混合電源及功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

劉志其

（廣東省能源集團(tuán)貴州有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引 言

風(fēng)電并網(wǎng)是將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)連接到電力網(wǎng)絡(luò)中，使其成為電力系統(tǒng)的一部分，從而向電力網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)產(chǎn)生的電能[1]。這表明風(fēng)力發(fā)電站不再是孤立運(yùn)行的獨(dú)立系統(tǒng)，而是與其他發(fā)電站、輸電線路和電力用戶(hù)相連，共同構(gòu)成一個(gè)整體的電力系統(tǒng)[2]。混合電源及功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)是將不同類(lèi)型的能源整合到一個(gè)系統(tǒng)中，并利用功率預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)提前了解系統(tǒng)中風(fēng)電等可再生能源的預(yù)期功率輸出，從而更有效地管理能源系統(tǒng)的運(yùn)行。這種綜合應(yīng)用有助于提高能源的可再生比例，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴(lài)，并提高整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性和效率[3]。隨著風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的重要地位不斷上升，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)[4]。混合電源及功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的引入為解決風(fēng)電波動(dòng)性和不確定性提供了有效途徑。本文通過(guò)分析風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及混合電源系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，重點(diǎn)研究混合電源協(xié)同調(diào)度和功率預(yù)測(cè)在提高系統(tǒng)性能方面的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，凸顯了該系統(tǒng)在提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)靈活性和效益方面的實(shí)際效果。

1 混合電源在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 風(fēng)電儲(chǔ)能協(xié)同工作

風(fēng)電的波動(dòng)性可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的電力輸出，而儲(chǔ)能設(shè)備能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)負(fù)荷，因此風(fēng)電和儲(chǔ)能設(shè)備具有互補(bǔ)性，二者協(xié)同工作可以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供應(yīng)[5]。設(shè)計(jì)風(fēng)電廠時(shí)，需要充分考慮風(fēng)電和儲(chǔ)能設(shè)備的互補(bǔ)性，以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。具體的風(fēng)電儲(chǔ)能協(xié)同工作電路設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電儲(chǔ)能協(xié)同工作電路設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組應(yīng)選擇具有較高效率和適應(yīng)性的型號(hào)，可以使用3 MW 系列雙饋異步風(fēng)力三相異步發(fā)電機(jī)，輪轂高度為100 m，額定風(fēng)速為12 m/s，切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s。根據(jù)地形和氣象條件，采用密集布局，避免相互遮擋。風(fēng)電機(jī)組數(shù)量為20 臺(tái)，總裝機(jī)容量為60 MW。利用先進(jìn)的協(xié)同調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與儲(chǔ)能設(shè)備的協(xié)同工作。安裝風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)[6]。此外，協(xié)同設(shè)計(jì)中需要添加實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便整個(gè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)控。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)，如風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等，以確保風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中始終處于最佳狀態(tài)。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋰離子電池，儲(chǔ)能容量為20 MW·h，放電功率為10 MW。為了最大限度地利用可再生能源，系統(tǒng)依托先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，通過(guò)精確的風(fēng)電產(chǎn)能預(yù)測(cè)，智能決策何時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能操作。

1.2 協(xié)同算法

在風(fēng)電與儲(chǔ)能協(xié)同工作中，協(xié)同調(diào)度算法旨在通過(guò)智能調(diào)度，合理分配兩者的發(fā)電負(fù)荷，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效、穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。協(xié)同調(diào)度算法的主要目標(biāo)是最小化總成本，包括風(fēng)電成本和調(diào)度成本。通過(guò)合理分配各個(gè)發(fā)電單元的產(chǎn)能，以適應(yīng)不斷變化的風(fēng)力情況，從而實(shí)現(xiàn)成本最小化。具體的協(xié)同計(jì)算過(guò)程如圖2 所示。

圖2 協(xié)同計(jì)算的具體流程

數(shù)據(jù)輸入中，風(fēng)電數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量等，電力系統(tǒng)需求包括電力負(fù)荷需求曲線等。獲取風(fēng)力發(fā)電的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、溫度、機(jī)組負(fù)荷等。利用功率預(yù)測(cè)模型，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)是一項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)。基于當(dāng)前和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)優(yōu)化法，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)能分配，以最小化總成本。總成本Cz的計(jì)算公式為

式中：Ct為投資成本；Cw為運(yùn)維與維護(hù)成本；Cf為風(fēng)險(xiǎn)成本；Cy為運(yùn)行成本；d為調(diào)度成本。根據(jù)成本計(jì)算，生成最優(yōu)的調(diào)度策略，包括各個(gè)發(fā)電單元的功率輸出、機(jī)組啟停時(shí)間等。通過(guò)基于成本計(jì)算的最優(yōu)調(diào)度策略，風(fēng)力發(fā)電單元在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)電負(fù)荷分配將更為精準(zhǔn)，在最小化總成的前提下滿足電力需求，并為發(fā)電機(jī)組的啟停、負(fù)荷調(diào)整等具體調(diào)度提供明確的指導(dǎo)。

