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

安科瑞 陳聰

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(guān)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(gòu)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(gòu)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(shù)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?？紤]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(shù)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(guān)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(guān)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(gòu)關(guān)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(gòu)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(gòu)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(gòu)。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(guān)鍵設備及拓撲結(jié)構(gòu)的精細化比選和設計分析，可以獲得技術(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(shù)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(shù)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(shù)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*款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(shù)指標評估，我們可以實現(xiàn)技術(shù)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(gòu)

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(chǔ)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

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(guān)鍵技術(shù)，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(shù)經(jīng)濟效益?？傮w而言，儲能技術(shù)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(guān)注如何利用儲能技術(shù)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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