储能系统在东福山岛独立型微电网中的优化设计和应用_赵波
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1)柴 油 发 电 机 作 为 主 电 源 模 式 在 此 模 式 下 ,柴 油 发 电 机 作 为 系 统 主 电 源 ,产 生 恒定的电压和频率 支 撑 系 统 运 行;储 能 系 统 处 于 恒 流充电 或 恒 压 充 电 状 态,直 到 蓄 电 池 组 荷 电 状 态 (SOC)值/端电 压 达 到 上 限 值。 考 虑 柴 油 发 电 机 最 小运行功率和额定 功 率 等 限 制,可 通 过 控 制 光 伏 出 力和风电机组投入台数来保证柴油发电机运行在设 定的合理范围内。 当 蓄 电 池 组 充 电 达 到 上 限 时,则 转为储能系统作为主电源模式运行。 2)储 能 系 统 作 为 主 电 源 模 式 当储 能 系 统 作 为 主 电 源 时,关 闭 柴 油 发 电 机 以 避免非同期并列运行,PCS采用V/f 控制为交流母 线提供电压和频率 支 撑,其 功 率 输 出 自 动 补 偿 风 光 出力与负荷之间的差额。基于蓄电池组 SOC 值/端 电压的储能优化控 制,要 求 当 风 光 资 源 丰 富 而 使 得 蓄电池组 SOC 值/端 电 压 升 至 上 限 值 时,通 过 控 制 光伏出力和切除风电机组来保证储能系统仅工作于 放电状态 且 放 电 功 率 在 设 定 范 围 内。 当 蓄 电 池 组 SOC 值/端 电 压 降 至 下 限 值 时,通 过 控 制 光 伏 出 力 和投入风电机组来保证储能系统仅工作于充电状态 且充电功率在设 定 范 围 内。 正 常 运 行 时,优 化 控 制 策略尽量使储能系 统 处 于 固 定 的 工 作 状 态,避 免 充 电状态和 放 电 状 态 的 频 繁 切 换。 当 蓄 电 池 组 SOC 值/端 电 压 低 于 临 界 转 换 值 时 ,开 启 柴 油 发 电 机 作 为 主电源供电,改变 PCS控制策略对蓄电池组进 行 充 电 ,即 转 换 为 柴 油 发 电 机 作 为 主 电 源 模 式 。 3)储 能 系 统 全 充 全 放 模 式 为了 保 证 蓄 电 池 的 最 大 使 用 寿 命,需 要 在 运 行
第 37 卷 第 1 期 2013 年 1 月 10 日
DOI:10.7500/AEPS201208166
Vol.37 No.1 Jan.10,2013
储能系统在东福山岛独立型微电网中的优化设计和应用源自文库
赵 波 ,张 雪 松 ,李 鹏 ,汪 科 ,陈 健 ,李 逢 兵
(浙江省电力公司电力科学研究院,浙江省杭州市 310014)
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是 铅 酸 蓄 电 池 的 5 倍 左 右 ,从 全 寿 命 周 期 分 析 ,考 虑 一 次 投 资 成 本 、运 行 维 护 成 本 及 置 换 成 本 ,从 技 术 成 熟度和经济性上铅酸蓄电池在现阶段均要占优。因 此,东福山岛项目最 终 选 择 了 基 于 可 再 生 能 源 应 用 的改进型阀控铅酸蓄电池。
海 岛 通 常 有 较 为 丰 富 的 风 光 资 源,加 以 合 理 利 用将可以大幅度提 高 海 岛 电 网 的 供 电 能 力,同 时 减 少柴油使用量,并 促 进 海 岛 生 态 环 境 的 保 护。 但 由 于 风 光 资 源 的 间 歇 性 及 波 动 性[2],加 上 柴 油 发 电 机 自 身 的 运 行 限 制 ,为 了 维 持 系 统 的 稳 定 性 ,风 光 柴 系 统 中 均 是 以 柴 油 发 电 为 主 ,风 光 发 电 为 辅 。 文 献 [3] 给出了在此类系统中可再生能源全年发电量仅占整 个自治系统 全 年 发 电 量 的 15% ~20%。 若 要 进 一 步提高可再生能源 的 渗 透 率,采 用 储 能 系 统 将 能 够
