试论风光储联合发电运行技术

文/王安民

当前，随着石油资源的不断减少，太阳能、风能等新能源的开发技术也在不断成熟。为进一步提高太阳能、风能发电的供电质量，本文对太阳能、风能、储能发电运行技术的各个环节进行了细致研究；通过确定混合多储能技术应用优势、增设风光储互补的储能系统等方式，有效降低了原风光发电运行技术对电网产生的影响，同时增强了风光发电输出平稳性以及电网融入新能源的兼容性，并最终达到提高经济效益的目的。

随着新能源发电领域的深入探索，风能、光能发电所具有的随机性和间歇性等特点对电网产生的影响逐渐显现出来，进而增加了电网控制与调度风光发电的难度。由于风能与光能在资源的转化和利用过程中存在一定的互补关系，且在风光发电基础上加入蓄能设备，能够极大地改善新能源发电与电网间的衔接作用，故本文针对当前存在的储能平抑联合风光发电效果不佳、储能配置不合理等情况，通过研究现有风光发电运行技术和优化储能配置等方式，以期提高风光储联合发电运行技术的实用性。

一、风光储联合发电技术

由于光能和风能存在一定的波动性、随机性，所以光能发电、风能发电系统的输出环节会出现较为明显的波动。此时，如果借助储能设备来解决新能源发电存在的波动性较大这一问题，那么实际使用的储能设备必须具备快速响应的性能。据统计，在2017年，全球有90%的国家或地区使用的是抽水式储能设施，此类设施最大的优点是环保，但其储能反应速度慢的缺点也非常明显。彼时，兼具机动性好、循环利用率高、储能密度大以及储能响应快等优势的化学储能设施成为各国研究的重点。2017年，锂电池储能占化学储能的93%，铅电池储能则占化学储能的7%左右。[1]

现阶段的储能类型主要有两种，一是单一储能系统，二是混合储能的多储能系统。其中，锂离子电池、钒液电池、电池和电容混合等储能技术均具有控制风光发电波动性、稳定输出的作用。

二、风光储联合发电系统的结构

在风能发电系统中，储能装置既可以接入交流侧也可以接入直流侧进行储能。但在光能发电系统中，储能装置只接入直流侧进行储能，随后再将储存的光能转变成交流电输送进电网。因此，接入风、光联合发电系统的储能设施必须同时满足风电、光电的接入需求；同时，为满足风电、光电的统一协调及互补要求，储能设施必须从该系统母线的公共端接入，以达到兼容两种发电系统的目的。风、光联合发电系统如图1所示。

三、风电、光电联合运行的控制形式

技术人员基于新能源发电相关理念，对光能、风能、储能资源进行合理统筹，从而实现了联合发电系统可调、可控、可预测的目的。其中，风、光、储运行模式主要有离线运行和并网运行两种模式，因此在主网运行时，这三种运行模式需要在发电量与用电量达到一定平衡时才能实现。此外，风、光、储联合运行模式实现发电控制的模式主要有三种，分别是负荷填谷削峰模式、计划性输出模式以及功率平滑输出模式。为达到最佳控制效果，本文重新设计了风、电、储联合运行模式，新的光电控制模式共有5种，分别是调整频率模式、目标跟踪模式、自动调整发电模式、计划跟踪模式以及平滑模式（见表1）。

运行模式 光电控制模式风计划跟踪、目标跟踪光风、光联合储计划跟踪、目标跟踪、调整频率储、风联合计划跟踪储、光联合风、光、储联合 计划跟踪、自动调整、控制发电、目标跟踪

传统光电控制模式中的功率平滑输出、计划输出以及负荷填谷削峰控制均属于调频和发电自动控制运行模式。[2]

四、风、光、储发电储能的平抑控制

（一）单一平抑风、光发电输出波动的方法

当前，平抑风、光、储发电功率及输出最简单且最普遍的方法便是加装低通滤波器。低通滤波器是由电容器、电阻等零部件共同组成的滤波电路，其主要通过控制不同频率电波来实现滤波的目的。

