2023風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能容量配置與評(píng)估研究

風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能容量配置與評(píng)估研究*引言

之外，電力儲(chǔ)能裝置為其提供了新的解決方案。目前已經(jīng)有多種儲(chǔ)能技術(shù)被用應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，如飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電池儲(chǔ)能及超導(dǎo)儲(chǔ)能等。各種儲(chǔ)能技術(shù)由于工作原理不同，使其從功率、容量、工作環(huán)境以及充放電時(shí)間特性上都存在較大的差異。文獻(xiàn)[4-6]表明，儲(chǔ)能裝置能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩，提供系統(tǒng)暫態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置的有功功率和無功功率，能夠保證無功功率輸出的合理和最優(yōu)。但是儲(chǔ)能裝置的最終目標(biāo)還是為了實(shí)現(xiàn)有功功率在等其它功能。國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)主要是由發(fā)電集團(tuán)和能源公司投資4類風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)

電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功出力的要求目前已經(jīng)投運(yùn)的大型風(fēng)電場(chǎng)基本都采用最大風(fēng)所示為某風(fēng)電場(chǎng)典型并網(wǎng)日有功功率曲線。2PbPout進(jìn)行控制[8]。從圖2可以看出，風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)輸送的功率為：費(fèi)，又不因儲(chǔ)能容量不足而未達(dá)到儲(chǔ)能的預(yù)期效果，

P PP

(1)是風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文結(jié)合電網(wǎng)的有功調(diào)節(jié)需求和風(fēng)電場(chǎng)有功功12108642121086420時(shí)間有功功率（P）

out w b有功功率，Pb為+為?電網(wǎng)輸送的有功功率。實(shí)際上，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行還需要考慮其他因素。電力調(diào)度在安排發(fā)電機(jī)組時(shí)，要保證高峰負(fù)荷可22:00:0022:40:0022:00:0022:40:0023:20:000:00:000:40:001:20:002:00:002:40:003:20:004:00:004:40:005:20:006:00:006:40:007:20:008:00:008:40:009:20:0010:00:0010:40:0011:20:0012:00:0012:40:0013:20:0014:00:0014:40:0015:20:0016:00:0016:40:0017:20:0018:00:0018:40:0019:20:0020:00:0020:40:0021:20:0022:00:00圖1.某風(fēng)電場(chǎng)典型并網(wǎng)日有功功率曲線PoutDFIGPb交直流變換器PoutDFIGPb交直流變換器電池儲(chǔ)能雙PWM變頻器齒輪箱Figure2.Storagedeviceinawindfarm圖2.風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)構(gòu)圖風(fēng)電后，在高峰負(fù)荷時(shí)，即使風(fēng)電場(chǎng)此時(shí)滿發(fā)，只要壓低其它一些機(jī)組出力，便可以保證電網(wǎng)頻率合格；靠供電，并留有一定事故、負(fù)荷備用；負(fù)荷低谷時(shí)通過調(diào)峰壓出力保證頻率合格[9]。電網(wǎng)接入相當(dāng)容量的但是在負(fù)荷低谷時(shí)，本地風(fēng)電場(chǎng)有功輸出較大時(shí)，對(duì)電網(wǎng)中其它常規(guī)能源電廠來說，相當(dāng)于擴(kuò)大了電網(wǎng)的峰谷差。因此，谷荷狀態(tài)下，風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出較大時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響更大。2010年全年最26212.5MW8251.1MW，上海市地區(qū)當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠全年最大發(fā)電功率為17764.15813.5MW2010年底裝機(jī)容量構(gòu)成與分布如圖3所示[10]。3

電場(chǎng)的上網(wǎng)電量。因此，對(duì)于大型火電或核電承擔(dān)主要發(fā)電負(fù)荷的地區(qū)來說，風(fēng)電場(chǎng)配置的儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)具備以下特點(diǎn)：儲(chǔ)能設(shè)備的容量應(yīng)能滿足風(fēng)電場(chǎng)在谷荷時(shí)段發(fā)電量充分存儲(chǔ)的要求；為了能夠?qū)群蓵r(shí)期風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率的充分具備相應(yīng)快速放電的能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能電池可以較好地滿足上述三點(diǎn)要求。風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電池的配置交流電能不能直接存儲(chǔ)，但是可以通過電磁變速度，這個(gè)主要取決于能量轉(zhuǎn)換裝置的最大轉(zhuǎn)換速上海電網(wǎng)2010年底統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量構(gòu)成10%9% 26%300MW以下300MW以上600MW900MW18%1000MW37%截止2010年底，上海電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量為20348.3MW，火電機(jī)組為20208.9MW，風(fēng)電裝機(jī)容量為139.4MW。Figure3.PowercapacityofShanghaipowersystemin2010圖3.上海電網(wǎng)2010年底統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量構(gòu)成圖之間可以通過儲(chǔ)能設(shè)備的充電時(shí)間或放電時(shí)間構(gòu)成聯(lián)系，即EsPsT

(2)為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率，T為充電時(shí)間。因此，風(fēng)電場(chǎng)配置電池儲(chǔ)能需要確定兩個(gè)量：容量Es和額定功率Ps。ES的計(jì)算Esthroughput)和充放電次數(shù)(Cyclestofailure)是兩個(gè)常用的表征電池使用壽命4放電深度之間的曲線關(guān)系[12]450%DOD可以獲得較優(yōu)的儲(chǔ)能電池使用壽命。Es可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)