电化学储能中的钠硫电池和液流电池近年来得 到的关注较多。钠硫电池能量密度和转换效率均较 高、循环次数较多,但目前仅 有 日 本 NGK 技 术 较 为 成熟,且经济成 本 非 常 高。 液 流 电 池 虽 深 充 深 放 的 循环次数较多,但 能 量 密 度 低、效 率 低,且 技 术 成 熟 度仍需进一步完善。
通 过 以 上 分 析,铅 酸 蓄 电 池 和 磷 酸 铁 锂 电 池 是 东福山岛项目储能 系 统 的 优 先 选 择 项,技 术 成 熟 且 都有大规模储能的应用经验。铅酸蓄电池是最为成 熟和可靠的储能技 术,具 有 相 对 适 中 的 成 本 和 高 可 靠 性 ,但 是 寿 命 较 短 (一 般 3~10a)且 必 须 解 决 好 回 收工作。磷酸铁锂电池具有更长的使用寿命和更低 的 损 耗 ,发 展 前 景 较 好 ,但 是 目 前 磷 酸 铁 锂 电 池 价 格
图 1 微 电 网 系 统 结 构 示 意 图 Fig.1 Schematic diagram of microgrid configuration
2 储 能 系 统 的 选 择
东 福 山 岛 项 目 可 再 生 能 源 装 机 容 量310kW,在 优化设计前根据业 主 对 投 资 限 制 的 要 求,储 能 容 量 不能高于200kW×5h,即1 MW·h。关于储能系 统 的 选 择 应 从 技 术 、经 济 、安 全 和 成 熟 度 4 个 方 面 综 合考虑 。 [8-9] 储能技 术 主 要 有 三 大 类:机 械 储 能、化 学储能以及电磁场储能。
· 储 能 技 术 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 · 赵 波 ,等 储 能 系 统 在 东 福 山 岛 独 立 型 微 电 网 中 的 优 化 设 计 和 应 用
1 东 福 山 岛 项 目 概 述
东福 山 岛 是 中 国 东 部 海 疆 最 东 的 住 人 岛 屿,东 临公海,面积 2.95km2。 全 岛 有 1 个 自 然 村,居 民 约300 人,以 海 洋 捕 鱼 和 旅 游 业 为 生。 东 福 山 岛 远 离 大 陆 ,驻 军 的 柴 油 发 电 费 用 昂 贵 ,项 目 实 施 前 居 民 由驻军的柴油发电 机 供 少 量 照 明 用 电,用 水 主 要 靠 现有的水库收集雨水净化和从舟山本岛运水。
有效平抑可再生能 源 的 间 歇 性,提 高 可 再 生 能 源 的 利 用 率 ,在 大 幅 度 减 少 柴 油 用 量 的 同 时 ,有 效 提 高 系 统的稳定性 。 [4-7] 因此,迫切需要开展含储能 装 置 的 风光柴供电系统的研究和探索。
本文以实际建设及运行的浙江东福山岛独立型 微 电 网 为 例 ,以 最 大 化 利 用 可 再 生 能 源 为 目 标 ,同 时 充分考虑电池合理 运 行 使 用 寿 命,探 讨 储 能 系 统 在 海 岛 微 电 网 中 的 选 型 、优 化 配 置 及 运 行 策 略 问 题 ,为 未来储能系统在独立型海岛电网的大规模应用提供 技术参考。
