风光储联合发电技术及其工程应用

唐宏德,郭家宝,陈文升

(上海电力设计院有限公司,上海 200025)

为解决风力发电、光伏发电等可再生能源大规模接入电网的问题,我国已有部分企业和研究机构立项开展风光储联合发电技术研究和工程试点,旨在采用新的技术手段,实现风力发电、光伏发电、储能系统以及电网的友好互动和智能调度,实现智能电网对可再生能源集约化发展的有力支撑,进而破解大规模可再生能源并网运行的技术瓶颈,提高电网对大规模可再生能源的接纳能力。

1 系统的特点

由于风能和光能的间歇性和随机性,风、光独立运行系统很难提供连续稳定的能量输出,如果在风、光互补的基础上加入储能装置组成风光储联合发电系统,就可以充分利用风能和光能在时间及地域上的天然互补性,同时配合储能系统对电能的存储和释放,改善整个风光发电系统的功率输出特性,缓解风电、光电等可再生能源的间歇性和波动性与电力系统需要实时平衡之间的矛盾,降低其对电网的不利影响。

风光储联合发电系统通过对风能与光能的存储与释放,可以使不稳定的能源变成稳定的具有较高品质的电力产品,增加电网对可再生能源的吸纳程度[1-3]。

风光储联合发电系统主要由风力发电单元、光伏发电单元、储能系统和智能控制调度系统等构成。风电和光伏两种发电方式在能源的采集上互相补充同时又各具特色:光伏发电供电可靠、运行维护成本低、但造价高;风力发电发电量高、造价和运行维护成本低、但可靠性低。风光储联合发电系统不仅为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路,而且有效改善了风电和光伏发电单独输出电力时对系统稳定性和可靠性的影响。

2 关键技术

风光储联合发电系统的关键技术,包括风光储系统容量配比的确定、储能装置功率和容量的选择、风光储系统调度策略的制定、智能控制调度系统的设计和风光储能系统无功补偿配置方案的完善。

2.1 风光储系统容量配比

研究风光储能系统的容量配比问题目的,是充分利用风光在时间及地域上的天然互补性以及储能电池的能量可存储性,改善整个风光发电系统的时间功率输出曲线,抑制风光独立发电系统接入对电网产生的不利影响。

风能及太阳能资源具有互补性,白天太阳能充足、晚上风能充足,夏大太阳能充足、冬天风能充足,特别是在我国的西北和华北等地区,冬春两季风力大,夏秋两季太阳光辐射强。风光复合发电系统充分利用了风能和太阳能的天然互补性,可以大大减少系统中蓄电池的用量,采用风能太阳能互补发电系统,很好地克服风能及太阳能提供能量的随机性、间歇性的缺点,实现不间断供电,从而提高系统的经济性和运行的可靠性。由于风电、太阳能发电、储能装置之间有着复杂的匹配关系,风光互补供电系统的容量配置就是根据这种复杂的匹配关系决定系统各部分的容量,从而达到风光总输出功率平稳和有效提高能源利用率的作用。因此,在风光储互补供电系统的设计中,系统容量的优化配置是一个很重要步骤。

2.2 储能装置功率和容量选择

储能电池功率和容量的选择与风光发电输出的波动程度以及储能系统要求实现的控制目标有关。通常情况下,增加储能电池功率和容量能够改善风光发电输出的稳定性,但是储能电池的功率和容量所具有的改善系统输出电力波形的能力不同,因此要在对储能电池功率和容量对输出波形影响的研究基础上,选择最佳的储能装置功率和容量。

2.3 风光储系统调度策略

风光储系统应用的主旨在于利用风光在时间及地域上的天然互补性,以及储能电池的能量可存储性,从而改善整个风光发电系统的时间功率输出曲线,减少分布式电源接入对电网的不利影响,利用储能电池对不确定性较大的风能与光能的存储与释放,可以使不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品,增加电网对可再生能源的吸收接纳程度,利用能量存储系统可对电网负荷进行适当的调整,还可以为电网提供削峰填谷的功能。在风光储能系统运行过程中,首先要确定风光储所要实现的目标,然后根据不同的控制目标选择不同的系统调度策略。

