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淺談風力發(fā)電與光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化設計

更新時間:2024-10-12 瀏覽次數(shù):66

摘要:本文針對風力發(fā)電和光伏發(fā)電的儲能系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計研究。主要從容量匹配、運行策略和經(jīng)濟性評估三個方面進行分析。結(jié)果表明,合理設置儲能系統(tǒng)容量并優(yōu)化運行,可以提高風電光伏發(fā)電的平滑性,為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務,并具有較好的經(jīng)濟效益。本文為風光發(fā)電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化利用提供了參考。

關鍵詞:風力發(fā)電;光伏發(fā)電;儲能;經(jīng)濟性

0引言

隨著全球能源結(jié)構的調(diào)整和清潔能源的快速發(fā)展,新能源發(fā)電方式的比重不斷提高。風力發(fā)電和光伏發(fā)電作為清潔可再生能源的主要形式,在可再生能源發(fā)電結(jié)構中占有重要地位。但是,風力發(fā)電和光伏發(fā)電也存在間歇性強、調(diào)峰能力差等問題。為了提高風力發(fā)電和光伏發(fā)電的系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及電網(wǎng)適應性,搭建儲能系統(tǒng)對其發(fā)揮重要作用。本文針對風力發(fā)電與光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的匹配設計、運行策略和經(jīng)濟性進行綜合分析,以期為風力和光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的規(guī)劃設計和效益評估提供參考。

1風力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)基本概述

1.1 風力發(fā)電儲能系統(tǒng)

風力發(fā)電儲能系統(tǒng)由風力機組、功率電子裝置、儲能裝置組成。風力機組采用變槳距、變槳角風力機,機組容量一般在1-3MW。儲能系統(tǒng)常采用鉛酸蓄電池或鋰電池,考慮到成本效益兼顧,蓄電池容量約為風機額定功率的20-40%。以2MW風機與0.5MW/1MWh鋰電池組為例,充電時風機額定輸出2MW送入電池充電,電池提供0.5MW功率、可儲存1MWh能量。放電時,電池可以提供0.5MW功率,可持續(xù)輸出2小時。充放電過程中,通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器連接風機發(fā)電機側(cè)直流母線與電池,并通過控制器協(xié)調(diào)風機、電池、DC/DC的功率分配。放電時,先從電池提供功率,不足部分從風機補充。光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)控制策略優(yōu)化可以提高系統(tǒng)經(jīng)濟性,延長電池壽命。

1.2 光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)

光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)主要由光伏數(shù)組、逆變器、儲能裝置組成。光伏組件選用單晶或多晶硅組件,轉(zhuǎn)換率18%以上,組件容量一般在300-400W。逆變器采用并網(wǎng)型逆變器,效率在98%以上。儲能裝置常用鋰電池,也可采用鉛酸蓄電池或電容。儲能容量設計考慮發(fā)電容量、用電負荷情況、調(diào)峰需求等,一般取光伏容量的20-30%。例如100kW光伏系統(tǒng)配備20kW/50kWh鋰電池組,充電時光伏發(fā)電100kW,20kW直接為負荷供電,余80kW充電;放電時先從電池供電20kW,不足部分從光伏發(fā)電補充。逆變器與電池通過DC/DC調(diào)壓器連接,控制充放電過程中的功率分配。因此,光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略,既考慮經(jīng)濟性,也要兼顧電池充放電對壽命的影響。

2風力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1儲能系統(tǒng)的容量與功率匹配

儲能系統(tǒng)的容量和功率匹配設計對系統(tǒng)的經(jīng)濟技術性能有直接影響,應該根據(jù)發(fā)電側(cè)的配置、用戶側(cè)的負荷曲線以及調(diào)峰需求來進行匹配設計。例如,如果一個風電場配置了3臺2MW的風力發(fā)電機組,用戶側(cè)的負荷需求峰谷差為1MW,那么儲能容量應設計為2MWh,功率為1MW,以滿足需求。同時,考慮到系統(tǒng)損耗和儲能效率,可以適當加大10-20%的容量和功率。另一個例子是一個100kW的光伏發(fā)電站,配備了30kW/60kWh的鋰電池組。光伏每天發(fā)電量約為400kWh,用戶大負荷約為50kW。通過模擬光伏輸出曲線和用戶負荷曲線,可以得到直接供負荷電量約為200kWh,需要儲存入電池的電量約為200kWh。針對用戶負荷的早晚峰值,電池容量60kWh可以滿足約2h的早晚尖峰需求。考慮到電池組的充放電損耗和轉(zhuǎn)換效率,配備30kW功率的電池組基本能滿足尖峰填平需求。通過具體案例分析,綜合考慮發(fā)電側(cè)配置、用戶側(cè)負荷情況、儲能效率等因素,可以合理匹配設計儲能系統(tǒng)的容量和功率,以滿足系統(tǒng)需求,同時也要考慮經(jīng)濟性。

