新疆新能源消納研究

閆廣新

中國能源建設集團 新疆電力設計院有限公司 烏魯木齊 830001

1 新疆新能源發展概況

能源是人類社會發展的物質基礎,能源安全是國家安全的重要組成部分。在人類共同應對全球氣候變化的大背景下,世界各國紛紛制定能源轉型戰略,提出更高的能效目標,制定更加積極的低碳政策,推動新能源發展,加大溫室氣體減排力度。由于風能、太陽能等新能源發電具有不連續、不穩定、不可控的特性,大規模并入電網會給電網的安全穩定運行帶來嚴重的沖擊,而大規模儲能系統可有效實現新能源發電的調幅調頻、平滑輸出、跟蹤計劃發電,從而減小新能源發電對電網的沖擊,提高電網對新能源發電的消納能力,有效地解決棄風、棄光問題。

新疆風能資源、太陽能資源豐富,近幾年,風電、光伏發電裝機比重迅速增大,承擔主要調峰和調頻任務的火電機組比重逐年下降,冬季供暖期長達六個月,冬季新能源發電豐期與供熱期疊加,造成電網調峰、調頻異常困難。隨著近年來儲能技術,特別是電化學儲能技術的日益成熟,建設大型儲能電站并參與調峰、調頻運行,已經是解決調峰、調頻問題的必然選擇。同時,建設大型儲能電站也是降低棄風、棄光率的有效手段[1]。

近幾年,隨著新疆新能源基地的建設,新能源規?；鹉暝龃?裝機占比已經超過三分之一。截至2018年底,新疆新能源總裝機容量為28 717 MW,其中,風電為19 201 MW,光伏為9 516 MW,見表1。

表1 新疆新能源裝機容量統計

2 新能源消納情況

2.1 年度新能源消納情況

新疆新能源的大規模開發為促進自治區節能減排、推動地方經濟發展發揮了十分重要的作用,但由于新能源出力隨機性特性,同時受經濟下行而造成用電負荷增速下降、調峰電源不足等多重因素影響,隨著大批新能源規模化接入,棄風、棄光現象較為嚴重。新能源棄電比如圖1所示,2016年棄風比最高達到38.4%,棄光比最高達到31.8%。隨著新能源消納多措并舉的綜合實施,如自備電廠替代交易、跨省跨區交易、火電靈活性改造、推進清潔供暖等,棄風、棄光現象得到一定程度的緩解,至2018年,棄風比達22.9%,棄光比達15.5%。

圖1 2015年—2018年新能源年棄電比

2.2 月度新能源消納情況

新疆電網主要依靠火電進行調峰,在進入冬季后大量供熱機組需承擔供熱任務,調峰能力大幅下降,冬季新能源消納形勢要弱于夏季。風電逐月棄風比如圖2所示,2017年供熱期2月的棄風比最大,為40.7%,2018年棄風比最大為37.9%。光伏逐月棄光比如圖3所示,2017年供熱期2月的棄光比最大,為46.5%,2018年棄光比最大為24.2%。

3 風電出力特性分析

3.1 年出力特性

根據新疆已投運風電場的樣板機出力實測數據,風電發電量呈現一定的季節特性[2-3],如圖4所示,12月至翌年4月,風電平均出力較大,7—9月風電平均出力較小。

圖2 2017年—2018年風電逐月棄風比

圖3 2017年—2018年光伏逐月棄光比

圖4 新疆風電可發電量月度分布

3.2 總體出力概率分布

由于風電出力存在著明顯的間歇性和不確定性,其出力會在任何時刻因風速的改變而變化。隨著風電基地區域面積的增大,風速變化趨于平穩,會在一定程度上削弱整體出力的間歇性和不確定性。如圖5所示,新疆風電整體出力特性向風電的平均出力區間集中,極大和極小出力的概率都有所下降。

3.3 日出力特性

根據圖6可以看出,新疆風電各時段出力概率分布較為平均,相對而言,夜間1時～6時、12時～17時風電發電量較高,7時～9時、20時～23時風電發電量較低。

圖5 新疆風電全年出力概率分布

圖6 新疆風電各時段出力概率分布

4 光伏出力特性分析

根據圖7所示新疆已投運光伏可發電量月度分布,光伏發電量呈現顯著的季節特性,5月—10月的太陽能可發電量較大,發電量占比最大月份為7月、8月,可發電量是最小月份1月的約2.5倍。

圖7 新疆光伏可發電量月度分布

新疆光伏典型日出力率如圖8所示,夏季,光伏發電的有效時間一般為7時～21時,光伏發電的最大出力率能達到65%以上;冬季,光伏發電的有效時間一般為9時～19時,光伏的最大出力率一般小于40%。但在全年各月內,光伏發電的出力會受到氣象的影響,仍然具有較大的波動性和不確定。

5 電化學儲能技術

在“十四五”期間,新疆新能源發電裝機占比較大,造成電網調峰能力嚴重不足,需要建設一定規模的儲能電站,發揮其削峰填谷、負荷跟蹤、調頻調壓、熱備用、電能質量提升等功能,以提高電網對新能源的消納能力。但是,抽水蓄能電站對場址自然條件要求較高,通常只能借助合適的地形建設,且建設周期較長。目前新疆規劃建設兩座抽水蓄能電站,其中在建的準東抽水蓄能電站計劃2024年建成投運,哈密抽水蓄能電站計劃2025年以后投運,這些還遠不能解決新疆電網調峰電源容量缺額嚴重的問題。而電化學儲能技術具有能量密度高、響應時間快、維護成本低、靈活方便等優點,建設規模可以達到百千瓦至百兆瓦,既適用于電力系統分散式儲能,也適合于構建大規模電化學儲能電站。參與電力系統調峰調頻,是目前國內外電力系統儲能行業發展的焦點,而且隨著儲能示范項目運行經驗不斷積累,技術創新不斷提升,將為儲能成本下降創造有利條件,電化學儲能將在新能源發電、微電網、電力輔助服務、電網側、用戶側需求響應等領域出現市場機會和商業化模式,顯示出重要價值和廣闊前景[4]。

