試論風光儲聯合發電運行技術

文/王安民

當前，隨著石油資源的不斷減少，太陽能、風能等新能源的開發技術也在不斷成熟。為進一步提高太陽能、風能發電的供電質量，本文對太陽能、風能、儲能發電運行技術的各個環節進行了細致研究；通過確定混合多儲能技術應用優勢、增設風光儲互補的儲能系統等方式，有效降低了原風光發電運行技術對電網產生的影響，同時增強了風光發電輸出平穩性以及電網融入新能源的兼容性，并最終達到提高經濟效益的目的。

隨著新能源發電領域的深入探索，風能、光能發電所具有的隨機性和間歇性等特點對電網產生的影響逐漸顯現出來，進而增加了電網控制與調度風光發電的難度。由于風能與光能在資源的轉化和利用過程中存在一定的互補關系，且在風光發電基礎上加入蓄能設備，能夠極大地改善新能源發電與電網間的銜接作用，故本文針對當前存在的儲能平抑聯合風光發電效果不佳、儲能配置不合理等情況，通過研究現有風光發電運行技術和優化儲能配置等方式，以期提高風光儲聯合發電運行技術的實用性。

一、風光儲聯合發電技術

由于光能和風能存在一定的波動性、隨機性，所以光能發電、風能發電系統的輸出環節會出現較為明顯的波動。此時，如果借助儲能設備來解決新能源發電存在的波動性較大這一問題，那么實際使用的儲能設備必須具備快速響應的性能。據統計，在2017年，全球有90%的國家或地區使用的是抽水式儲能設施，此類設施最大的優點是環保，但其儲能反應速度慢的缺點也非常明顯。彼時，兼具機動性好、循環利用率高、儲能密度大以及儲能響應快等優勢的化學儲能設施成為各國研究的重點。2017年，鋰電池儲能占化學儲能的93%，鉛電池儲能則占化學儲能的7%左右。[1]

現階段的儲能類型主要有兩種，一是單一儲能系統，二是混合儲能的多儲能系統。其中，鋰離子電池、釩液電池、電池和電容混合等儲能技術均具有控制風光發電波動性、穩定輸出的作用。

二、風光儲聯合發電系統的結構

在風能發電系統中，儲能裝置既可以接入交流側也可以接入直流側進行儲能。但在光能發電系統中，儲能裝置只接入直流側進行儲能，隨后再將儲存的光能轉變成交流電輸送進電網。因此，接入風、光聯合發電系統的儲能設施必須同時滿足風電、光電的接入需求；同時，為滿足風電、光電的統一協調及互補要求，儲能設施必須從該系統母線的公共端接入，以達到兼容兩種發電系統的目的。風、光聯合發電系統如圖1所示。

三、風電、光電聯合運行的控制形式

技術人員基于新能源發電相關理念，對光能、風能、儲能資源進行合理統籌，從而實現了聯合發電系統可調、可控、可預測的目的。其中，風、光、儲運行模式主要有離線運行和并網運行兩種模式，因此在主網運行時，這三種運行模式需要在發電量與用電量達到一定平衡時才能實現。此外，風、光、儲聯合運行模式實現發電控制的模式主要有三種，分別是負荷填谷削峰模式、計劃性輸出模式以及功率平滑輸出模式。為達到最佳控制效果，本文重新設計了風、電、儲聯合運行模式，新的光電控制模式共有5種，分別是調整頻率模式、目標跟蹤模式、自動調整發電模式、計劃跟蹤模式以及平滑模式（見表1）。

運行模式 光電控制模式風計劃跟蹤、目標跟蹤光風、光聯合儲計劃跟蹤、目標跟蹤、調整頻率儲、風聯合計劃跟蹤儲、光聯合風、光、儲聯合 計劃跟蹤、自動調整、控制發電、目標跟蹤

傳統光電控制模式中的功率平滑輸出、計劃輸出以及負荷填谷削峰控制均屬于調頻和發電自動控制運行模式。[2]

四、風、光、儲發電儲能的平抑控制

（一）單一平抑風、光發電輸出波動的方法

當前，平抑風、光、儲發電功率及輸出最簡單且最普遍的方法便是加裝低通濾波器。低通濾波器是由電容器、電阻等零部件共同組成的濾波電路，其主要通過控制不同頻率電波來實現濾波的目的。