2.2 儲能系統(tǒng)的運行策略優(yōu)化

儲能系統(tǒng)的運行策略對其經(jīng)濟性和儲能設備的使用壽命具有重要影響。因此,需要對充放電策略、SOC(StateofCharge,電池荷電狀態(tài))維持策略等進行精細的優(yōu)化。具體來說,充電策略應考慮風電或光伏的預測輸出情況、電網(wǎng)負荷需求狀況、電價信號等因素,以便合理制定儲能系統(tǒng)的充電時段和充電功率。這樣可以避免過充過放的情況,同時優(yōu)化經(jīng)濟效益。放電策略則需要根據(jù)負荷需求曲線、電價差異等條件,優(yōu)先利用儲能電量提供功率支持,實現(xiàn)峰谷調(diào)節(jié)、電費套利等目標。

以一個2MW/5MWh的鋰電池組風電場為例,可以將SOC操作范圍設置為20%-90%。在充電時,需要考慮風機的實時輸出和電網(wǎng)負荷需求,在風電低谷時限制充電功率,以防止過充。在放電時,應優(yōu)先從儲能中提供功率,以抵消風電的波動。具體的充放電功率將根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整,以維持合理的SOC水平。這樣的策略不僅可以延長電池壽命,還可以實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)節(jié)。另外,對于一個100kW/60kWh的光伏電池組,充放電策略將根據(jù)當日光伏發(fā)電預測和用戶負荷預測進行優(yōu)化,以保證SOC的合理化,防止電池過充過放。在放電時,應優(yōu)先從電池供電,然后補充光伏,以平滑輸出。同時,運行策略需要根據(jù)電池的健康狀態(tài)和使用數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整更新,以保證優(yōu)質(zhì)效果。綜上所述,通過全面優(yōu)化儲能系統(tǒng)的運行策略,可以顯著提升其技術經(jīng)濟效益。

2.3 儲能系統(tǒng)的組件選擇與布局

儲能系統(tǒng)組件的合理選擇和布局直接影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟指標,需要考慮以下幾個關鍵方面:一,根據(jù)系統(tǒng)容量需求、電氣特性參數(shù)、自放電率、使用環(huán)境條件等因素,選擇合適的儲能設備。例如對于大容量風電系統(tǒng),可以考慮使用成本較低的鉛酸電池;對于配備光伏的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng),則可以選擇長壽命、高安全性的鋰電池。在選擇具體產(chǎn)品時,需要匹配其電壓電流參數(shù)、容量大小、允許充放電次數(shù)等指標,確保其滿足系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的需求。二,需要選擇高效率、損耗小的電力電子變流設備,確保其電壓等級和功率大小匹配系統(tǒng)的具體需求。例如對于幾百KW級的風電光伏系統(tǒng),可以選擇采用IGBT變流器;如果系統(tǒng)功率達到幾百MW級,則需要考慮采用更高功率等級的碳化硅變流設備。另外,關鍵部位需要設置合理的冗余變流設備,以提升系統(tǒng)的可靠性。三,不同的拓撲結(jié)構關系到后續(xù)的系統(tǒng)控制策略選用。例如,公共DC母線的結(jié)構有利于風電和光伏向儲能系統(tǒng)進行統(tǒng)一供電,便于實施風光互補的控制策略;而獨立的DC-AC結(jié)構則可以實現(xiàn)兩者的隔離控制。因此,需要根據(jù)工程的具體設計目的,合理選擇系統(tǒng)拓撲結(jié)構。四,要優(yōu)先選擇通信協(xié)議開放、功能可擴展的能量管理系統(tǒng),以實現(xiàn)對各類儲能設備、變流設備的狀態(tài)監(jiān)控,并根據(jù)設備運行數(shù)據(jù)和需求負荷,制定出優(yōu)化的系統(tǒng)控制策略。五,根據(jù)對用戶側(cè)負荷需求分析、儲能容量需求評估等,來合理確定光伏發(fā)電、風電發(fā)電、儲能設備等的具體容量配置方案。設備布局時,要注意強弱電的分離、防潮、設備熱管理等多個方面。綜上,通過對系統(tǒng)關鍵設備及拓撲結(jié)構的精細化比選和設計分析,可以獲得技術指標高且經(jīng)濟性好的儲能系統(tǒng)解決方案。

