青海海西地區(qū)多能互補運行方式初步分析

文 | 胡小麗，劉軍濤

青海海西地區(qū)多能互補運行方式初步分析

文 | 胡小麗，劉軍濤

加快開發(fā)利用可再生能源已成為當前世界各國的普遍共識和一致行動，青海省海西州太陽能資源豐富，風電開發(fā)條件好，土地資源遼闊，亦有建設一定規(guī)模的抽水蓄能電站的資源條件，具備多能互補運行的基礎。本文以光熱、抽水蓄能電站作為調峰電源，對海西州光熱、光伏、風電、抽水蓄能之間的互補運行進行了初步分析，充分利用光熱、抽水蓄能電站對新能源補償作用來削弱新能源的不穩(wěn)定波動，最大化地發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢。通過互補運行后，可有效送出可再生能源的電力電量，提高電能質量。

多能互補資源條件

青海海西地區(qū)太陽能資源豐富且有大量戈壁灘等未利用地，土地資源廣闊，光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、風電等新能源開發(fā)條件好，亦有建設一定規(guī)模的抽水蓄能電站的資源條件，具備光伏、光熱、風電、抽蓄等多能互補運行的基礎條件。根據(jù)青海省相關規(guī)劃，“十四五”末海西地區(qū)擬建成光伏約14000MW、光熱約9000MW、風電約4000MW，抽水蓄能2400MW，并擬通過直流特高壓外送通道將可再生能源外送。

（1）太陽能

青海省位于青藏高原東北部，空氣較為稀薄，陽光直射時間長，太陽能資源十分豐富，年總輻射量在5560MJ/m2－7400MJ/m2之間，在全國居第二位，僅次于西藏。海西州地區(qū)太陽輻射強，日照時數(shù)多，全州太陽能總輻射量在6600MJ/m2－7200MJ/m2之間，是全省輻射量最多的地區(qū)，也是青海省年日照百分率最大的地區(qū)，年日照時數(shù)在3000h－3400h之間。

（2）風能

海西州風能資源儲量十分豐富，大部分地區(qū)屬于可開發(fā)區(qū)域，其中以格爾木市至都蘭一線、冷湖、芒崖地區(qū)資源最具備開發(fā)條件，年風功率密度在150W/m2－300W/m2，風速在5.5m/s－7m/s之間，利用小時數(shù)在1800h－2500h之間。

（3）抽水蓄能

根據(jù)相關工作成果，青海海西地區(qū)初選了兩個抽水蓄能站點。初步規(guī)劃裝機容量合計約2400MW。

各類電源運行特性分析

一、太陽能光伏

根據(jù)光伏電站14000MW逐十分鐘出力過程，光伏電站全年平均出力2368MW，占裝機容量16.92%；最大出力為11763MW，占裝機容量的84.02%，保證率僅0.002%；最小出力為0；出力為9100MW（即容量系數(shù)為65%）時，保證率為7.5%，累積電量98%。

海西州光能資源分布有明顯的季節(jié)性差異，太陽輻射的季節(jié)變化直接造成了光伏電站出力的季節(jié)性差異。經(jīng)統(tǒng)計，出力最小月份（7月）約是最大月份（8月）的78%。最小月出力約為平均月出力的83%，最大月出力比平均月出力大約15%。從光伏電站日內平均出力過程看，光伏電站日內基本在7：00－21：00發(fā)電。

圖1 青海省總輻射空間變化分布圖（單位：MJ/m2·a）

二、太陽能光熱

太陽能光熱發(fā)電，是利用大量拋物型的反射鏡將太陽輻射能聚集到吸熱裝置并將其轉化給傳熱流體導熱流體的熱能，傳熱流體再利用此熱能通過渦輪機械或其他發(fā)電設備轉換成電能的技術。

太陽能光熱發(fā)電由于配備了儲熱系統(tǒng)，受太陽輻射變化影響小，可像常規(guī)電源一樣接受電網(wǎng)的調節(jié)，具備穩(wěn)定的電力輸出和較好的調節(jié)性能。帶有儲熱裝置的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在白天將一部分太陽能轉化為熱能儲存起來，在傍晚之后或者電力需求晚高峰時段用于發(fā)電以滿足電網(wǎng)的要求，從而可保證電力輸出更加平穩(wěn)和可靠。

三、風電

根據(jù)風電4000MW逐十分鐘出力過程，風電全年平均出力占裝機容量21.1%；最大出力為4000MW，占裝機容量100%，達到滿發(fā)；最小出力為0；風電出力為3600MW（即容量系數(shù)為90%）時，保證率為7.7%，累積電量98%。

從風電各月出力變化圖上看，3－5月平均出力相對較大，其他月份出力較小。最大平均出力出現(xiàn)在4月，為1420MW；最小平均出力出現(xiàn)在1月，為180MW。出力最小月份（1月）約是最大月份（4月）的13%。

從風電分時變化曲線上看，各時平均出力變化不大，最大出力為760MW，最小出力為516MW。雖然年內逐時平均出力變化不大，但同一時刻各自出力變化無規(guī)律，既有最大出力為4000MW，也有出力為0。

四、抽水蓄能

抽水蓄能電站既是發(fā)電廠，又是電力用戶，是一種可以平衡系統(tǒng)峰、谷用電需求，可間接儲存電能的特殊電源點。它利用系統(tǒng)用電需求低谷時的剩余電力驅動水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲存起來，即電能轉化為動能；然后在系統(tǒng)用電需求高峰時放水發(fā)電，即動能再轉化為電能。抽水蓄能電站以特有的既調峰又填谷的雙重作用，可緩解電網(wǎng)的調峰困難，改善系統(tǒng)光伏、風電等新能源電源的運行條件，減少棄風、棄光量，提高新能源的利用率。

