风—水电联合运行系统的可行性研究
编译：王 艳，胡三高，张瑞钰
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摘要：风能是一种可再生无污染的绿色能源，是现今最具开发前景的新能源之一。近年来，我国越来越多的大中型风电场相继投入运行，由于自然风存在随机性和不稳定性等特点 ,因此大比重风电直接输入电网可能对电网安全稳定经济运行带来潜在风险。本文针对某小型模拟电网系统，讨论了风能发电配抽水储能方案，在最大化利用风电的条件下 ,建立了该方案的经济运行计算分析模型，经对该联合运行系统与普通风电系统的比较计算分析 ,验证了模拟方案和计算模型的正确性 ,同时证明了风电—抽水蓄能联合运行系统是最大化开发利用风能资源的有效途径 ,具有可观的经济效益和社会效益。并在最后考虑了系统各个部分的造价，得出其单位电能最小成本。
关键词：风力发电；风电比重；风—水电联合供电系统；计算模型；造价分析
1 提高风电供电可靠性并增加风电场运行效益的储能技术
根据全球风能委员会报告，2005年全世界新增风电装机容量11769兆瓦，比上年增长43%。2005年，世界风电装机容量前6位的国家，依次为德国、西班牙、美国、印度、丹麦和意大利。
我国风能资源储量达32.26亿千瓦，实际陆地可开发的装机容量为2.53亿千瓦，近海可开发的风能资源更多，达到7.5亿千瓦。全国总共可开发的风能资源超过10亿千瓦，居世界前列，商业化、规模化发展的潜力巨大[1]。
风能是新能源中开发较早、应用较广、技术最成熟、最具大规模开发前景的新能源之一，因此许多国家都把风电建设作为重要的能源政策。但是风力发电在整个能源供应体系中又长期处于从属地位。与水火电机组相比，风能随机性和间歇性的特点造成风电机组的出力频繁波动，从而风电场的出力可靠性也差，风电比重过大，会使电网的调频、调峰压力加大，以及电网长距离送电的技术要求和运行成本急剧增大[2]。可如果采取限制电网中风电比重或加大风机功率调节的措施都不可取，最好的办法是利用蓄能系统将风电间接输入电网或存蓄起来，在电网需要时稳定地为电网供电。
蓄能技术有水力储能、压缩空气储能、超导磁力储能、流体电池组、飞轮储能等，其中“风电—抽水蓄能联合运行系统”技术成熟、可靠并得到成功应用。如西班牙为了开发利用EI Hierro岛、Canary岛的风能资源，建设了相应的抽水蓄能电站与之联合运行，在德国、丹麦、美国等风能利用发达国家都不乏这样的工程实例[3-7]。文献[3]给出了风电—抽水蓄能系统的6种运行方案，以及各子系统的运行模型和经济评价模型，这些模型考虑了风电直接输入电网可能带来的潜在风险，采取了将超过最大允许的风电由抽水蓄能存蓄起来，而在负荷高峰时优先使用抽水蓄能发电的技术路线。文献[4]建立了可再生能源系统优化算法则及相关模拟计算公式，求出了使可再生能源最大化开发时的抽水蓄能电站合理装机容量以及单位电能供应的最小成本。文献[5]对小型风电——抽水蓄能系统的运行进行了优化计算，通过考虑峰谷电价差，论证了该系统的经济可行性。文献[6，7]针对岛屿的特点对风电—抽水蓄能系统进行了专门的详细设计，提出了岛屿风电等可再生能源开发的一种良好对策。文献[9]提出了同时考虑风电场功率平滑输出与运行效益的综合模型，采用基于局部弹性搜索的混合遗传算法对风—水电联合供电系统的风电场运行效益和有功功率平滑输出等问题进行优化仿真计算，结果表明风电场在配置水力储能系统后，不但可以提高风电场的运行效益也可以减小风电场有功功率输出的波动，实现风电场有功功率的平滑输出。
抽水蓄能电站有很多优点：既能调峰又能调谷；可使防洪、灌溉与发电蓄水在用水上的矛盾得到很好的解决；投资少、成本低[8]。
所以利用“风电—抽水蓄能联合运行系统”能够将过大比重的风电转换成高质量的电能间接输入电网，或将电能负荷低谷时的多余风电转换成水能存蓄起来，减少风机弃荷，从而大大地提高了风能利用率和电网供电质量，使风能资源得到最大化的开发利用。
2 联合运行系统的运行原理及模拟计算
图1所示的是一个含“风电—抽水蓄能联合运行系统”的小型模拟电网，该系统由一个装有35台1500 kW和20台605kW风电机组的风电场；一座有若干台可逆式水泵—水轮机组的抽水蓄能电站(其上水库为日调节水库) ；一个工业和民用负荷子系统、控制系统以及其它常规发电厂等组成。
