海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法

楊 凱

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司，北京 100022）

0 引 言

多能源聯(lián)合發(fā)電是利用多種不同的能源形式進(jìn)行發(fā)電，包括風(fēng)能、光能、水能等。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，尤其是海上風(fēng)電，已成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)方式已難以滿足日益增長(zhǎng)的風(fēng)電接入需求，因此探索新的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)和運(yùn)行模式勢(shì)在必行。

1 海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)概述

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)智能化管理，優(yōu)化調(diào)度各種發(fā)電資源，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的能源供應(yīng)[1]。例如，海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、發(fā)電量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但受風(fēng)速波動(dòng)和季節(jié)性變化的影響較大；光伏發(fā)電則依賴于日照強(qiáng)度和時(shí)間，日間發(fā)電量大，夜間無(wú)發(fā)電能力。這些特性使單一能源發(fā)電存在間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題。

為解決能源供應(yīng)問(wèn)題，在多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收和儲(chǔ)存電能，并在能源不足時(shí)釋放儲(chǔ)存的電能，以平衡能源供應(yīng)，減少浪費(fèi)。同時(shí)，提供快速響應(yīng)的備用能源，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。智能管理和優(yōu)化調(diào)度是實(shí)現(xiàn)能源高效利用的關(guān)鍵，因此需要借助先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)能源需求與供應(yīng)情況，制訂最優(yōu)的能源調(diào)度策略。

2 多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法

2.1 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模型

假設(shè)多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由海上風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能3 個(gè)子系統(tǒng)組成。海上風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行模型可以用公式表示為

式中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪面積；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)；V為風(fēng)速。

光伏發(fā)電功率與光照強(qiáng)度和光伏組件特性有關(guān)，常用的光伏發(fā)電功率計(jì)算公式為

式中：η為光伏組件的轉(zhuǎn)換效率；Apv為光伏組件的表面積；G為光照強(qiáng)度。

儲(chǔ)能效果功率則與儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性和狀態(tài)有關(guān)，常用的儲(chǔ)能效果功率計(jì)算公式為

式中：SOC為儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)；Ebatt為儲(chǔ)能系統(tǒng)的總儲(chǔ)能容量；Δt為時(shí)間間隔。其中，荷電狀態(tài)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前儲(chǔ)存電量與總?cè)萘康谋壤≈捣秶鸀? ～1。當(dāng)荷電狀態(tài)為0 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)電量為零，無(wú)法提供能量；當(dāng)荷電狀態(tài)為1 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充滿電量，能夠提供最大能量。在其他荷電狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供的能量介于兩者之間。

2.2 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化算法

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化算法用于優(yōu)化和管理多種能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。該算法基于對(duì)能源供應(yīng)和需求的深度分析，提供更高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的能源解決方案。

通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的結(jié)果，深入分析算法的性能和效果。在算例中，特別考慮1 個(gè)包含燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)等機(jī)組的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以驗(yàn)證該優(yōu)化算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運(yùn)行優(yōu)化算法的算例結(jié)果如表1所示。

表1 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運(yùn)行優(yōu)化算法的算例結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運(yùn)行優(yōu)化算法后，燃?xì)廨啓C(jī)功率減少10%，鍋爐效率提升5 個(gè)百分點(diǎn)，電制冷機(jī)效率提高5 個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)總能耗降低5%，系統(tǒng)二氧化碳總排放量減少10%，總運(yùn)行成本降低約5.33%。因此，利用運(yùn)行優(yōu)化算法有助于降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源通過(guò)系統(tǒng)化、智能化的方式整合起來(lái)，形成了互補(bǔ)優(yōu)化的發(fā)電系統(tǒng)。在孤島運(yùn)行模式下，通過(guò)蓄電池和雙向交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）變換器共同維持系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定，并制定交、直流系統(tǒng)之間功率平衡的控制方案。文章設(shè)計(jì)的基于風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能單元、整流器以及逆變器等組成。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使能量在不同組件間實(shí)現(xiàn)有效流動(dòng)，滿足系統(tǒng)需求。例如，太陽(yáng)能電池板能量通過(guò)整流器直接輸送到電網(wǎng)，儲(chǔ)能單元在太陽(yáng)下山前為電池充電。當(dāng)系統(tǒng)需求超過(guò)太陽(yáng)能電池板輸出時(shí)，儲(chǔ)能單元釋放能量，以滿足用電需求。

3 海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置

為全面評(píng)估海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)一套綜合實(shí)驗(yàn)方案，以G 區(qū)域的新能源發(fā)電站作為測(cè)試目標(biāo)[3]。同時(shí)，為模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，基于IEEE39 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和G區(qū)域的實(shí)際氣象數(shù)據(jù)建立海上風(fēng)電和光伏發(fā)電模型。系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，模擬不同天氣條件和風(fēng)速下的出力調(diào)整，并觀察儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電行為，記錄各種條件下的數(shù)據(jù)，包括功率流動(dòng)、電壓穩(wěn)定性、頻率偏差等。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)電網(wǎng)容量需求的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表2 可知，風(fēng)速與風(fēng)電發(fā)電量成正比關(guān)系。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充/放電功率受光伏發(fā)電量和海上風(fēng)電發(fā)電量的共同影響。綜合考慮光伏發(fā)電量和海上風(fēng)電發(fā)電量可知，二者在不同天氣條件下具有互補(bǔ)性，能夠有效平衡電網(wǎng)負(fù)荷。在晴天時(shí)，光伏發(fā)電量較高而風(fēng)電發(fā)電量較低；在陰天和雨天時(shí)，光伏發(fā)電量減少但風(fēng)電發(fā)電量保持穩(wěn)定或增加。這種互補(bǔ)性有助于平衡電網(wǎng)負(fù)荷和提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

4 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制方法優(yōu)化

在并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中，原先的負(fù)荷分配方法是基于靜態(tài)條件的，即一旦確定后，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改變。然而在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載電流和各個(gè)電源模塊的效率可能會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生變化。改進(jìn)后的策略利用遺傳算法進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整各電源模塊的負(fù)荷分配，以提高系統(tǒng)的整體效率[4-5]。利用遺傳算法優(yōu)化后的負(fù)荷分配情況如表3 所示，電源模塊A 為微功率電源，電源模塊B 為小功率電源。

表3 優(yōu)化后的負(fù)荷分配情況

由表3 可知，利用遺傳算法優(yōu)化多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制方法后，電源模塊A 和電源模塊B的負(fù)荷分配均得到改善，雖然不同時(shí)間點(diǎn)的總負(fù)載電流有所不同，但優(yōu)化后的負(fù)荷分配更加合理，能夠有效提高電源模塊的工作效率。

電源模塊的實(shí)際運(yùn)行能力約束情況如表4 所示。

表4 電源模塊的實(shí)際運(yùn)行能力約束情況

由表4 可知，優(yōu)化后，A 電源模塊和B 電源模塊的輸出電壓均得到略微提高；效率也有明顯的提高，分別達(dá)到90%和92%。同時(shí)，兩個(gè)電源模塊的工作溫度和電源噪聲均有所下降。綜合來(lái)看，優(yōu)化后的電源模塊在效率、溫度和噪聲等方面都有所改善，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

文章通過(guò)研究海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制方法，開展系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)具有有效性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)在平衡系統(tǒng)出力與負(fù)荷需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠有效滿足電網(wǎng)容量需求。因此，可以對(duì)海上風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能的多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及其運(yùn)行控制方法進(jìn)行進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。