風電供暖+儲能=？

文 | 李建林

作者系中國電力科學研究院電能存儲與轉換技術室主任

風電供暖已不是新鮮事，但傳統的風電-蓄熱式電鍋爐聯合運行難以實現最大限度的消納風電。而引入儲能系統則能夠很好的解決這一問題。

國慶節剛過，吉林省西北部最低氣溫就已降到零下1度，但白城市安廣鎮的居民家中卻是暖意融融。這一切都是因為一種全新的取暖方式——風電-儲能-蓄熱式電鍋爐聯合系統。

風電供熱替代燃煤鍋爐的環境效益、經濟效益和社會效益，目前在安廣鎮已經顯現。據測算，風電供熱替代燃煤鍋爐，2017-2018年采暖期內共消納棄風電量1931萬kwh，可節約標準煤0.24萬噸。

事實上，風電供暖已不是什么新鮮事，但是由于受機械部件制約，調節速率與風功率快速波動不匹配和方式單一，缺乏多目標控制技術的原因，傳統的風電-蓄熱式電鍋爐聯合運行難以實現最大限度的消納風電。而引入儲能系統則能夠很好的解決這一問題。

吉林的儲能需求

隨著風電裝機容量的持續增長，以吉林省為代表的源荷供需矛盾凸顯地區，棄風現象時有發生，風電就地消納能力不足已成為制約風電發展的主要因素。而冬季供熱期用于電網調峰的火電機組調峰能力驟減，電網接納風電的空間減小，進一步引發高比例棄風，以致風電平均利用小時數連續多年處于全國最低水平。

吉林省正在推廣應用蓄熱式電鍋爐制熱項目，增加電網的電轉熱負荷，以促進風電本地消納。利用風電場在夜間負荷低谷期的棄風電量，為蓄熱式電鍋爐供電，電鍋爐產生的熱量，一部分直接用于夜間電網低谷時段居民供熱，另一部分儲存蓄熱裝置內，用于白天電網非低谷時段居民供熱。

風電供暖項目的推廣應用，增加了電網低谷負荷，在提升風電就地消納能力方面發揮了一定作用。為最大限度提升蓄熱式電鍋爐消納風電的作用，需要蓄熱式電鍋爐運行功率跟蹤風電出力。

但是，目前在電價低谷時段，蓄熱式電鍋爐以恒定功率連續運行，沒有跟蹤風電出力，蓄熱式電鍋爐運行增加的電網低谷負荷并未全部用于消納風電。為進一步提高風電利用比例，在技術方面有兩個問題需要解決。

一是蓄熱式電鍋爐功率調節受機械部件制約，調節速率與風功率快速波動不匹配。大容量的蓄熱式電鍋爐一般為電極式，需要通過機械系統控制電極棒在電流載體中的位置來實現功率調節，為保證設備壽命，機械臂無法進行頻繁調整且調節速度有限，導致電鍋爐功率調節速率過慢，無法適應風功率快速波動。

二是風電-蓄熱式電鍋爐聯合運行方式單一，缺乏多目標控制技術。受功率調節速度、深度與頻次的制約且僅能單向調節的限制，目前風電-蓄熱式電鍋爐在低谷時段以恒定功率單一方式運行，難以實現最大限度的消納風電，為提升風電的利用比例，需要通過多目標控制策略及能量管理系統等技術手段，對風電-蓄熱式電鍋爐進行協調控制。考慮風電與蓄熱式電鍋爐在運行中因可控性差而引發的風電出力與負荷調節間的適配性問題，以及負荷參與電網調峰的調控技術問題，需引入儲能系統及柔性控制技術探索解決途徑。

示范項目解析

吉林大安風電清潔供暖示范項目是國家能源局重點清潔環保項目，項目位于大安市安廣鎮南側，場地約15000平方米。項目配套的中廣核大安風力發電有限公司來福風電場裝機容量為200MW，在安廣都瑞熱力公司內建設3臺功率為10MW電極式鍋爐，4個容積為350m3的蓄熱水罐，蓄熱溫度大于或等于180℃，蓄熱體表面溫度不大于45℃。

在蓄熱式電鍋爐側配置了移動式MW級鋰離子電池儲能系統，容量為1MW/0.5MWh，包括1套0.5MWh鋰電池儲能主系統，2臺500kW變流器，1套電池監控系統、1個儲能集裝箱體和相關輔助系統組成。

通過對儲能系統功率特性、爬坡率、電能質量進行測試，得到儲能系統技術指標如下：1）移動式鋰電池儲能系統的充放電試驗結果表明，該儲能系統充電功率可達1002kW，放電功率可達1005kW，具備1MW的充放電功率能力；2）1MW/0.5MWh移動式鋰電池儲能系統爬坡率測試結果表明，儲能系統在充電過程中爬坡率最大可達到560kW/s、放電過程中爬坡率可達到500kW/s；3）在空載、充電、放電三種工況下，儲能充放電運行對并網點電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動和閃變、諧波等電能質量參數指標的影響均在合理范圍內，各項指標符合國家標準要求。

針對工程實際需求搭建了聯合運行調控管理平臺，其技術指標如下：1）儲能與蓄熱式電鍋爐裝置可實現各種通信規約的轉換與無縫接口；2）對風場出力、電壓，儲熱溫度、壓力，電化學儲能電壓與SOC等參數的遠程實時監測，數據轉換處理周期≤0.5s；3）多目標協同控制計算時間≤1s，控制節點響應時間≤0.2s。

項目研究了風電-儲能-蓄熱式電鍋爐聯合運行控制、調度管理等核心技術，有效解決風電-蓄熱式電鍋爐運行適配性問題，實現多種資源的綜合利用，并建設了包含200MW風電場、30MW蓄熱式電鍋爐、1MW移動式鋰電池儲能系統的示范工程。通過供熱季的示范運行，儲能系統與蓄熱式電鍋爐聯合出力能夠快速跟蹤棄風功率運行。項目成果已經成功應用在示范工程中，測試結果驗證了聯合運行調控策略的正確性，且對比鍋爐恒功率運行、鍋爐跟蹤棄風運行，儲能系統融合電鍋爐聯合運行跟蹤棄風功率效果最優，大幅減少電鍋爐電極調節次數。

經實測，一個供熱季示范工程消納了棄風1935萬kWh，降低棄風率4.62%，相比之前電鍋爐恒定的運行模式，本項目的應用多消納了939萬kWh棄風電量，多降低了2.26%棄風率，有效提升了風電場的就地消納能力。

儲能的快速調節能力減少了蓄熱式電鍋爐電極棒的動作次數770次。該示范工程的運營模式下，棄風電量電價為0.2631元/kWh（不含補貼），棄風電量電價下調空間通過電價平移到用戶，有效降低了蓄熱式電鍋爐的運行成本。經綜合計算后，示范工程各參與方一個供熱季的凈收益為368.62萬元。