由于风光的出力具有不确定性,通常情况下是不可调度的,因此风光储系统能量调度策略的主要任务确定储能装置的充放电过程,确保系统能够最大程度地达到预定控制目标。调度策略的制定要以可靠的数据预测和控制目标作为决策基础,其中数据预测包括日风速预测、日光照强度预测等,控制的基本目标主要有平滑电站的功率输出曲线、跟踪计划出力曲线和实现负荷曲线削峰填谷等。此外,还需要研究不同目标输出下的总体策略原则以及制定储能电池的充放电策略。

2.4 智能控制调度系统

智能控制调度系统根据电网下达的调度曲线、风能预测和光照预测,调节风、光、储三者的功率输出,实现预设的控制目标,因此是整个风光储项目的控制核心。智能控制调度的目标是将发电、太阳能发电等不稳定的能源转化为高质量的电力,因此是将智能电网和清洁能源结合的一种重要体现。

传统的控制系统独立组网,各种配置相互独立,这种方式虽然实现简单,但相互之间无法进行信息交互,更做不到系统协调控制,无法达到智能控制调度系统的要求。风光储联合发电系统的智能控制调度系统可采用“一体化”的设计原则,在统一的通信平台上,配置一体化的计算机监控系统,可以实现对上述所有设备的监测和控制,并实现智能控制调度的目的。

根据目前的技术发展情况,储能装置、风机、光伏逆变器等设备控制方式比较特殊,包含机械、电力电子等器件的监测和控制。目前国内外工程中,储能装置、风机、光伏逆变器的控制系统分别由设备制造商统一提供,均采用专门的控制策略和通信规约,电力系统常用的通信标准和控制系统无法直接用于这些设备中,因此需要进一步研究如何在统一标准平台的基础上实现智能控制。

2.5 风光储能系统无功补偿配置方案

通常,风力发电机组、光伏发电设备和储能系统本身都具有在一定功率因数范围内的调节能力,其中风力发电机组的功率因数基本可在0.95(超前)～0.95(滞后)调节,光伏发电和储能系统都是通过逆变器并网运行,逆变器的功率因数一般可在0.98(超前)～0.98(滞后)调节。不过为了实现这些发电机组无功输出的连续可调,还需要在发电项目内另外安装无功电压自动控制装置,真正实现无功出力的有效控制。目前,可作为动态无功备用的无功补偿装置主要有调相机、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(STATCOM,也称SVG)等,在具体的工程应用中需要根据接入电网特点和需求研究无功补偿配置方案。

3 工程应用

由于存在波动性、间歇性和随机性的特性风力发电、光伏发电独立运行都很难提供连续稳定的能量输出,为了研究解决这一问题我国各大电网公司和发电集团都在积极探索风光储联合发电的工程应用,其中最为典型的是国家电网公司在张家口着手建设的我国第一个国家级大型风光储输示范工程。该工程旨在通过采用科学创新的技术手段,实现风力发电、光伏发电、储能系统以及与电网的友好互动和智能化调度,进而破解大规模可再生能源发电并网运行的技术瓶颈,提高电网对大规模可再生能源发电的接纳能力,为可再生能源集约化发展提供有力的支撑[1]。

国家风光储输示范工程是国家“金太阳工程”的重要组成部分,项目的风力发电500 MW,光伏发电100MW,储能系统110MW;一期工程拟建设风力发电100 MW、光伏发电50 MW和化学储能装置20MW。通过储能系统与光伏、风力发电系统的协调,不仅能有效减小可再生能源发电对电力系统的冲击和影响,提高电力系统运行的稳定性和经济性,而且对增强可再生能源发电产业的核心竞争力,促进国内风电、光电的产业化和规模化发展,推动我国风资源和光资源的开发利用,实现国家能源可持续发展的总体战略具有重要意义。

[1] 余寅,唐宏德,郭家宝,等.风光储输一体化发电应用前景分析[J].华东电力,2010,38(12):1891-1893.

[2] 刘波,郭家宝,袁智强,等.风光储联合发电系统调度策略研究[J].华东电力,2010,38(12):1897-1899.

[3] 刘波,郭家宝,袁智强,等.风光互补发电系统特性研究[J].华东电力,2010,38(12):1903-1906.