风力发电集成的解决方案与积极措施

# 风力发电集成的解决方案与积极措施 ## 1. 抽水蓄能电站用于平衡发电预测误差 在大规模风力发电中，准确预测发电量至关重要，但误差难以避免。抽水蓄能电站（PHES）是平衡大规模风能的合适技术，它能积累或产生数百兆瓦时的能量，可应对快速的风电波动，效率高且运行时无二氧化碳排放，优于压缩空气储能、电池或飞轮等传统技术。 ### 1.1 测试系统与基准数据 以包含250MW和900MW风力发电厂的测试系统为例。从爱沙尼亚输电系统运营商（TSO）的主页获取2012年夏季至2013年夏季的风电生产基线数据和预测误差，假设测试系统的归一化平均绝对百分比误差（nMAPE）为6.07%。从机动性和24小时平衡承诺两个角度分析PHES系统，基准数据如下： | 风电容量 | 最大正误差（盈余功率变化） | 最大负误差（不足功率变化） | | ---- | ---- | ---- | | 250MW | 165.62MW/h（2.76MW/min） | -164.1MW/h（-2.74MW/min） | | 900MW | 577.76MW/h（9.63MW/min） | -572.44MW/h（-9.54MW/min） | ### 1.2 PHES系统配置与运行模式 所基准的PHES系统由三台水泵水轮机（100MW和2×175MW）和一台额外的水轮机（50MW）组成。电力系统的关键是保持发电功率和需求的平衡，因此需考虑PHES系统的各种运行模式场景： - **功率不足情况**：若因风电预测的巨大负误差导致电网发电功率突然不足，PHES站可根据运行点采取多种方式平衡，如启动发电（停机时）、降低功率消耗（抽水模式）或从抽水切换到发电（负误差仍在增加时）。 - **功率过剩情况**：当不可控的过剩功率进入电网（风电生产正预测误差）时，PHES站可从满负荷发电切换到满负荷抽水。 ### 1.3 机动性评估 不同运行模式的转换时间和相应的平衡能力评估如下表所示： | 模式变化 | 转换时间（min） | 对应容量（MW） | 最大输出变化速度（MW/min） | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 停机到满负荷发电 | 2 | 500 | 250 | | 停机到满负荷抽水 | 10 | 450 | -45 | | 满负荷发电到满负荷抽水 | 15 | 500/450 | -145 | | 满负荷抽水到满负荷发电 | 8 | 450/500 | 325 | | 满负荷发电到停机 | 5 | 500 | -100 | | 满负荷抽水到停机 | 6 | 450 | 75 | 与火力发电厂（TPP）相比，PHES系统的机动性更强。在250MW风电装机容量下，TPP在应对盈余能量时能快速降载（7MW/min），但应对不足能量时存在问题（TPP升载能力2.5MW/min，而电网最大不足2.74MW/min）。在900MW风电容量下，TPP的平衡能力将耗尽，而PHES只需部分水泵水轮机单元就能实现平衡。 ### 1.4 24小时平衡承诺 从24小时平衡承诺的角度看，最大日发电量误差信息很关键。PHES系统需存储能量以平衡不足和积累盈余能量，这取决于水库的存储容量。通过以下公式计算所需的最小水量和空体积： - **抽水模式能量存储公式**：$E_{pumping} = \frac{\rho \times g \times h \times V}{h_{pumping}}$ - **吸收最大日盈余能量所需最小空体积公式**：$V_{min} = \frac{E_{max 24h surp} \times h_{pumping}}{\rho \times g \times h}$ - **发电模式能量生产公式**：$E_{generation} = \rho \times g \times h \times V \times h_{generation}$ - **产生最大日不足能量所需最小水量公式**：$V_{min} = \frac{E_{max 24h def}}{\rho \times g \times h \times h_{generation}}$ 计算结果如下表所示： | 风电容量 | 最大风电预测误差（MWh） | 最小水量或空体积（$m^3$） | | ---- | ---- | ---- | | 250MW | 最大盈余：2569 <br> 最大不足：-1481.20 | 最大盈余：1564855 <br> 最大不足：1202016 | | 900MW | 最大盈余：8963 <br> 最大不足：5167 | 最大盈余：5455307 <br> 最大不足：4193081 | | 最大体积需求 | - | 9648400$m^3$ | ### 1.5 地下PHES解决方案 传统PHES需要特定的地理条件，而在爱沙尼亚这样相对平坦的地区，提出了地下PHES的解决方案。该方案将海洋作为上水库，地下水库作为下水库，存储介质为海水，其盐浓度低对金属结构无害。技术参数如下： - **安装容量**：最大存储/输入功率450MW，最大发电/输出功率500MW。 - **水轮机配置**：三台可逆垂直轴混