2 功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用是為了提前了解未來(lái)風(fēng)電功率的變化，以便更好地規(guī)劃電力系統(tǒng)運(yùn)行、優(yōu)化發(fā)電調(diào)度，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性。風(fēng)速和風(fēng)向的變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的輸出具有不確定性，而通過(guò)預(yù)測(cè)功率有助于應(yīng)對(duì)這種不確定性。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)使用數(shù)學(xué)模型，考慮氣象數(shù)據(jù)（風(fēng)速、溫度）和地理特征，進(jìn)行風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)。利用歷史風(fēng)速和功率數(shù)據(jù)，采用回歸分析統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行功率預(yù)測(cè)。在多元回歸中，可以引入多個(gè)自變量，計(jì)算模型為

式中：Xn為自變量；βn為對(duì)應(yīng)的斜率；ε為誤差項(xiàng)。回歸分析的目標(biāo)是通過(guò)擬合模型找到最適合的參數(shù)值βn，從而使模型對(duì)觀測(cè)值和實(shí)際值之間的誤差最小化。在實(shí)際風(fēng)電并網(wǎng)的應(yīng)用中，使用最小二乘法來(lái)估計(jì)參數(shù)，目標(biāo)是最小化殘差平方和，即觀測(cè)值與模型估計(jì)值之間差異的平方和。具體的估計(jì)公式為

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，混合電源和功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)用于優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行，以提高風(fēng)力發(fā)電效率并降低成本。選擇WF-5000 型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，具備高效率和高可靠性。配備WS-2000 風(fēng)速測(cè)量?jī)x器，可準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)速。引入WP-3000 功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合氣象和機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的功率預(yù)測(cè)。IC-1000 智能控制器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精確控制和調(diào)度。

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋰離子電池，儲(chǔ)能容量為20 MW·h，放電功率達(dá)到10 MW。為了監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)部署了MS-500 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。SD-2000 智能調(diào)度系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靈活調(diào)度和協(xié)同工作。引入DT-500 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，以確保實(shí)時(shí)獲取各個(gè)發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)驗(yàn)引入EMS-8000 智能能源管理系統(tǒng)。通過(guò)這些設(shè)備的串聯(lián)，風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備和混合電源系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)完整的智能電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電與儲(chǔ)能的協(xié)同工作和功率的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，提高了電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 應(yīng)用結(jié)果

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，具體的應(yīng)用結(jié)果如表1 所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)電與預(yù)測(cè)發(fā)電量比較

發(fā)電量差異百分比表示實(shí)際發(fā)電量相對(duì)于預(yù)測(cè)發(fā)電量的偏差百分比，正值表示實(shí)際發(fā)電量超過(guò)預(yù)測(cè)，負(fù)值表示實(shí)際發(fā)電量低于預(yù)測(cè)。在大多數(shù)情況下，實(shí)際發(fā)電量與預(yù)測(cè)發(fā)電量之間的差異較小，表明功率預(yù)測(cè)模型相對(duì)準(zhǔn)確。在2023 年1 月4 日，實(shí)際發(fā)電量低于預(yù)測(cè)，這可能是由于突發(fā)的氣象變化或設(shè)備故障引起的。這些數(shù)據(jù)有助于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人員更好地了解功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并采取必要的措施，以最大限度地利用風(fēng)能。混合電源系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 混合電源系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)

通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以看到混合電源系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)了一系列積極的結(jié)果。風(fēng)電場(chǎng)的功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，發(fā)電機(jī)組負(fù)載調(diào)整靈活，參與市場(chǎng)交易頻次增加，整體電力系統(tǒng)的總成本降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效性得到驗(yàn)證。一站式風(fēng)電加儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合了清潔能源和智能調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，為電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性提供了有力的支持。

4 結(jié) 論

混合電源及功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用在風(fēng)電并網(wǎng)中呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理調(diào)度風(fēng)力發(fā)電，有效平衡了電力系統(tǒng)的供需關(guān)系。通過(guò)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，提高了對(duì)未來(lái)風(fēng)電功率變化的應(yīng)對(duì)能力。最終的數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性和市場(chǎng)交易方面取得了顯著成果。通過(guò)提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性，混合電源及功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)有望推動(dòng)清潔能源在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)可再生能源的可持續(xù)發(fā)展。這些研究成果不僅為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供了指導(dǎo)，還為推動(dòng)清潔能源在電力系統(tǒng)中更廣泛的應(yīng)用提供了有益的啟示。