儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

式中，Ppv為光伏陣列實(shí)際輸出功率; Ppv為光伏陣列輸出功率預(yù)測(cè)值;T為儲(chǔ)能投入時(shí)間;η 為逆變器效率;η2為儲(chǔ)能裝置充放電效率;K為溫度修正系數(shù);S為放電深度。

3.2 獨(dú)立運(yùn)行的一般要求

由于單個(gè)分布式電源獨(dú)立運(yùn)行，很難維持整個(gè)系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。所以在大電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)或孤立地區(qū)，一般采用分布式電源聯(lián)合運(yùn)行來為這些地區(qū)提供可靠的電力。它們包括：風(fēng)/光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光/柴聯(lián)合型發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)/燃料電池混合系統(tǒng)等。聯(lián)合運(yùn)行的共同特點(diǎn)就是利用互補(bǔ)特性，獲得比較穩(wěn)定的總輸出，在保證同樣供電穩(wěn)定性和可靠性的情況下，大大減少儲(chǔ)能的容量，一般從數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦[4]。以光伏/柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為例，雖然柴油發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電相結(jié)合能夠確保連續(xù)24h不間斷供電，且資金花費(fèi)低于蓄電池作后備。然而，當(dāng)光伏輸出發(fā)生變化時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)不能快速做出響應(yīng)，而通過儲(chǔ)能的過渡作用，可滿足負(fù)載對(duì)快速響應(yīng)的要求。燃料電池響應(yīng)負(fù)載的速度也較慢(電流斜率約4A/s)，配置儲(chǔ)能可提高其可靠性和壽命[13]。這樣在光伏、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置就得具有響應(yīng)速度快，功率密度高的特性。獨(dú)立光伏電站儲(chǔ)能容量計(jì)算公式：

式中，Q為日用電量;D為支持天數(shù);η 為逆變器效率;η2為儲(chǔ)能裝置充放電效率;K為溫度修正系數(shù);S為放電深度。

3.3 特殊要求

(1)抑制DG輸出功率波動(dòng)。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑功率波動(dòng)，提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量。從實(shí)際風(fēng)力發(fā)電的角度出發(fā)，考慮到發(fā)電功率一般以秒級(jí)周期隨機(jī)波動(dòng)，要求儲(chǔ)能具有秒級(jí)響應(yīng)速度和一定的功率補(bǔ)償能力?？紤]到隨機(jī)性是分布式電源并網(wǎng)所造成的不利影響的本質(zhì)原因，研究分布式電源發(fā)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)，分析發(fā)電功率預(yù)測(cè)誤差，以此為依據(jù)優(yōu)化儲(chǔ)能容量對(duì)儲(chǔ)能在分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義，如圖1所示。

圖1 基于光伏功率預(yù)測(cè)誤差的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化

(2)使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。鑒于在根本上改變分布式電源間歇性投資巨大且并無必要，可將目標(biāo)定位在使包含分布式電源的局部網(wǎng)絡(luò)潮流曲線按照計(jì)劃推進(jìn)，儲(chǔ)能只是填補(bǔ)分布式電源輸出與預(yù)期曲線之間的差額部分，而不是對(duì)分布式電源的功率波動(dòng)完全補(bǔ)償。這對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度控制和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用，而所需的儲(chǔ)能容量也大大降低，如圖2所示。

圖2 基于含風(fēng)電場(chǎng)局部潮流曲線的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化

4 儲(chǔ)能技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中起的作用可概括為4方面：

(1)增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)可靠性。分布式電源發(fā)出的電能具有隨機(jī)性和不確定性，能量存儲(chǔ)使得DG即使在波動(dòng)較快和較大的情況下也能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平[1]。

(2)孤立運(yùn)行的DG單元切換或退出時(shí)起過渡作用。太陽能和風(fēng)力發(fā)電輸出具有間歇性，適量的儲(chǔ)能可起過渡的作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求[18]。

(3)抑制DG輸出功率波動(dòng)，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量。太陽能、風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑脈沖功率波動(dòng)[3]。

(4)使DG按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電，提高并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和調(diào)度靈活性[19]。

4.1 并網(wǎng)運(yùn)行

抽水蓄能機(jī)組容量已達(dá)2000MW，單元效率雖然不高，但運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)，不足之處就是用于分布式發(fā)電系統(tǒng)，固定成本太高。到目前為止，國內(nèi)已建成抽水蓄能電站裝機(jī)容量約為5.7GW，占全國裝機(jī)容量的1.8%。文獻(xiàn)[20]就西藏阿里地區(qū)獨(dú)特的水能、光能和風(fēng)能分布的自然條件，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，容量可達(dá)數(shù)百M(fèi)W，效率已接近60%，且壽命長(zhǎng)，可冷起動(dòng)和黑起動(dòng)，其投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，8~12MW微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)(micro-CAES)已成為并網(wǎng)研究熱點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度較大，占據(jù)空間相對(duì)較小，充電快捷，充放電次數(shù)無限。5kW·h/100kW等級(jí)的飛輪正在進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)。國外已將飛輪儲(chǔ)能引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出性能及經(jīng)濟(jì)性能較未采用飛輪儲(chǔ)能有很大改善。圖3給出了基于飛輪和抽水蓄能的混合儲(chǔ)能特性示意。

圖3 基于飛輪和抽水蓄能的混合儲(chǔ)能特性

水蓄冷和冰蓄冷儲(chǔ)能雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在解決電力峰谷差的成熟技術(shù)中經(jīng)濟(jì)效益和轉(zhuǎn)換效率較高，已有效蓄冷容積2100m3，蓄冷量5600rth的水蓄冷空調(diào)。SMES具有大容量能量/功率補(bǔ)償特性，然而容量高于100MW·h的線圈在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上存在困難。在風(fēng)力/蓄電池并網(wǎng)運(yùn)行方式中，鉛酸電池體積龐大，充電/放電頻繁，故障率顯著提高，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，但其技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，已獲得實(shí)際應(yīng)用。

SMES的ms級(jí)響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞特性決定了它在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在提高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面具有無可替代的作用[21]。目前，D-SMES(Distributed SMES，D-SMES)的容量水平達(dá)18Mvar/3MW，最大有功功率輸出可以持續(xù)0.5s，最大無功功率輸出可持續(xù)時(shí)間1s，足夠處理電壓崩潰事件[8]。我國已先后研制成功25kJ~1MJBi系SMES系統(tǒng)，但Bi系高溫超導(dǎo)SMES通常采用制冷機(jī)冷卻，穩(wěn)定裕度低。中國電力科學(xué)研究院正在開展以液氮溫區(qū)運(yùn)行的YBCO—釔鋇銅氧涂層高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能單元的研究，并將與柔性技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本。