水風光儲能源聯合利用系統研究

(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045)

0 引言

隨著全球環境污染和氣候變化問題的日益凸顯，加之化石能源的快速消耗，水電、風電、光伏等清潔可再生能源的利用成為世界趨勢。目前，我國的能源主體依舊是化石能源，造成我國環境污染尤其嚴重，而我國的化石能源又遠不能自給，充分利用清潔能源對優化我國的能源結構和減少環境污染具有及其重要意義。

針對我國能源結構[1]不合理，能源存在瓶頸，必須加強新能源利用技術改造，提高清潔能源與新技術的結合能力，加快清潔能源聯合利用[2]的推廣。

1 國內外技術發展狀況

隨著一次性能源如煤炭、石油、天然氣等資源的逐步枯竭，以及世界環境問題的日益嚴峻，急需把能源消費的主體由化石能源轉化為可再生能源。自20世紀中后期以來，發達國家都投入了大量的精力在水能、風能、太陽能等可再生能源技術的研發上，并建設了水電、風電和光伏電站，以期解決本國的能源緊張，環境污染問題。

然而，水電受制于來水量和調節庫容，年利用小時一般不超過4 000 h，除豐水期外一般不承擔基荷；風能和太陽能均隨著氣候、地理位置、時間變化而不斷變化，風能和太陽能發電穩定性較差，電能質量較低。為解決上述問題，有研究者提出風能、光伏和儲能互補發電的方法，世界各國均針對風光儲互補發電關鍵技術進行了大量的研究。然而，相關研究主要集中在兩兩能源聯合利用方面，且存在以下問題：儲能電池容量較小，成本高，導致了兩兩聯合利用容量受限，不能滿足我國能源需求現狀；能源兩兩聯合利用的應用時域較窄。

水風光儲聯合利用可以充分利用抽水蓄能技術穩定、容量較大、反應迅速的優點，結合儲能電池，可充分消納系統中不穩定的風能和太陽能資源，形成各能源的優勢互補。因此，急需對水風光儲聯合利用技術進行研究開發。

2 產業發展狀況

風能和太陽能都屬間歇性能源，產生的電能不夠穩定，不利于電力系統消納，因此也不能被充分利用。隨著我國對清潔能源的迫切需要，自2005年起，風力發電和光伏發電裝機容量劇增，與此同時出現了并網難、限電、市場難以銷納等諸多問題。部分火電具備深度調峰的能力，但風電、光電、火電“打捆外送”的方式會降低火電廠的效率，增大污染物的排放，違背了開發風電、光伏發電的初衷。

水電機組具有開停靈活、調節出力迅速、運行維護費用低、可快速適應電網負荷變化等優點。儲能電池可穩定地儲存電能。水儲和儲能電池有助于電力系統對風能、太陽能這些不穩定能源進行消納。因此，抽水蓄能電站、電池儲能電站，可兼作風電、光伏發電的調節電源，降低這些間歇性清潔能源給電網運行帶來的沖擊。

3 產業化過程存在的主要問題

1)水風光儲各能源容量配置不合理。主要原因是儲能電池成本較高，容量較小，壽命較短，與現有的風能、光伏資源不能匹配，造成棄風、棄光現象嚴重，導致清潔能源資源浪費。

2)系統調度策略及運行方式不合理。主要原因是，一方面目前各能源容量配置不合理，導致調度策略及運行方式無法達到最優；另一方面是水風光儲能源聯合利用系統中各種能源特性沒有充分把握且對聯合調度及運行沒有系統的研究。

3)成本較高及經濟效益較差。主要原因是，儲能電池成本較高，而抽水蓄能電站建設周期較長，前期投資較高，導致調節容量不足、系統成本較高，經濟效益較差。

4)穩定性控制技術沒有突破，無法提高電能質量。主要原因是，相關研究較少，技術發展不成熟。

4 水風光儲能源聯合利用系統設計

系統分為三部分：電源系統，包括風能、光伏，用來為整個系統提供電能；負載，可采用噴泉、路燈等，用來消耗產出的電能；抽水蓄能電站比較特殊，可以作為儲能電源，又可作為負載消耗電能，同時可用來研究開發可變速水輪發電機組、新型儲能技術等。系統電氣接線示意圖如圖1所示。

4.1 電源系統

4.1.1 光伏

光伏發電是本系統的主要電源提供單元，項目預計建設50 kW離網太陽能發電系統，并選用一臺250 kW逆變器，每個光伏并網發電單元的電池組件采用串并聯方式組成太陽能電池陣列，電能由太陽能電池陣列輸入光伏方陣防雷匯流箱后接入直流配電柜，然后經光伏逆變器和交流防雷配電柜給負載供電。

當光線不足，太陽能電池組件沒有產生電能或電能不能滿足負載要求時，由風機和抽蓄電站供電，如果還不能達到要求時由外接電網供電。

圖1 系統電氣接線圖

4.1.2 風能發電

在本系統中，風力發電是供電單元，項目預計建設10 kW離網風力發電系統，布置為兩個5 kW風力發電機組，發出的電能存儲至蓄電池，經逆變器逆變為交流電供負載用電。

4.2 負載部分

噴泉為主要負載，抽水蓄能電站需要抽水時作為負載運行。

在本系統中，抽水蓄能電站既是供電單元也是用電單元。項目預計建設2臺5 kW抽水蓄能機組，水輪機為水泵水輪機，發電時機組為水輪機工況，抽水時機組為水泵工況。抽蓄電站的建設需要有一定的上下高程差和水資源儲蓄。抽水蓄能電站在本系統中起到調峰作用，可以提高風電機組和光伏機組的效率。

4.3 上位機控制

本著“不在現場，遠離現場”的原則，將現場設備界面通過串口通信技術，與上位機界面有機結合起來，以實現上位機一帶多通信。以C語言為基礎，圖形化語言為輔，規劃各能源的動態配比，實現系統的穩定、高效運行。

5 結語

該系統是集水電、風電、光伏、儲能于一體的水風光儲能源聯合利用系統，可形成多能源聯合利用技術研究平臺，進而有效解決水風光儲各能源容量優化配置、系統優化調度及運行、成本控制及經濟效益分析、穩定性控制和提高電能質量等關鍵技術問題，為全面提升我國水風光儲能源聯合利用的研究與開發水平提供技術支持，為我國制定水風光儲等新能源政策提供技術參考。