多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法

遲 昆，李 媛，張 軍，張中丹，王 濤

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州 730050；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730030）

大力發(fā)展太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等 可再生能源是解決能源危機(jī)的有效手段。在眾多可再生能源中，風(fēng)電成為電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。風(fēng)力發(fā)電對(duì)保護(hù)環(huán)境起到了很好的作用，因此風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)規(guī)模日益增加。在建設(shè)過程中，由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，容易使電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)變得不穩(wěn)定。儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)通過調(diào)度優(yōu)化方法可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的消納[1-2]。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)風(fēng)電、儲(chǔ)能構(gòu)成的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)地研究。相關(guān)學(xué)者利用可控柔性負(fù)荷對(duì)可控負(fù)荷發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了剖析，通過提升發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷谷值來降低熱負(fù)荷峰值，并在二級(jí)熱網(wǎng)中增設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納。該方法減弱了棄風(fēng)現(xiàn)象，但發(fā)電系統(tǒng)的功率較高[3]。還有學(xué)者提出了基于熵理論的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法，該方法建立了消納棄風(fēng)的優(yōu)化控制模型，以改進(jìn)熵最小為棄風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電棄風(fēng)進(jìn)行調(diào)控，再采用粒子群算法求解發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能功率，降低風(fēng)電的不可靠性，并減少運(yùn)營(yíng)成本。該方法雖減少了投資成本，但風(fēng)電消納能力較低[4]。

為了解決以上問題，文中提出了多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法，該方法在分析消納棄風(fēng)基本原理的基礎(chǔ)上，建立了多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)模型，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的性能。

1 系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)模型

該研究采用了可控柔性負(fù)荷配置多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量，從而消納了少量的棄風(fēng)，但大多數(shù)的棄風(fēng)依然未被消納。由于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能較差，不能與風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電儲(chǔ)能功率進(jìn)行高效交換，且多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量流動(dòng)較快，具有較高的能量時(shí)移。因此，通過將儲(chǔ)能技術(shù)與多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納，減少棄風(fēng)現(xiàn)象，提升風(fēng)電固有匹配能力[5]。

將儲(chǔ)能技術(shù)與多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合后，與風(fēng)電出力進(jìn)行匹配。根據(jù)棄風(fēng)出現(xiàn)的規(guī)律對(duì)儲(chǔ)能容量和互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中需要將棄風(fēng)功率與發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率進(jìn)行交換和轉(zhuǎn)化，以達(dá)到提升發(fā)電系統(tǒng)的熱負(fù)荷峰值，增強(qiáng)風(fēng)電消納的效果。同時(shí)，當(dāng)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)不能消納全部的風(fēng)電棄風(fēng)時(shí)，存儲(chǔ)未被消納的風(fēng)電棄風(fēng)，以便減少棄風(fēng)電量和熱負(fù)荷谷值，達(dá)到充分利用棄風(fēng)功率的目的，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合棄風(fēng)消納[6-7]。

當(dāng)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)消納能力下降時(shí)，棄風(fēng)電量將會(huì)迅速上升，在達(dá)到最大值后略下降。為了提升發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)消納能力、減少棄風(fēng)電量以及棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，需要在發(fā)電系統(tǒng)中增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備的增設(shè)相當(dāng)于在發(fā)電系統(tǒng)中建立了一個(gè)消納棄風(fēng)現(xiàn)象的屏障，當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備正常運(yùn)行后，開始進(jìn)行棄風(fēng)消納。棄風(fēng)消納能力與棄風(fēng)電量之間的關(guān)系示意圖如圖1 所示。其中，棄風(fēng)消納能力通過消納風(fēng)電量來表示。

