风能光能海水抽水蓄能电站的容量设计研究

刘 权，张 东，苏媛媛，刘嘉欣，于 浩，孙晓东

（沈阳工程学院 a.研究生部；b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136）

1 研究背景

生活中的每日用电需求经常会有波动，夜晚高峰需求比非高峰时段高出一倍之多。因此，设计联合系统以满足不同时段的供电需求，能更好地节约能源。

由于可再生能源的随机性和不规则性以及负荷的功率波动，在高渗透率的系统中加入储能装置是十分必要的。储能系统的功能可定义为捕获一次产生的能量，并在以后使用。现在主要的储能方式有重力势能储能、电池中的化学能、以压缩空气储存的压力能、以熔盐形式储存的热能等。

电池储能是化学储能形式中应用最广泛的储能形式之一，电池的寿命受放电水平的影响很大。由于电池是由化学物质组成的，其性能、成本和使用寿命受其使用方式和条件的影响。通常，电网所用的储能方式中，60%～80%是电池储能。电池储能的主要优点是响应时间短（数毫秒），提高了电力系统的安全性和可靠性，并能够对系统进行有功补偿，而主要缺点是其寿命比其他储能方式短，同时电池储能的资金成本高，受环境影响大，备用时间短。上述缺点使得抽水蓄能缺乏竞争力。

熔盐可用作热能储存，维持集中式太阳能电站的太阳能槽所获得的热能。典型的熔融盐延伸混合物包括硝酸钠、硝酸钾和硝酸钙，具有不易燃和无毒的优点，已在化工和冶金工业中作为热流体输送使用。在电网储能应用中，熔盐蓄热的主要缺点是整体效率较低（只有15%），且成本较高。当熔盐用作加热的燃料源时，必须建造热电厂以将热能转换成电能。因此，熔盐蓄热与抽水蓄能相比，缺乏竞争力。

抽水蓄能电站主要由水轮机、发电机、水泵、电动机和水库构成。目前，抽水蓄能电站使用的大多是可逆式水轮机，既可以作为水轮机使用，也可以作为水泵使用，因此也称之为水泵水轮机。抽水蓄能电站使用的发电机大多也是可以双向逆转的，既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用，因此也称之为电动发电机。抽水蓄能电站按照上水库水量来源一般可以分为纯抽水蓄能电站和混合抽水蓄能电站。纯抽水蓄能电站的上水库没有水源或者天然水量很小，上水库的水量完全依靠水泵提供，而混合抽水蓄能电站的上水库一般有水源。上水库在非高峰时段利用剩余能量进行抽水储能，而下水库则在高峰时段进行排水发电，效率通常为70%～85%，这使其成为最有效的储能方式之一。抽水蓄能技术是根据长期用电需求调节发电量的理想技术。在高峰需求期间上水库发电，在用电非高峰时期，上水库从下水库抽水蓄能。随着发电过程中不确定因素的增加，保证供电安全的灵活性显得尤为重要，降低维护和运营成本也很重要。水力发电厂的机械设备的寿命通常为40至50年，但水力发电厂本身可能具有100年的寿命。

2 海水抽水蓄能水电站

抽水蓄能电站具有发电和储能的特性。传统的抽水蓄能技术虽然比较成熟，但是在实际过程中，对项目的选址、工程的一次性投入，尤其是对淡水资源的依懒性很大。抽水蓄能电站一般修建在淡水资源富集的地区，但是会造成淡水资源的浪费，同时破坏生态环境。据此，提出海水抽水蓄能的概念。海水抽水蓄能一般建在海岸线或者孤岛上，可以很好地降低一次成本的投入；同时，抽蓄海水可以减少对淡水资源的浪费。

基于海水抽水蓄能风光互补发电系统，可以最大限度地提高风电和光伏等清洁能源的利用，该系统具有低污染、高可靠性、低波动性和高稳定性等特点。与单独的风电系统、光伏系统、抽水蓄能系统相比，风光抽蓄系统具有更好的互补性。风电场的出力主要取决于风速的大小；光伏电厂的出力主要取决于光照强度和温度。将风电光伏抽蓄发电系统联合运行，利用抽蓄机组的储能特性，可以降低系统的设计容量，减少一次投入成本。

海水抽水蓄能是抽水蓄能技术的一种改进形式，电站可以建在高山海岸线的海岸附近。与普通的抽水蓄能不同，它只有一个水库（上部）而不是两个水库（上部和下部），这明显降低了成本。此外，它没有缺水问题，因为海水总是存在的。来自上水库的水通过压力管道运送到电站的水轮机，并在高峰时段排放到海洋中进行发电。在非高峰时段，抽水水泵将海水送到上水库。这种在高峰时段发电并将水抽回上水库的循环效率约为80%～85%。