圖8 新疆光伏夏季、冬季典型日出力率曲線

電化學儲能主要包括鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池和液流電池等[5-7],相比于物理儲能具備系統簡單、安裝便捷、運行方式靈活等優點。

5.1 鉛酸電池

鉛酸電池是以鉛及其氧化物為電極、硫酸溶液為電解液的一種可充放電循環電池,具有技術成熟、性價比高、可靠性高、大電流性能好等優點,目前已經成為交通運輸、國防、通信、電力等各個部門最為成熟和應用最為廣泛的電源技術之一。但是鉛酸電池循環壽命短,能量密度低,使用溫度范圍窄,充電速度慢,過充電容易放出氣體,加之鉛為重金屬,對環境影響大,使其在后期的應用和發展受到了很大的限制。

5.2 鈉硫電池

鈉硫電池是以金屬鈉和液態硫為活性物質,工作在300～350 ℃的高溫型儲能電池,原材料儲量豐富,成本較低,具有儲能密度高、轉化效率高等優點,適用于電力系統調峰、調頻。但是,鈉硫電池最大的缺點是要在高溫下運行,高溫、腐蝕問題是阻礙其進一步發展的主要障礙之一,另外,鈉硫電池放電深度較小,不能在線測量電池的荷電狀態,在電網智能化的今天,限制了其應用場景,研究熱度在逐漸下降。

5.3 鋰電池

鋰電池根據材料不同可以分為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、三元鋰等。相比于其它電池,鋰電池具有循環壽命較長、能量密度高(鈷酸鋰高達220 Wh/kg)、充放電倍率較高、成本持續下降、能夠快速充放電等優點,特別適用于電動汽車等移動式儲能方式,近年來,鋰電池儲能已被廣泛應用于調峰調頻領域,并逐步占據主要市場。

5.4 液流電池

液流電池是通過正負極活性物質在惰性電極上發生電化學反應而完成能量存儲與釋放的一類電池,目前比較成熟的液流電池技術包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池和多硫化物/溴液流電池。液流電池具有響應速度快、循環壽命長、安全穩定性最強等優點,其中全釩液流電池儲能是最成熟的儲能技術之一,在國內已經有很多大型示范工程。

6 新疆新能源發展規劃

6.1 風電發展規劃

新疆地處多風區,其獨特的地理環境造就了風向風速分布的多樣性。新疆的九大風區多處于戈壁上,地形平坦,可開發面積大,建場條件優越;年平均風功率密度均在150 W/m2以上,有效風速小時數在5 500 h以上,具備建設大型風電場的條件。根據新疆電力中長期規劃,至“十四五”末,新疆風電總裝機規?？蛇_42 330 MW,其中直流外送配套為19 030 MW。

6.2 光伏發展規劃

新疆全年日照時間較長,日照百分比為60%～80%,全疆日照6 h以上的天數在250～325 d,年總日照時數達2 550～3 500 h,太陽年輻射照度為5 500～6 600 MJ/m2,年平均值為580 J/m2,居全國第二位,具有很大的資源開發潛力。根據新疆電力中長期規劃,至“十四五”末,新疆光伏發電總裝機規?？蛇_20 550 MW,其中直流外送配套5 750 MW。

7 新疆調峰容量需求分析

根據新疆電網冬季典型日負荷特性,考慮火電、水電、抽水蓄能等電源的調峰能力,從而最終確定電網需要新增的調峰容量需求[8-10]。

計算分析邊界條件:① 選擇水平年2025年,冬季枯水期、供熱期,調峰需求最大的季節進行計算分析;② 系統旋轉備用容量按全社會最大負荷8%考慮;③ 枯水期間庫容的水電機組主要參與調峰;④ 抽水蓄能機組考慮調峰填谷后,調峰能力按裝機容量的兩倍考慮;⑤ 風電反調峰深度根據出力特性分析,最大按72%考慮;⑥ 考慮到自備電廠通過替代交易消納新能源部分電量,以及部分供熱機組實施靈活性改造,筆者測算中火電機組的綜合調峰因數按0.35考慮。

根據上述邊界條件計算結果見表2。由表2可知,新疆電網2025年仍需要新增調峰電源容量6 120 MW,調峰壓力依然嚴峻。

表2 2025年冬季調峰容量需求

8 結束語

筆者在分析新疆新能源消納現狀、出力特性的基礎上,對新疆電網“十四五”調峰容量需求進行了計算分析,由于新疆主要由火電承擔調峰任務,調峰問題將隨著新能源裝機容量的增長愈發嚴峻。除新疆計劃投資的抽水蓄能電站之外,仍需要建設一定規模的集中式電化學儲能,提升新疆電網的調峰能力和電網安全穩定運行水平,為風電、光伏等新能源開發消納提供堅強支撐,擴大新能源消納范圍,提高新能源利用效率,促進新能源的健康、持續發展。