需要注意的是，雖然風、光發電儲能系統可以通過加裝低通濾波器在一定程度上平抑電力輸出，但其實際操作難度普遍較高。例如在設定時間常數環節，技術人員不僅需要根據系統運行過程中的實際狀況來進行操作，同時還要在低通濾波器中加入慣性的時間參數，并結合PI技術（第二代智能并聯技術）進行控制。[3]

當前，隨著風、光發電技術的不斷升級與濾波器的不斷更新，適用于風、光發電輸出波動平抑的濾波器的種類不斷增多。以平均滑動濾波器為例，其主要采用兩極小波段濾波形式對風、光發電輸出進行平抑。此類濾波平抑設備不僅綜合性能強，同時還具有降低噪聲的功能。

（二）增設約束條件的平抑方法

事實上，風、光、儲聯合發電系統非常復雜，僅使用濾波器是無法完全滿足系統對平抑輸出的需要的。因此，技術人員在濾波器平抑的基礎上增設了相應的約束條件，從而進一步提高了平抑效果。與此同時，技術人員以控制有功功率達到最小波動為目的，建立了儲能充放電模型，該模型能夠充分滿足各約束條件下系統對儲能容量以及充放電控制等方面的需求。由于儲能約束條件中包含發電開環控制的策略，為防止在控制過程中發生預測誤差等情況，技術人員又在系統中增加了預測模型控制功能，以有效增強平抑風光發電輸出的效果。此外，考慮儲能系統在對風、光發電輸出波動進行平抑時容易發生過充電、過放電的情況，系統采用了一種能夠反饋儲能電荷實際狀態的算法。這些約束條件還能在濾波的基礎上，依據儲能電池系統的實時運行濾波常數，研究出蓄能能量與風、光發電的波動關系，并以此確定儲能電池優化能量與功率計算的方法。

（三）預測功率和智能平滑控制的方法

除上述平抑控制方法外，很多研究機構還在風、光發電預測技術以及智能化控制技術等方面投入研究，從而進一步優化了控制效果；也有研究機構通過在濾波器中加入神經網絡形式的算法達到了相同的目的。還有一些研究機構在預測風、光發電功率的基礎上合理運用協調優化策略，并根據約束功率的偏差、儲能容量以及功率充電模型等信息，逐步實現了儲能充電、放電最小次數和最大剩余電量的優化。研究機構通過改進蓄能公差控制方法、增加自適應和動態隨機功能等方式，極大地改善了風、光發電的峰谷平抑效果。

而針對風、光發電輸出波動目標的平抑，研究機構普遍采用設定目標函數的方法。該函數主要根據短期的光電、風電預測值，以及風、光發電功率的預測值來設計運行計劃，從而達到系統實際輸出功率同計劃輸出功率基本一致的效果。隨后，研究機構便可以通過設置儲能功率以及儲能容量的約束條件來實現對儲能系統的動態化控制。[4]

五、多種儲能技術的聯合運用

在風、光、儲聯合發電系統中，儲能系統既可以單獨運行，也可以同多種儲能系統聯合運行。但在使用多種儲能聯合運行技術時，每一種儲能系統的配置必須能夠兼容其他系統。同時，考慮風電、光電具有一定的隨機性，本文建議研究機構采用基于機會約束的儲能聯合規劃方法，將儲能設備的電池和超級儲能電容器進行有機結合，從而補償風電、光電輸出過程中產生的波動。此外，該方法還具有降低儲能裝置成本、實現功率匹配最優化、保持功率輸出特性曲線的平滑等優勢。大量配置儲能的應用結果足以證明，其應用效果明顯優于余量并網以及低頻并網的方法。同時，其儲能設施的壽命多在10年左右，且在多種儲能聯合運行模式中，鋰電池與超級儲能電池的組合形式最為經濟，其效益也最高。因此，單從經濟性考慮，采用該組合形式來平抑風、光、儲聯合運行發電輸出時的波動具有良好的發展前景。

六、結語

綜上所述，在風、光聯合發電運行系統中，對儲能系統進行整合能夠在很大程度上平抑風、光發電輸出時的波動性，從而減少風、光發電在并網過程中對電網產生的沖擊。本文通過多種儲能聯合運行的方式，進一步發揮出各儲能系統運行優勢，并有效延長了綜合儲能裝置的使用壽命。因此，為真正實現各儲能設施的完美融合，基于多種儲能聯合運行的儲能協調控制將是今后研究的重點。