不规则的启停，会导致发电发生突然性波动。由于人为因素无法对自然条件进行改变，因此这种影响因素是长时间存在的[2]。

谐波污染。电力系统在工作过程中一旦受到谐波污染会影响其正常工作，导致产生的电能质量受到影响、甚至会降低设备使用寿命。谐波主要是因电流及电压波形产生畸变引起，而引起电流、电压畸变原因主要有电源端、输配电过程、一些设备产生的谐波污染，如整流装置、逆变装置等；电网频率。风光发电与大电网进行并网过程中，由于本身产生的发电输出功率为无功功率，会使得电网电压降低，引起一定的功率波动。因此如直接将风光发电并入电网会导致电力系统与大电网间失衡。故风光发电在进行并网前会进行交互功率调整，以满足供电频率波动符合相关标准要求。

2.2 对发电供电计划的影响

电网在进行发电过程中计划应按照“精准”预测来进行制定。而风光发电系统由于其预测技术不成熟，很难保证预测的精准性，故相关电网的发电供电计划需根据风光发电系统波动做适时调整。

2.3 对电网设备容量分配的影响

若风光系统的功率改变情况和电网负荷改变相同，在进行大范围并网后可依靠自动调峰来对电网的稳定性进行保障，但同样存在和电网需求相反的可能。例，如风速相对较大，高于风电机组可承受的最高风速便会导致风电机组出现停止运转的情况，这时电网会受到很大波动。因此电网须根据具体情况来进行调峰处理，以保障电网的平稳运行。

综上，风光互补发电系统与大电网进行并网过程中对电网的影响较为明显，故研究风光互补发电系统并网过程中能量调度问题十分必要。

3 基于可控负荷的储能调度策略

3.1 削峰填谷模式

某一电厂规划设计完工后发电规模基本固定，但用电过程中由于无法对实际需求侧进行精确化管理，导致电量使用造成较大浪费，甚至局部地区出现用电告急的现象，而削峰填谷模式可较好解决上述问题。削峰填谷模式是利用调整不同时间段居民或企业用电负荷，来达成用电模式的削峰填谷目的。该模式利用政策干预形式对用电时段的价格进行调整，高峰用电时段电费较高、低谷期用电时段电费较低，以此鼓励用户尽量在低谷用电时段用电。利用削峰填谷模式，不仅可有效缓解用电高峰期时的用电压力、还可提升用电低谷期的用电量，最终实现不同时刻用电负荷均衡，减少电厂整体电量的浪费，实现了节能，提高了经济效益。

3.2 负荷分类

对不同用电设备按照重要性优先级进行分类，优先保障重要设备供电。这里根据断电后对生产、生活影响等级划分，将不同设备的用电负荷划分为一级、二级和三级。当风光发电系统发电量不能满足所有设备用电负荷需求时，将按照等级优先级从三级负荷开始依次切除负荷。

3.3 储能优化调度策略

风光互补发电系统发电过程中，当风光发电不能满足负荷需求时储能进行放电，在放电期间如储能荷电量处于临界值时，系统会根据用电优先级进行部分负荷切除，以保证必要的重要设备运行，这一状态直到发电系统发电满足负荷需求为止，再根据优先级逐步恢复之前切除的负荷电力；当储能正常工作时可转移部分负荷使用时间。

如风光发电系统发电充足时输出功率表现为明显过剩状态，Pip≥0，开启充电模式。这时储能系统表现为如下状态：当充电功率小于等于储能系统最大储能荷电状态时，则储能系统充电；当充电功率大于储能系统最大储能荷电状态时，激励可控负荷进行消纳；当可控负荷调节达到极限时，如功率还有剩余则选择弃能处理。

如风光发电系统发电不足时，Pip＜0，储能系统开启放电模式。这时储能系统表现为如下状态：当储能系统储能荷电状态能满足所需放电功率时，储能系统开始正常放电；当储能系统储能荷电状态不能满足所需放电功率时，按照用电优先级进行部分负荷切除处理；当可控负荷调节功率超出极限且所需功率仍有空缺，则需启动备用电源。

综上，对于可再生能源发电中，风力发电及光伏发电是目前应用较为频繁的发电形式，但无论是光伏发电还是风力发电都会在外界环境影响下产生很强的波动性，因此纯粹的光能或太阳能都无法提供稳定能源，而风光互补系统可弥补上述不足，给大电网提供持续不断稳定供电。