表1 儲能系統(tǒng)優(yōu)化設計關鍵措施

3風力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

3.1儲能系統(tǒng)的成本與效益評估

儲能系統(tǒng)的成本主要分為設備購置成本、運維成本以及系統(tǒng)電能損耗成本。在評估其效益時,需要考慮儲能系統(tǒng)在改善電網(wǎng)調(diào)峰性能、減少備用容量、延長相關設備使用壽命等方面的經(jīng)濟價值??梢酝ㄟ^具體案例進行成本效益分析,例如某風電場配備了2MW/5MWh的鋰電池儲能系統(tǒng),設備購置成本為120萬元,10年使用期,年運維費用為6萬元。該系統(tǒng)通過峰谷切換,可幫助風場減少約10%的棄風量,據(jù)測算每年可增加發(fā)電收入約18萬元。同時作為頻率調(diào)節(jié)儲備,可額外獲得約10萬元的調(diào)峰補償收入。另外,系統(tǒng)吸收涌余功率,可減少機組機械應力,延長逆變器使用壽命約10%,每年節(jié)約維護成本約5萬元??鄢\維成本后,該儲能系統(tǒng)10年內(nèi)的效益約為330萬元,投資回收期小于5年。另一個案例是某光伏電站配備100kW/200kWh的電池組進行峰谷填平,同樣可以獲得良好的經(jīng)濟效益。因此,在評估儲能系統(tǒng)的效益時,除了考慮經(jīng)濟效益外,還需關注其在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、減少調(diào)峰輪備容量等方面的技術價值,以及減少棄風棄光對環(huán)境的影響等全面效益。通過綜合技術經(jīng)濟效益分析,可以更全面地評估儲能系統(tǒng)的合理性。

3.2儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的價值分析

儲能系統(tǒng)通過充放電調(diào)節(jié),能夠為電網(wǎng)提供各種服務,提升電網(wǎng)供電的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。具體表現(xiàn)在以下幾個方面:一是提高電源調(diào)峰能力。儲能系統(tǒng)能夠快速響應需求變化,實現(xiàn)充電儲能和峰谷調(diào)節(jié),降低對調(diào)峰發(fā)電機組的依賴,從而降低調(diào)峰成本。二是減少備用容量需求。儲能系統(tǒng)可作為容量備用,降低電網(wǎng)準備的備用容量。例如,10MW儲能系統(tǒng)可以減少約5MW的備用容量。三是提高電網(wǎng)靈活性。儲能系統(tǒng)增強電網(wǎng)吸收新能源等不穩(wěn)定源的能力,同時在黑啟動時為系統(tǒng)供電。四是提高電力質(zhì)量。儲能系統(tǒng)能夠平滑電源波動,控制充放電參與電壓/頻率調(diào)節(jié),提高電力質(zhì)量。五是節(jié)約用戶電費。儲能系統(tǒng)實現(xiàn)峰谷時間電價套利,充電存儲夜間低谷電價電量,放電減少高峰用電,降低用戶電費支出。具體經(jīng)濟效益可以進行測算,例如,在某地區(qū)建設100MW/400MWh儲能電站,可減少該地約40MW備用容量,同時參與頻率調(diào)節(jié)獲得電費補償約300萬元/年,用戶通過夜間充電可節(jié)約電費100萬元/年。該儲能系統(tǒng)投資在8年內(nèi)收回。綜上所述,儲能系統(tǒng)通過多種方式提升電網(wǎng)可靠性、靈活性、經(jīng)濟性,成為電網(wǎng)的重要支撐技術裝備。

3.3經(jīng)濟性指標的計算與比較

對儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標進行計算與比較,可以評估不同方案的經(jīng)濟效益。主要的經(jīng)濟性評價指標包括:

  1. 投資回收期。根據(jù)總投資成本、年運行維護費用及系統(tǒng)收益,計算投資回收所需要的時間,一般要求投資回收期在項目使用壽命1/3以內(nèi)。

  2. 遞增系統(tǒng)效益與遞增成本比。評估增加儲能容量對系統(tǒng)效益提升的貢獻與成本增加的比值,選擇優(yōu)解。遞增系統(tǒng)效益與遞增成本比計算公式:比值=ΔE/ΔC;式中,ΔE為系統(tǒng)效益的遞增量,ΔC為系統(tǒng)成本的遞增量。

  3. 凈現(xiàn)值(NPV)。估算項目的收益現(xiàn)值與成本現(xiàn)值之差,NPV大于0表示項目經(jīng)濟可行。NPV計算公式:NPV=∑(t=1)n(R-C)/(1+r)t;式中,R和C分別為t年的收益和成本,r為貼現(xiàn)率,n為項目使用壽命。(4)

  4. 內(nèi)部收益率(IRR)。計算項目收益所對應的復利回報率,IRR高于銀行利率表示項目價值高。IRR滿足等式:∑(t=1)n(R-C)/(1+IRR)t=0。