圖2 海西光伏出力－保證率－電量累積曲線

圖3 海西光伏月平均出力過程

圖4 海西光伏日內平均出力過程

圖5 帶蓄熱裝置的光熱日內運行過程示意圖

由于太陽能光伏、風電出力均具備波動性、隨機性等特點，特別是短時間內發(fā)電出力變化較大時，會對電力系統(tǒng)短時間的有功功率平衡及頻率穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要電網(wǎng)配置足夠的快速反應容量來適應新能源出力的隨機波動。抽水蓄能電站承卸負荷迅速靈活，能適應負荷的急劇變化，調頻性能好，可以很好地承擔電網(wǎng)快速負荷跟蹤和維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定任務。

多能互補運行方式研究

一、互補運行分析原則

（1）分析時段以小時為主，主要研究日內互補運行方式，小時內出力變化由電調控制系統(tǒng)控制。

（2）海西地區(qū)電力電量考慮通過直流特高壓輸電通道外送，考慮通道輸電容量對互補電源發(fā)電容量的限制。多能互補運行方式即考慮送端電源發(fā)電特性，又盡可能適應受端電網(wǎng)負荷需求特性，電力負荷需求按照日內呈現(xiàn)兩至三個臺階狀來考慮。

（3）目前光熱發(fā)電缺乏實測出力過程，本次分析暫按光熱電站年利用小時3500小時考慮。光熱電站在太陽能輻射強時最小發(fā)電出力不低于裝機容量20%考慮。

（4）針對各類能源的發(fā)電特性，在風光發(fā)電出力自然組合的基礎上，分析其風光組合電源發(fā)電特性，并以風光互補后為基礎，由光熱、抽水蓄能電站進行補償分析。

二、互補運行方式分析

根據(jù)風光組合電源后的出力過程，選取較大、平均、較小三個代表日對互補運行方式進行分析。

圖6 海西風電出力－保證率－電量累積曲線

圖7 海西風電月平均出力過程

圖8 海西風電日內平均出力過程

從圖9可見，在較大代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風電、光伏、光熱、抽水蓄能互補后，日內平均出力呈現(xiàn)三個臺階狀：

1：00－9：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為50%；此時段主要由光熱通過蓄熱系統(tǒng)發(fā)電，并伴有風電運行。

9：00－18：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為50%－100%。出現(xiàn)風電、光伏大發(fā)時，光熱壓低至最小技術出力運行，將大量太陽能轉換為熱能蓄至儲熱系統(tǒng)中，超出線路輸電容量的新能源通過抽水蓄能抽水。

18：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值范圍為70%。晚高峰時段主要由風電、光熱、抽水蓄能發(fā)電運行。

在較大代表日情況下，日內平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為69%。

從圖10可見，在平均代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風、光、光熱互補后，日內平均出力呈現(xiàn)三個臺階狀：

1：00－8：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%，主要由光熱儲熱部分發(fā)電。

8：00－17：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%－100%；主要由光伏、風電、光熱運行，同時光熱將多余熱能蓄至儲熱系統(tǒng)中在傍晚以后發(fā)電。

15：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值范圍為67%，主要由光熱儲熱系統(tǒng)發(fā)電。

在平均代表日情況下，日內平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為56%。

從圖11可見，在較小代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風、光、光熱互補后，日內各類電源互補后平均出力呈現(xiàn)兩個臺階狀：

1：00－10：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%，主要由光熱儲熱部分發(fā)電運行。

11：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為49%，主要由光熱、光伏、風電運行。

在較小代表日情況下，日內平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為37%。

三、小結

（1）根據(jù)風電出力特性分析，風電隨機性強，月際平均出力約40%變化，發(fā)電量95%的有效容量系數(shù)較高。

（2）根據(jù)光伏發(fā)電出力特性分析，光伏發(fā)電以日變化為主，月際平均出力約20%變化，發(fā)電量98%的有效容量系數(shù)約0.66。

（3）以風光組合電源發(fā)電特性分析，發(fā)電量95%的有效容量系數(shù)約0.52；發(fā)電量98%的有效容量系數(shù)約0.57。光熱電站通過儲熱單元可對風光發(fā)電出力進行補償，在太陽能輻射強時最小發(fā)電出力不低于裝機容量20%。

（4）通過光伏、風電與光熱、抽水蓄能互補運行，負荷高峰時段的出力可達到送電通道輸電容量的50%－100%，可以較為穩(wěn)定、有效地送出可再生能源的電力電量，提高輸出電能質量。

結語

青海海西地區(qū)具備多能互補的基礎條件，本文針對太陽能光熱、抽水蓄能、光伏、風電互補運行方式進行了分析和研究，充分利用光熱、抽水蓄能電站對光伏、風電的補償作用，來削弱光伏、風電不穩(wěn)定波動，更大地發(fā)揮了可再生能源的優(yōu)勢，對太陽能光熱與常規(guī)清潔能源的互補運行具有一定指導意義。

圖9 基地電源互補運行方式（較大代表日）

圖10 基地電源互補運行方式（平均代表日）

圖11 基地電源互補運行方式（較小代表日）

（作者單位：中國電建西北勘測設計研究院有限公司）