本项 目 立 足 东 福 山 岛 能 源 供 应 现 状,开 展 风 光 柴储海水淡化独立 供 电 系 统 研 究,设 计 建 设 了 东 福 山岛风光柴储海水淡化独立供电系统工程。该工程 以 解 决 当 地 军 民 供 电 供 水 困 难 为 目 的 ,以 合 理 、高 效 地 利 用 海 岛 可 再 生 能 源 为 宗 旨,总 装 机 容 量 510kW,可再生能源装机容量310kW,包括 7 台 单 机容量30kW 的 风 力 发 电 机 组、100kW 的 光 伏 发 电系统、200kW 柴油发电机、2 000Ah储能蓄 电 池 和日处理能 力 50t的 海 水 淡 化 系 统。 现 阶 段 最 大 负荷 在 120 kW 左 右,预 计 未 来 最 大 负 荷 可 达
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200kW 左右,本 系 统 以 未 来 最 大 负 荷 设 计。 海 水 淡化是可调节负荷,能 够 有 效 增 加 可 再 生 能 源 的 利 用率,同时在用 水 紧 张 时 解 决 岛 上 用 水 问 题。 东 福 山岛微电网系统结 构 示 意 图 如 图 1 所 示,现 场 实 物 图见附录 A 图 A1,图 中 PCS 表 示 光 储 一 体 化 变 流器。
3 储 能 系 统 优 化 配 置 与 运 行 参 数 设 置
3.1 东 福 山 岛 微 电 网 运 行 策 略 独立 型 微 电 网 中,运 行 策 略 是 决 定 储 能 系 统 优
化配置与运行参数 设 置 的 因 素 之 一,也 是 独 立 型 微 电 网 稳 定 运 行 的 关 键 所 在 ,因 此 ,本 文 首 先 介 绍 东 福 山岛微电网运行策略。由于东福山岛微电网中柴油 发电机或储能系统 均 能 作 为 主 电 源,为 了 防 止 2 个 主电源非同期并列 运 行,同 一 时 刻 仅 允 许 两 者 之 一 作为系 统 主 电 源,采 用 V/f 控 制,为 系 统 提 供 稳 定 的电压和频率支撑。在运行策略中考虑到储能系统 的 特 殊 性 ,应 进 行 定 期 维 护 以 提 高 其 循 环 使 用 寿 命 。 东福山岛微电网主要有以下3种运行模式。
摘要:为解决东福山岛军民供电供水困 难 的 问 题,基 于 实 际 工 程 开 展 风 光 柴 储 独 立 型 微 电 网 的 研 究和探索,重点分析储能系统的选型、优化设计和运行参 数 选 择 等 问 题。 在 储 能 系 统 选 型 中,综 合 考虑各种储能的技术、经济、安全和成熟度4个方面因素,现阶 段 最 终 选 择 基 于 可 再 生 能 源 应 用 的 改 进 型 阀 控 铅 酸 蓄 电 池 。 在 储 能 优 化 配 置 中 ,以 尽 量 减 少 柴 油 发 电 机 运 行 时 间 、最 大 化 可 再 生 能 源 利用率和最大化储能系统循环使用寿命为优化目标,进行多 目 标 优 化 设 计。 在 储 能 系 统 运 行 参 数 选择中,结合系统协调运行控制策略,以蓄电池组端电压为标 准 进 行 模 式 控 制、模 式 切 换 和 储 能 系 统 保 护 ,优 选 运 行 控 制 参 数 以 使 系 统 有 序 、高 效 、可 靠 地 运 行 。 通 过 实 际 运 行 分 析 ,证 明 了 该 研 究 方 法的实用性和有效性。
机械储能中的抽水蓄能和压缩空气储能不适用 于兆瓦级以下的储能系统。进一步考虑岛上地理环 境 的 限 制 ,从 经 济 和 技 术 方 面 考 虑 ,抽 水 蓄 能 和 压 缩 空气储能均不适用。电磁场储能中的超导磁储能和 超级电容储能均属 于 功 率 型 储 能,功 率 特 性 好 但 能 量密度 低,无 法 满 足 东 福 山 岛 对 储 能 系 统 容 量 的 要求。
收 稿 日 期 :2012-08-20;修 回 日 期 :2012-10-08。 国家自然科学基金资助项目(51207140);国家高 技 术 研 究 发 展计划(863 计 划)资 助 项 目 (2011AA05A107);国 家 电 网 公 司科技项目“间歇式可再生能源海岛电网运行技术研 究 及 工 程 示 范 ”。
