离网型组合蓄能风力发电系统(上)

　　风力发电技术是目前最具市场竞争力的可再生能源发电技术之一^[1]。由于风电能的剧烈波动性和用户需求的时变性，离网型风电系统须借助储能装置来缓冲并消除系统电能的供需失配，以保证系统供电的连续稳定。目前常规离网型风电系统多采用单一蓄电池储能方式^[2]。蓄电池(BT0.8～0.9)具有充放电效率高、负荷跟随动态特性好等优点，但其能量密度较低、自漏电率较高，不适合长期蓄能。单一蓄电池储能方式的风电系统存在或无法连续运行、或需借助有污染的柴油机组辅助发电^[3]、或因采用泻荷装置而使系统效率过低、或为连续运行而使蓄电池容量过大等一系列问题 为克服常规系统的不足.可以将全部风电能通过电解水转换为氢气存储，然后再通过燃料电池消耗氢气发电^[4]。氢气能量密度高、清洁环保、易于长期储存，但是电解氢装置(EL0.6～0.8)和燃料电池(FC0.4～0.7)的转换效率较低且单位能量成本高.不适合短期能量缓冲单一水电解氢储能^[6]风电系统的电解氢装置及燃料电池的额定功率须远大于平均功率.不仅效率低且成本高。为减轻风电与负载的失配程度.还可采取风光互补混合发电的方式^[6-8]，然而这并不能完全消除供需失配.无法保证系统连续自治运行。

　　本文提出一种采用水电解氢气结合蓄电池储能的组合蓄能离网型风力发电系统 该组合蓄能方式^[9，10]实现了单一蓄电池和氢气储能两者的优势互补，使得系统能够实现连续稳定自治运行、零排放、无污染，且系统的效率较高、成本较低。

　　1 组合蓄能系统

　　1.1 系统结构

　　该组合蓄能离网型风电系统结构如图1所示。

　　该系统有4条能量传输通道：A通道将能量直接传送到用户，B通道将能量经蓄电池短期缓冲后送往用户，C通道的能量传输路径为风电机组→水电解氢装置→氢气罐→燃料电池→用户，D通道的能量传输路径为风电机组→水电解氢装置→氢气罐→燃料电池→蓄电池→用户。显然，各通道能量传输效率高低依次排列为：η_A>η_B>η_C>η_D，其中η_A=ηcomη_IN，η_B=η_Aη_BT，ηc=ηcomη_DIη_ELη_FCη_D2η_IN,η_D=η_Cη_BT。由于四通道效率各不相同.系统的能量管理方式将决定系统运行的整体效率，并影响系统配置设计。

图1 离网型组合蓄能风力发电系统

　　1.2 能量优化管理策略

　　为了使该系统的能量利用效率最优，本文提出的优化能量管理策略为：任何时刻，风电机组发出的电力Pe将优先通过传输效率较高的通道送往用户，由于η_A>η_B>η_C>η_D，故可使系统对风电能的利用效率达到最优，其具体运行规则如下：

　　(1)当供大于求时，部分Pe通过A通道满足负荷需求，而电力盈余 ， 通过以下方式存储起来：当蓄电池蓄电状态S_BT较低时，则△P₊通过B通道向蓄电池充电;当SBT较高时，则△P₊通过C或D通道有水电解氢装置转换成氢气。

　　(2)当供不应求时，全部Pe通过A通道满足负荷需求，而电力赤字△P_-=P_L/η_IN-Peηcon通过以下方式得以补充：当SBT较高时，则△P_-通过B通道由蓄电池放电得以补充;当S_BT较低时，则△P-通过C或D通道由燃料电池消耗氢气发电提供。

　　上述组合蓄能系统的最优能量管理策略可采取如图2所示的双滞环控制方案[9,10]来具体实现，其中设置滞环的目的是为了防止电解装置和燃料电池频繁地开关。需要指出S_ELUP与S_FClow分别表示蓄电池已充满电、电力已用尽，S_ELUP-S_FClow代表蓄电池放电深度，为使系统安全运行，两者均留有余量，SELUP低于蓄电池保护上限防止过充电，SFClow高于保护下限防止过放电;电解氢装置按可变输入功率模式运行，动态吸收供需失配的电力;而燃料电池由于负载跟随响应较慢，将以近似恒定功率的方式发出电能[9-10],剩余失配的电力仍由蓄电池吸收或补充，由于利用了蓄电池的缓冲能力，燃烧电池的输出功率可近似取最大月平均负荷值，这即减小了燃料电池成本又能向用户连续供电。

图2 双滞环控制策略

　　为了保证独立式风力发电系统能够全年连续稳定自治运行，必须至少使系统的能量达到供需平衡.在此前提下合理设计和选择系统各元件的规格至关重要。下面将基于本节所提出的优化能量管理原则.提出一整套的组合蓄能系统规格设计方法。