Figure4.Relationsbetweencycletimes,capacityandDOD4.儲(chǔ)能電池充放電次數(shù)、容量與放電深度之間的曲線 PT/CT交直流變換器儲(chǔ)能電池組變換器控制系統(tǒng) 變換器控制系統(tǒng)Figure5.TypicalstructureofBES5.常用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BES)10%的裕量，即Ps.max1.1Ps

(4)提高儲(chǔ)能電池的利用效率，應(yīng)該從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的角度，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)多年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

其中，Ps.max為儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率上限，Ps為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率。因此，額定功率Ps的選擇不僅直接影響電池儲(chǔ)能SE 4FFS8760KW1

(3)

設(shè)備的充放電時(shí)間，同時(shí)，還將影響電池儲(chǔ)能設(shè)備的利用率。為了保證谷荷時(shí)期大火電機(jī)組的最小技術(shù)出WMhPWF為風(fēng)電場(chǎng)MW。TEF單位h。KW為統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電場(chǎng)峰谷上網(wǎng)電量比；DOD50%。

PS

ESDODP P

(5)常用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BES)如圖5所示[13]。通過變換器控制系統(tǒng)對(duì)交直流變換器的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池組以不同大小的功率進(jìn)行充放電，甚至可以如風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行最大風(fēng)能捕捉一般，追蹤風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化進(jìn)行連續(xù)性控制。但是，由于變換器電力電子器件的限制，整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率上限，即只能工作于Ps.max以下。從目前的電力電子變換器系統(tǒng)來看，交直流變換器在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，通常取

S.max WFV22時(shí)~68根據(jù)公式(3)計(jì)算得到。儲(chǔ)能電池的額定功率越大，相應(yīng)的其價(jià)格也越儲(chǔ)能設(shè)備的額定功率按式(5)的約束取風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)概率最大發(fā)電功率。應(yīng)用效果評(píng)估企業(yè)管理體系設(shè)備利用指標(biāo)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中配置的儲(chǔ)能電池的設(shè)備利用率進(jìn)行評(píng)估[14,15]。主要有：分利用的時(shí)間百分比，即：設(shè)備時(shí)間利用率=設(shè)備充分利用的天數(shù)100%一年365天發(fā)電量大于或等于50%充電深度的儲(chǔ)能設(shè)備容量使得儲(chǔ)能設(shè)備能夠充分利用的天數(shù)。年)內(nèi)的平均負(fù)荷與額定負(fù)荷之比的百分?jǐn)?shù)，即設(shè)備負(fù)荷率。即：設(shè)備能力利用率谷時(shí)發(fā)電量100%儲(chǔ)能容量這里的谷時(shí)發(fā)電量需要滿足風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率小于等DOD下儲(chǔ)能容量時(shí)，儲(chǔ)能裝置利用率為100%，風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)不發(fā)電時(shí)，儲(chǔ)能裝置利用率0%。(年)內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)谷荷時(shí)期通過儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)的電能占相同時(shí)段內(nèi)發(fā)電量的百分?jǐn)?shù)。即：谷時(shí)風(fēng)資源利用率儲(chǔ)能設(shè)備能夠存儲(chǔ)的發(fā)電量100%谷時(shí)發(fā)電量這里的儲(chǔ)能設(shè)備能夠存儲(chǔ)的發(fā)電量取在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率小于等于儲(chǔ)能電池最大運(yùn)行功率的約束條件下，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)發(fā)電量大于給定DOD下儲(chǔ)能容量時(shí)，取給定DOD下的儲(chǔ)能設(shè)備容量；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)發(fā)電量小于給定DOD下儲(chǔ)能容量時(shí)，取風(fēng)電場(chǎng)谷荷時(shí)期發(fā)電量。算例分析16.5MW2008~2009年的發(fā)

評(píng)估儲(chǔ)能電池的利用率。62008~2009年峰谷上網(wǎng)電量比數(shù)據(jù)。從中可以看出該風(fēng)電場(chǎng)峰谷上網(wǎng)電量比基本在2:1~3:124小時(shí)中風(fēng)資源分布較為均勻，電網(wǎng)處于峰荷時(shí)期風(fēng)資源稍好。72008~2009年谷時(shí)輸出有功功率70~5MW60%以上。5MW/30MWh儲(chǔ)1為風(fēng)電場(chǎng)各種儲(chǔ)能配置應(yīng)用效果對(duì)比數(shù)據(jù)和谷時(shí)有功出力統(tǒng)計(jì)圖。1EsPs進(jìn)行配置的結(jié)果可以綜合風(fēng)資源利用率和設(shè)備利用率兩個(gè)方面，得到一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的利用效果。結(jié)論本文針對(duì)目前電網(wǎng)火電裝機(jī)比例較大的特點(diǎn)，F(xiàn)igure6.Ratiocurveofpeakandvalleypowerofthewindfarmin2008-2009圖6.風(fēng)電場(chǎng)2008~2009年峰谷上網(wǎng)電量比曲線Figure7.Distributionofactivepowerinvalleytimeofthewindfarmin2008-2009圖7.2008~2009年風(fēng)電場(chǎng)谷時(shí)有功出力百分比分布圖Table1.Utilizationresultofdifferentstoragecapacity表1.風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用效果對(duì)比年份配置的儲(chǔ)能容量設(shè)備設(shè)備能力利用率谷時(shí)風(fēng)資源利用率200840MWh34.5%63%63.61%36MWh37.5%65%59.73%30MWh45.2%69%52.94