关 键 词 :储 能 系 统 ;微 电 网 ;选 型 ;优 化 配 置 ;运 行 参 数 ;工 程 应 用
0 引 言
近 几 年 来,在 一 些 远 离 大 陆 的 偏 远 海 岛 由 于 经 济 及 生 活 品 质 的 不 断 提 高 ,对 电 力 的 需 求 越 来 越 大 , 对其可靠性要求 也 越 来 越 高。 但 是,一 个 不 可 忽 视 的现实是,这些远离 大 陆 的 海 岛 大 都 是 自 治 的 独 立 系统[1],而且以柴油发电机为主,少数系统混合 有 低 渗透率的风光可再生能源。这些独立的自治系统, 若采取与主网互联来提高供电可靠性和供电质量, 无论从技术上还是 经 济 上 均 要 付 出 高 昂 的 代 价;考 虑到远离 大 陆 运 输 困 难 导 致 柴 油 发 电 成 本 不 断 升 高,加之柴油发电的 噪 音 及 排 污 往 往 会 对 海 岛 脆 弱 的生态资源造成较 大 影 响,继 续 维 持 以 柴 油 发 电 为 主的模式也并不理想。
第 37 卷 第 1 期 2013 年 1 月 10 日
DOI:10.7500/AEPS201208166
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储能系统在东福山岛独立型微电网中的优化设计和应用源自文库
赵 波 ,张 雪 松 ,李 鹏 ,汪 科 ,陈 健 ,李 逢 兵
(浙江省电力公司电力科学研究院,浙江省杭州市 310014)
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是 铅 酸 蓄 电 池 的 5 倍 左 右 ,从 全 寿 命 周 期 分 析 ,考 虑 一 次 投 资 成 本 、运 行 维 护 成 本 及 置 换 成 本 ,从 技 术 成 熟度和经济性上铅酸蓄电池在现阶段均要占优。因 此,东福山岛项目最 终 选 择 了 基 于 可 再 生 能 源 应 用 的改进型阀控铅酸蓄电池。
海 岛 通 常 有 较 为 丰 富 的 风 光 资 源,加 以 合 理 利 用将可以大幅度提 高 海 岛 电 网 的 供 电 能 力,同 时 减 少柴油使用量,并 促 进 海 岛 生 态 环 境 的 保 护。 但 由 于 风 光 资 源 的 间 歇 性 及 波 动 性[2],加 上 柴 油 发 电 机 自 身 的 运 行 限 制 ,为 了 维 持 系 统 的 稳 定 性 ,风 光 柴 系 统 中 均 是 以 柴 油 发 电 为 主 ,风 光 发 电 为 辅 。 文 献 [3] 给出了在此类系统中可再生能源全年发电量仅占整 个自治系统 全 年 发 电 量 的 15% ~20%。 若 要 进 一 步提高可再生能源 的 渗 透 率,采 用 储 能 系 统 将 能 够
电化学储能中的钠硫电池和液流电池近年来得 到的关注较多。钠硫电池能量密度和转换效率均较 高、循环次数较多,但目前仅 有 日 本 NGK 技 术 较 为 成熟,且经济成 本 非 常 高。 液 流 电 池 虽 深 充 深 放 的 循环次数较多,但 能 量 密 度 低、效 率 低,且 技 术 成 熟 度仍需进一步完善。
通 过 以 上 分 析,铅 酸 蓄 电 池 和 磷 酸 铁 锂 电 池 是 东福山岛项目储能 系 统 的 优 先 选 择 项,技 术 成 熟 且 都有大规模储能的应用经验。铅酸蓄电池是最为成 熟和可靠的储能技 术,具 有 相 对 适 中 的 成 本 和 高 可 靠 性 ,但 是 寿 命 较 短 (一 般 3~10a)且 必 须 解 决 好 回 收工作。磷酸铁锂电池具有更长的使用寿命和更低 的 损 耗 ,发 展 前 景 较 好 ,但 是 目 前 磷 酸 铁 锂 电 池 价 格