具體計算可基于特定案例,例如某風電場考慮增設2MW/5MWh儲能系統(tǒng),成本為120萬元,使用壽命為10年。經(jīng)過測算,該儲能系統(tǒng)的投資回收期為4.5年,凈現(xiàn)值(NPV)為260萬元,內(nèi)部收益率(IRR)為16.5%,符合經(jīng)濟效益要求。同時,也可以通過比較不同儲能容量方案的經(jīng)濟性評價指標,選擇優(yōu)解。通過定量經(jīng)濟性分析,我們可以比較不同儲能配置方案的可行性,并選擇經(jīng)濟效益較佳的儲能系統(tǒng)解決方案,結(jié)合技術指標評估,我們可以實現(xiàn)技術經(jīng)濟兼優(yōu)的儲能系統(tǒng)設計。

4安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng),可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理,支持多種控制策略選擇,包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理,還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互,既能接受上級調(diào)度指令,又可以滿足遠程監(jiān)控與運維,確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

4.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構

4.4系統(tǒng)功能

(1)實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管,包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷,同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

(2)智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測,掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

(3)功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預測,并展示合格率及誤差分析。

(4)電能質(zhì)量

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析及錄波展示,并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

(5)可視化運行

實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守,實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監(jiān)控。

(6)優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預測,并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài),實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度,以降低尖峰或者高峰時刻的用電量,降低企業(yè)綜合用電成本。

(7)收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù),同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

(8)能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率,用于評估設備性能與狀態(tài)。

(9)策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產(chǎn)品

序號

設備

型號

圖片

說明

1

能量管理系統(tǒng)

Acrel-2000MG

內(nèi)部設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,由通信管理機、工業(yè)平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。

數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務器及協(xié)同控制裝置

策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等

2

顯示器

25.1英寸液晶顯示器

系統(tǒng)軟件顯示載體

3

UPS電源

UPS2000-A-2-KTTS

為監(jiān)控主機提供后備電源

4

打印機

HP108AA4

用以打印操作記錄,參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復限,系統(tǒng)事故,設備故障,保護運行等記錄,以召喚打印為主要方式

5

音箱

R19U

播放報警事件信息

6

工業(yè)網(wǎng)絡交換機

D-LINKDES-1016A16

提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術等技術問題

7

GPS時鐘

ATS1200GB

利用gps同步衛(wèi)星信號,接收1pps和串口時間信息,將本地的時鐘和gps衛(wèi)星上面的時間進行同步

8

交流計量電表

AMC96L-E4/KC

電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復費率電能計量、

四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關的"遜信“和“遙控"的功能

9

直流計量電表

PZ96L-DE

可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能??蓭S485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開關量輸入/輸出等功能

10

電能質(zhì)量監(jiān)測

APView500

實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質(zhì)量,記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動源。

11

防孤島裝置

AM5SE-IS

防孤島保護裝置,當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接

12

箱變測控裝置

AM6-PWC

置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護,測控,通訊一體化裝置,具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置

13

通信管理機

ANet-2E851

能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)果集匯總:

提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),可多鏈路上送平臺據(jù):

14

串口服務器

Aport

功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù),反饋到能量管理系統(tǒng)中。

1)空調(diào)的開關,調(diào)溫,及斷電(二次開關實現(xiàn))

2)上傳配電柜各個空開信號

3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等

4)接入電表、BSMU等設備

15

遙信模塊

ARTU-K16

1)反饋各個設備狀態(tài),將相關數(shù)據(jù)到串口服務器:讀消防VO信號,并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關機、事件上報等)

2)采集水浸傳感器信息,并轉(zhuǎn)發(fā)

3)給到上層(水浸信號事件上報)

4)讀取門禁程傳感器信息,并轉(zhuǎn)發(fā)

6結(jié)論

隨著可再生能源比重的不斷提高,風力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性和波動性對電網(wǎng)穩(wěn)定運行提出挑戰(zhàn)。儲能系統(tǒng)作為有效解決新能源規(guī)?;玫年P鍵技術,發(fā)揮著不可替代的重要作用。本文針對風電和光伏發(fā)電的儲能系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究,重點對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化設計、運營策略和經(jīng)濟性評估進行了探討。研究表明,合理規(guī)劃儲能系統(tǒng)容量配置與控制策略,不僅能提高風電和光伏發(fā)電的可靠性、經(jīng)濟性,也可以減少其棄風棄光量,提供調(diào)峰備用等多種電網(wǎng)服務,具有良好的技術經(jīng)濟效益。總體而言,儲能技術與風電、光伏發(fā)電深度融合,是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模利用的重要途徑之一。未來的研究可繼續(xù)關注如何利用儲能技術提高新能源并網(wǎng)規(guī)模,實現(xiàn)可再生能源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化及互利共贏。

參考文獻

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