圖1 棄風(fēng)消納能力與棄風(fēng)電量之間的關(guān)系示意圖

多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)棄風(fēng)消納能力穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能容量保持恒定，增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備可以保證發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)棄風(fēng)消納能力較低時(shí)，為了保持儲(chǔ)能容量恒定，將發(fā)電系統(tǒng)電儲(chǔ)熱的儲(chǔ)能容量設(shè)定為最大，并在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中投入若干負(fù)荷，使發(fā)電系統(tǒng)的額定功率與工作功率相等[8]。當(dāng)儲(chǔ)能容量大于發(fā)電增量時(shí)，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)電量較少，棄風(fēng)現(xiàn)象有效降低，但儲(chǔ)能容量無法保持一直較高的狀態(tài)。因?yàn)槎嗄芑パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的調(diào)節(jié)能力有限，一旦提高調(diào)節(jié)功率和額定功率，將增大儲(chǔ)能容量匹配的成本，所以在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，需要將調(diào)節(jié)功率和工作功率設(shè)定為最佳功率，以此實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量的合理配置。

為了確定最優(yōu)的調(diào)節(jié)功率和工作功率，設(shè)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量為PC，儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)節(jié)功率為PE，發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)消納能力為PB，棄風(fēng)電量為PWQ，則多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)模型為：

式中，I1為儲(chǔ)能設(shè)備,J1為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),N1為儲(chǔ)能設(shè)備集合，M1為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量,K為儲(chǔ)能容量利用率。當(dāng)儲(chǔ)能容量利用率最高時(shí)，求解此時(shí)的儲(chǔ)能容量最優(yōu)值，此時(shí)可進(jìn)行穩(wěn)定、高效地消納棄風(fēng)[9-10]。當(dāng)儲(chǔ)能容量的利用率較低時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備的配置能力將會(huì)迅速下降，調(diào)節(jié)功率與工作功率將會(huì)下降，此時(shí)不能對(duì)棄風(fēng)電量進(jìn)行有效地棄風(fēng)消納。

2 系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制

由于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)行儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)時(shí)采用了儲(chǔ)能技術(shù),并運(yùn)用了儲(chǔ)能設(shè)備，因此為消納棄風(fēng)電量設(shè)定了安全屏障。在采用儲(chǔ)能技術(shù)調(diào)節(jié)功率期間，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)峰能力在迅速發(fā)生改變，棄風(fēng)時(shí)間在不斷延長(zhǎng)，儲(chǔ)能容量在不斷增加，其中，棄風(fēng)電量中的低谷棄風(fēng)電量可影響棄風(fēng)消納的效率和時(shí)間，低谷棄風(fēng)電量增加，棄風(fēng)消納效率增大，低谷棄風(fēng)率也隨之增大，低谷棄風(fēng)率大約為棄風(fēng)電量的80%。在對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行調(diào)試階段，低谷棄風(fēng)的比重不高，這是由于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的棄風(fēng)消納基本發(fā)生在低谷運(yùn)行階段，在調(diào)試階段跟蹤棄風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的電儲(chǔ)熱，輸出電儲(chǔ)熱的熱量，可以降低儲(chǔ)能調(diào)試成本，并縮短棄風(fēng)消納環(huán)節(jié)，降低棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率[11-13]。

基于建立的消納棄風(fēng)模型，文中給出了多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)的控制策略。消納棄風(fēng)控制策略如圖2 所示。

圖2 消納棄風(fēng)控制策略

根據(jù)圖2 可知，在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)自身控制約束的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備跟蹤棄風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化控制。由于時(shí)序棄風(fēng)功率影響著優(yōu)化控制的進(jìn)行，因此在對(duì)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行棄風(fēng)消納時(shí)，需要評(píng)估發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。如果此時(shí)棄風(fēng)功率高于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行功率，并且無法滿足電負(fù)荷要求時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行電制熱,以此消納棄風(fēng)電量。在不同的棄風(fēng)時(shí)段，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行功率和棄風(fēng)功率都有差異，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行功率介于工作功率與額定功率之間。