图 1 微 电 网 系 统 结 构 示 意 图 Fig.1 Schematic diagram of microgrid configuration
2 储 能 系 统 的 选 择
东 福 山 岛 项 目 可 再 生 能 源 装 机 容 量310kW,在 优化设计前根据业 主 对 投 资 限 制 的 要 求,储 能 容 量 不能高于200kW×5h,即1 MW·h。关于储能系 统 的 选 择 应 从 技 术 、经 济 、安 全 和 成 熟 度 4 个 方 面 综 合考虑 。 [8-9] 储能技 术 主 要 有 三 大 类:机 械 储 能、化 学储能以及电磁场储能。
· 储 能 技 术 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 · 赵 波 ,等 储 能 系 统 在 东 福 山 岛 独 立 型 微 电 网 中 的 优 化 设 计 和 应 用
1 东 福 山 岛 项 目 概 述
东福 山 岛 是 中 国 东 部 海 疆 最 东 的 住 人 岛 屿,东 临公海,面积 2.95km2。 全 岛 有 1 个 自 然 村,居 民 约300 人,以 海 洋 捕 鱼 和 旅 游 业 为 生。 东 福 山 岛 远 离 大 陆 ,驻 军 的 柴 油 发 电 费 用 昂 贵 ,项 目 实 施 前 居 民 由驻军的柴油发电 机 供 少 量 照 明 用 电,用 水 主 要 靠 现有的水库收集雨水净化和从舟山本岛运水。
有效平抑可再生能 源 的 间 歇 性,提 高 可 再 生 能 源 的 利 用 率 ,在 大 幅 度 减 少 柴 油 用 量 的 同 时 ,有 效 提 高 系 统的稳定性 。 [4-7] 因此,迫切需要开展含储能 装 置 的 风光柴供电系统的研究和探索。
本文以实际建设及运行的浙江东福山岛独立型 微 电 网 为 例 ,以 最 大 化 利 用 可 再 生 能 源 为 目 标 ,同 时 充分考虑电池合理 运 行 使 用 寿 命,探 讨 储 能 系 统 在 海 岛 微 电 网 中 的 选 型 、优 化 配 置 及 运 行 策 略 问 题 ,为 未来储能系统在独立型海岛电网的大规模应用提供 技术参考。
本项 目 立 足 东 福 山 岛 能 源 供 应 现 状,开 展 风 光 柴储海水淡化独立 供 电 系 统 研 究,设 计 建 设 了 东 福 山岛风光柴储海水淡化独立供电系统工程。该工程 以 解 决 当 地 军 民 供 电 供 水 困 难 为 目 的 ,以 合 理 、高 效 地 利 用 海 岛 可 再 生 能 源 为 宗 旨,总 装 机 容 量 510kW,可再生能源装机容量310kW,包括 7 台 单 机容量30kW 的 风 力 发 电 机 组、100kW 的 光 伏 发 电系统、200kW 柴油发电机、2 000Ah储能蓄 电 池 和日处理能 力 50t的 海 水 淡 化 系 统。 现 阶 段 最 大 负荷 在 120 kW 左 右,预 计 未 来 最 大 负 荷 可 达
— 161 —
2013,37(1)
200kW 左右,本 系 统 以 未 来 最 大 负 荷 设 计。 海 水 淡化是可调节负荷,能 够 有 效 增 加 可 再 生 能 源 的 利 用率,同时在用 水 紧 张 时 解 决 岛 上 用 水 问 题。 东 福 山岛微电网系统结 构 示 意 图 如 图 1 所 示,现 场 实 物 图见附录 A 图 A1,图 中 PCS 表 示 光 储 一 体 化 变 流器。
3 储 能 系 统 优 化 配 置 与 运 行 参 数 设 置
3.1 东 福 山 岛 微 电 网 运 行 策 略 独立 型 微 电 网 中,运 行 策 略 是 决 定 储 能 系 统 优