需要注意的是，虽然风、光发电储能系统可以通过加装低通滤波器在一定程度上平抑电力输出，但其实际操作难度普遍较高。例如在设定时间常数环节，技术人员不仅需要根据系统运行过程中的实际状况来进行操作，同时还要在低通滤波器中加入惯性的时间参数，并结合PI技术（第二代智能并联技术）进行控制。[3]

当前，随着风、光发电技术的不断升级与滤波器的不断更新，适用于风、光发电输出波动平抑的滤波器的种类不断增多。以平均滑动滤波器为例，其主要采用两极小波段滤波形式对风、光发电输出进行平抑。此类滤波平抑设备不仅综合性能强，同时还具有降低噪声的功能。

（二）增设约束条件的平抑方法

事实上，风、光、储联合发电系统非常复杂，仅使用滤波器是无法完全满足系统对平抑输出的需要的。因此，技术人员在滤波器平抑的基础上增设了相应的约束条件，从而进一步提高了平抑效果。与此同时，技术人员以控制有功功率达到最小波动为目的，建立了储能充放电模型，该模型能够充分满足各约束条件下系统对储能容量以及充放电控制等方面的需求。由于储能约束条件中包含发电开环控制的策略，为防止在控制过程中发生预测误差等情况，技术人员又在系统中增加了预测模型控制功能，以有效增强平抑风光发电输出的效果。此外，考虑储能系统在对风、光发电输出波动进行平抑时容易发生过充电、过放电的情况，系统采用了一种能够反馈储能电荷实际状态的算法。这些约束条件还能在滤波的基础上，依据储能电池系统的实时运行滤波常数，研究出蓄能能量与风、光发电的波动关系，并以此确定储能电池优化能量与功率计算的方法。

（三）预测功率和智能平滑控制的方法

除上述平抑控制方法外，很多研究机构还在风、光发电预测技术以及智能化控制技术等方面投入研究，从而进一步优化了控制效果；也有研究机构通过在滤波器中加入神经网络形式的算法达到了相同的目的。还有一些研究机构在预测风、光发电功率的基础上合理运用协调优化策略，并根据约束功率的偏差、储能容量以及功率充电模型等信息，逐步实现了储能充电、放电最小次数和最大剩余电量的优化。研究机构通过改进蓄能公差控制方法、增加自适应和动态随机功能等方式，极大地改善了风、光发电的峰谷平抑效果。

而针对风、光发电输出波动目标的平抑，研究机构普遍采用设定目标函数的方法。该函数主要根据短期的光电、风电预测值，以及风、光发电功率的预测值来设计运行计划，从而达到系统实际输出功率同计划输出功率基本一致的效果。随后，研究机构便可以通过设置储能功率以及储能容量的约束条件来实现对储能系统的动态化控制。[4]

五、多种储能技术的联合运用

在风、光、储联合发电系统中，储能系统既可以单独运行，也可以同多种储能系统联合运行。但在使用多种储能联合运行技术时，每一种储能系统的配置必须能够兼容其他系统。同时，考虑风电、光电具有一定的随机性，本文建议研究机构采用基于机会约束的储能联合规划方法，将储能设备的电池和超级储能电容器进行有机结合，从而补偿风电、光电输出过程中产生的波动。此外，该方法还具有降低储能装置成本、实现功率匹配最优化、保持功率输出特性曲线的平滑等优势。大量配置储能的应用结果足以证明，其应用效果明显优于余量并网以及低频并网的方法。同时，其储能设施的寿命多在10年左右，且在多种储能联合运行模式中，锂电池与超级储能电池的组合形式最为经济，其效益也最高。因此，单从经济性考虑，采用该组合形式来平抑风、光、储联合运行发电输出时的波动具有良好的发展前景。

六、结语

综上所述，在风、光联合发电运行系统中，对储能系统进行整合能够在很大程度上平抑风、光发电输出时的波动性，从而减少风、光发电在并网过程中对电网产生的冲击。本文通过多种储能联合运行的方式，进一步发挥出各储能系统运行优势，并有效延长了综合储能装置的使用寿命。因此，为真正实现各储能设施的完美融合，基于多种储能联合运行的储能协调控制将是今后研究的重点。