3 拟议混合系统的组成

具有海水抽水蓄能系统的可再生能源系统的典型结构（包括基本参数和潮流方向），如图1所示。风-光-抽水蓄能联合系统接入电力系统，其管理非常复杂。这是因为光伏发电和风力发电的输出主要取决于太阳辐射和风速，它们的功率预测十分复杂。储能系统用于在白天存储多余的能量并在夜间用电高峰时期发电，双管道液压单元通过适当的控制策略有助于电压调节和调频。因此，使用具有双管道海水泵系统，而不是单个压力管道泵送系统。

3.1 风力机

风力机的输出功率主要取决于场址处的风速以及输出功率曲线描述的风机特性。在该研究中，选择T600-48风机。当切入风速（vcut-in）超过3 m/s时，风机开始运转。当风速超过12.5 m/s（vrated）时，风机开始产生额定功率（600 kW）。当速度达到25 m/s（vcut-off）时，出于安全原因，风机将停止运行。风机的功率曲线如图2所示，从风力机获得的能量计算如下：

图1 具有海水抽水蓄能系统的可再生能源系统

式中，EWT为风力发电机产生的能量；v为风速；n为风力机数量；PWT为风力发电机额定功率；t为时间。

图2 T600-48输出功率曲线

3.2 太阳能光伏阵列

太阳能电池是光伏阵列的主要部件，以串联或并联的形式形成光伏组件。一般来说，一个典型的组件由24/72个光伏电池串联组成。光伏系统的输出功率受到辐射强度、工作温度和面板清洁度的影响。

光伏阵列产生的能量可表示为

式中，EPV为产生的能量；nPV为系统中光伏板的数量；Irad(t)为当地实时太阳辐射强度；ISTC为标准操作条件下的太阳辐射强度；PPV是在标准操作条件下光伏板的安装容量；ηPV为系统的效率，它与面板的工作温度和清洁度有关。

3.3 抽水蓄能系统

水流量为通过水轮机的水量。一般而言，水电站的输出量为

式中，EH为水轮机产生的能量；ηH为水轮机的工作效率；ρ为海水密度；g为重力加速度；Q为流向水轮机排水量；h为有效扬程（高度差）。

3.4 风-光-抽水蓄能联合系统的工作模式

抽水蓄能电站作为电网综合辅助管理工具，通过提供系统储能服务和多工况调度运行，在电网中承担调峰填谷、调频调相、事故备用、黑启动等任务，已经成为电力系统重要的“稳压器”“调节器”和“存储器”。

随着全球能源结构加快调整，风能、太阳能等新能源快速发展，对电力储能提出更高的要求。当前，电力存储技术主要有机械储能、电磁储能和电化学储能，其中能够规模化、商业化应用的仅有抽水蓄能、压缩空气储能和部分化学电池储能装置。与其他储能装置相比，抽水蓄能电站具有如下优点：

1）容量大、造价低、使用寿命长，技术已经十分成熟；

2）机组启停时间短、响应迅速，能源转换效率稳定，运行安全、可靠、高效；

3）其转换、储存和再利用的均为清洁能源，环保性能突出。

因此，抽水蓄能电站对于提高能源利用效率，保障电网安全稳定运行，促进新能源消纳和节能减排，构建现代能源体系具有不可替代的重要作用。

风、光和抽水蓄能电站联合运行的调度方式主要有3种：

1）将全部风、光发电量都用于蓄能抽水，之后再利用抽水蓄能电站发电输送至电网；

2）根据电网的容量以及风、光电站发电功率的具体情况，将一部分风、光发电量直接输送至电网，另一部分风、光发电量用于水泵抽水；

3）风、光发电量全部直接输送至电网，抽水蓄能电站利用电网的电量进行抽水蓄能，之后适时发电输送至电网。

4 结 论

本文提出了一种基于海水等大面积水源的风光抽水蓄能系统，并针对负荷需求，提出了联合系统的工作模式。通过计算风电机组、光伏电站和抽水蓄能电站的发电量，为以后联合系统的设计和调度打下基础。新能源发电在未来所占比重越来越大，合理、经济地分配电能是当下急需解决的问题。风-光-海水抽水蓄能电站作为一种改进的联合系统，更加节省成本，同时也解决了其他水库缺水的问题。本文仅仅对联合系统各部分发电量进行设计，并未考虑联合系统接入电网后对电网的功率波动，并网是最重要关键的部分，在之后的研究工作中，将注重联合系统的并网影响。