當(dāng)棄風(fēng)功率高于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作功率時(shí)，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以工作功率運(yùn)行；當(dāng)棄風(fēng)功率低于工作功率但高于額定功率時(shí)，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以棄風(fēng)功率運(yùn)行；當(dāng)負(fù)荷功率高于棄風(fēng)功率并小于額定功率時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備中的儲(chǔ)能容量為充電量和放電量的總和，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在放電時(shí)，其下限功率與上限功率不會(huì)影響儲(chǔ)能設(shè)備的正常運(yùn)行。然而多能互補(bǔ)系統(tǒng)在進(jìn)行負(fù)荷充電時(shí)，上限功率和下限功率均影響儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行。如果下限功率高于上限功率，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)節(jié)能力最差，一旦上限功率高于下限功率，儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)節(jié)能力將逐漸變強(qiáng)[14-16]。根據(jù)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制策略，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)盡可能使用風(fēng)電，降低棄風(fēng)電量，減少棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法的實(shí)際工作效果，將基于熵理論的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法與文中方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)在Matlab環(huán)境下搭建了一個(gè)包含風(fēng)電的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量達(dá)100 MW，系統(tǒng)的運(yùn)行功率為150 MW，儲(chǔ)能設(shè)備的工作功率為20 MW。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，文中設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)工況，以此提升發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)消納能力。

第一種實(shí)驗(yàn)工況：多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備都不工作，棄風(fēng)電量全部由電負(fù)荷進(jìn)行消納，此時(shí)，棄風(fēng)電量增加，棄風(fēng)現(xiàn)象較多；第二種實(shí)驗(yàn)工況：多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備同時(shí)工作，同時(shí)對(duì)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行控制，提升了棄風(fēng)消納的能力。

多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作功率、儲(chǔ)能設(shè)備工作功率以及消納前后的實(shí)際工作功率為，在儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)節(jié)階段，棄風(fēng)功率低于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的額定工作功率，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以50 MW 的功率跟蹤棄風(fēng)電量工作，通過多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)全面消納棄風(fēng)電量，使得儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的熱負(fù)荷峰值最高時(shí)，棄風(fēng)電量顯著增加，當(dāng)前棄風(fēng)功率高于多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作功率，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以150 MW 的最大功率來消納棄風(fēng)，同時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備開始運(yùn)行，配合多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來消納棄風(fēng)，將多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)消納不完的棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)到儲(chǔ)能設(shè)備中。當(dāng)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的熱負(fù)荷谷值最低時(shí)，棄風(fēng)電量降低，儲(chǔ)能設(shè)備將存儲(chǔ)的電能釋放出來，并對(duì)較低的棄風(fēng)電量進(jìn)行及時(shí)的消納，以此減少儲(chǔ)能設(shè)備的工作功率，減少成本。

以上為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)棄風(fēng)電量的正常消納情況，采用兩種控制方法分別進(jìn)行消納棄風(fēng)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 消納棄風(fēng)電量實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，采用該文提出的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法后，棄風(fēng)電量由原來的300 MW·h 降低到30 MW·h，文中方法的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)共消納270 MW·h。而采用基于熵理論的儲(chǔ)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)控制方法后，棄風(fēng)電量由原來的300 MW·h 降低到100 MW·h。基于熵理論的儲(chǔ)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)控制方法的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，共消納了200 MW·h 的棄風(fēng)電量。相比之下，該文方法消納的棄風(fēng)電量比基于熵理論的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)控制方法消納的棄風(fēng)電量高了70 MW·h。以此證明了該文方法的棄風(fēng)消納能力高于基于熵理論的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)控制方法。

在對(duì)不同階段的棄風(fēng)電量進(jìn)行消納的過程中，兩種方法的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備的消耗功率變化情況如圖4 所示。

圖4 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備的消耗功率變化情況

分析圖4 可知，應(yīng)用該文方法后，多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備的消耗功率隨著消納棄風(fēng)電量的增加而逐漸降低，而基于熵理論方法的工作功率隨著消納棄風(fēng)電量的增加而小幅度增加，而后再下降，但其消耗功率的數(shù)值始終高于該文方法，這說明該文提出的控制方法消耗的功率較低，消納效率較高。

綜上所述，該文提出的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法消耗的功率較低，消納棄風(fēng)的能力較高。

4 結(jié)束語

為了解決基于熵理論的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)消納棄風(fēng)控制方法出現(xiàn)的消耗功率較高、消納棄風(fēng)能力較差等問題，文中提出了多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制方法，該方法給出了消納棄風(fēng)控制原理，建立了儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)控制模型，并提出了多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)的控制策略，最后通過實(shí)驗(yàn)研究表明，該文方法的消納棄風(fēng)能力較高、消耗的功率較低。