化配置与运行参数 设 置 的 因 素 之 一,也 是 独 立 型 微 电 网 稳 定 运 行 的 关 键 所 在 ,因 此 ,本 文 首 先 介 绍 东 福 山岛微电网运行策略。由于东福山岛微电网中柴油 发电机或储能系统 均 能 作 为 主 电 源,为 了 防 止 2 个 主电源非同期并列 运 行,同 一 时 刻 仅 允 许 两 者 之 一 作为系 统 主 电 源,采 用 V/f 控 制,为 系 统 提 供 稳 定 的电压和频率支撑。在运行策略中考虑到储能系统 的 特 殊 性 ,应 进 行 定 期 维 护 以 提 高 其 循 环 使 用 寿 命 。 东福山岛微电网主要有以下3种运行模式。
摘要:为解决东福山岛军民供电供水困 难 的 问 题,基 于 实 际 工 程 开 展 风 光 柴 储 独 立 型 微 电 网 的 研 究和探索,重点分析储能系统的选型、优化设计和运行参 数 选 择 等 问 题。 在 储 能 系 统 选 型 中,综 合 考虑各种储能的技术、经济、安全和成熟度4个方面因素,现阶 段 最 终 选 择 基 于 可 再 生 能 源 应 用 的 改 进 型 阀 控 铅 酸 蓄 电 池 。 在 储 能 优 化 配 置 中 ,以 尽 量 减 少 柴 油 发 电 机 运 行 时 间 、最 大 化 可 再 生 能 源 利用率和最大化储能系统循环使用寿命为优化目标,进行多 目 标 优 化 设 计。 在 储 能 系 统 运 行 参 数 选择中,结合系统协调运行控制策略,以蓄电池组端电压为标 准 进 行 模 式 控 制、模 式 切 换 和 储 能 系 统 保 护 ,优 选 运 行 控 制 参 数 以 使 系 统 有 序 、高 效 、可 靠 地 运 行 。 通 过 实 际 运 行 分 析 ,证 明 了 该 研 究 方 法的实用性和有效性。
机械储能中的抽水蓄能和压缩空气储能不适用 于兆瓦级以下的储能系统。进一步考虑岛上地理环 境 的 限 制 ,从 经 济 和 技 术 方 面 考 虑 ,抽 水 蓄 能 和 压 缩 空气储能均不适用。电磁场储能中的超导磁储能和 超级电容储能均属 于 功 率 型 储 能,功 率 特 性 好 但 能 量密度 低,无 法 满 足 东 福 山 岛 对 储 能 系 统 容 量 的 要求。
收 稿 日 期 :2012-08-20;修 回 日 期 :2012-10-08。 国家自然科学基金资助项目(51207140);国家高 技 术 研 究 发 展计划(863 计 划)资 助 项 目 (2011AA05A107);国 家 电 网 公 司科技项目“间歇式可再生能源海岛电网运行技术研 究 及 工 程 示 范 ”。
关 键 词 :储 能 系 统 ;微 电 网 ;选 型 ;优 化 配 置 ;运 行 参 数 ;工 程 应 用
0 引 言
近 几 年 来,在 一 些 远 离 大 陆 的 偏 远 海 岛 由 于 经 济 及 生 活 品 质 的 不 断 提 高 ,对 电 力 的 需 求 越 来 越 大 , 对其可靠性要求 也 越 来 越 高。 但 是,一 个 不 可 忽 视 的现实是,这些远离 大 陆 的 海 岛 大 都 是 自 治 的 独 立 系统[1],而且以柴油发电机为主,少数系统混合 有 低 渗透率的风光可再生能源。这些独立的自治系统, 若采取与主网互联来提高供电可靠性和供电质量, 无论从技术上还是 经 济 上 均 要 付 出 高 昂 的 代 价;考 虑到远离 大 陆 运 输 困 难 导 致 柴 油 发 电 成 本 不 断 升 高,加之柴油发电的 噪 音 及 排 污 往 往 会 对 海 岛 脆 弱 的生态资源造成较 大 影 响,继 续 维 持 以 柴 油 发 电 为 主的模式也并不理想。