促進(jìn)新疆新能源消納中電化學(xué)儲(chǔ)能容量需求分析

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

能源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源安全是國(guó)家安全的重要組成部分。在人類(lèi)共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化大背景下，世界各國(guó)紛紛制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，提出更高的能效目標(biāo)，制定更加積極的低碳政策，推動(dòng)新能源發(fā)展，加大溫室氣體減排力度。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等受自然因素影響，具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的特點(diǎn)，大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電與電網(wǎng)負(fù)荷之間的“彈性”連接，是解決電網(wǎng)調(diào)峰困難、新能源出力不穩(wěn)定問(wèn)題的有效技術(shù)措施，可以減小新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)后帶來(lái)的沖擊，從而提高電網(wǎng)消納新能源的能力。

新疆風(fēng)能資源、太陽(yáng)能資源豐富。近幾年，風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)比重迅速增大，承擔(dān)主要調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)的火電機(jī)組比重逐年下降；同時(shí)新疆冬季供暖期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，冬季新能源發(fā)電豐期與供熱期疊加造成電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻異常困難。隨著近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)，特別是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的日益成熟，建設(shè)大型儲(chǔ)能電站并參與調(diào)峰、調(diào)頻運(yùn)行，成為解決調(diào)峰、調(diào)頻問(wèn)題的必然選擇。同時(shí)，建設(shè)大型儲(chǔ)能電站也是降低棄風(fēng)率、棄光率的有效手段[1]。

1 新疆新能源發(fā)展概況

1.1 新能源裝機(jī)概況

隨著新疆新能源基地的建設(shè)，新能源規(guī)模逐年增大，裝機(jī)占比已經(jīng)超過(guò)30%。2015—2018年新疆新能源裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所示。

表1 新疆新能源裝機(jī)統(tǒng)計(jì)

1.2 新能源消納情況

1)年度新能源消納情況

近年來(lái)，隨著大批新能源規(guī)模化接入，棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象較為嚴(yán)重。2016年棄風(fēng)比最高達(dá)到38.4%，棄光比最高達(dá)到31.8%。隨著新能源消納多措并舉綜合實(shí)施，如自備電廠替代交易、跨省跨區(qū)交易、火電靈活性改造、推進(jìn)清潔供暖等，棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象得到一定程度的緩解，至2018年棄風(fēng)比為22.9%，棄光比為15.5%，見(jiàn)圖1所示。

圖1 2015—2018年新能源年棄電比統(tǒng)計(jì)

2)月度新能源消納情況

由于新疆電網(wǎng)主要是依靠火電進(jìn)行調(diào)峰，在進(jìn)入冬季后大量供熱機(jī)組需承擔(dān)供熱任務(wù)，調(diào)峰能力大幅下降，使得冬季新能源消納形勢(shì)要弱于夏季。2017年供熱期2月棄風(fēng)比最大為40.7%，棄光比最大為46.5%，2018年棄風(fēng)比最大為37.9%，棄光比最大24.2%。2017—2018年風(fēng)電及光伏棄電比例詳見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 2017—2018年風(fēng)電逐月棄電比統(tǒng)計(jì)

圖3 2017—2018年光伏逐月棄光比統(tǒng)計(jì)

2 新疆新能源出力特性分析

2.1 風(fēng)電出力特性分析[3]

1)年出力特性

根據(jù)新疆已投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的樣板機(jī)出力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，風(fēng)電發(fā)電量呈現(xiàn)一定的季節(jié)特性，冬季12月、1月以及春季3—4月風(fēng)電平均出力最大，夏季7—8月風(fēng)電平均出力最小。全年風(fēng)電可發(fā)電量比例見(jiàn)圖4所示。

圖4 新疆風(fēng)電可發(fā)電量月度分布

2)總體出力概率分布

根據(jù)樣板機(jī)8760 h數(shù)據(jù)分析，新疆風(fēng)電整體出力特性向風(fēng)電的平均出力區(qū)間(35%左右)集中，極大和極小出力的概率都有所下降。新疆風(fēng)電超過(guò)72%出力的概率全年不超過(guò)5%，可認(rèn)為風(fēng)電的有效容量系數(shù)為72%左右。

圖5 新疆風(fēng)電全年出力概率分布

3)日出力特性

根據(jù)日出力概率統(tǒng)計(jì)，新疆各時(shí)段風(fēng)電可發(fā)出力的分布較為平均。相對(duì)而言，每日1：00—6：00、12：00—15：00風(fēng)電發(fā)電量較高，7：00—9：00，21：00—23：00風(fēng)電發(fā)電量較低。

圖6 新疆風(fēng)電各時(shí)段出力概率分布

2.2 光伏出力特性分析

根據(jù)新疆已投運(yùn)光伏電站的樣板數(shù)據(jù)，光伏發(fā)電量呈現(xiàn)顯著的季節(jié)特性，5月—10月的太陽(yáng)能可發(fā)電量較大，其中最大月7月、8月份的可發(fā)電量是最小月1月份的約2.5倍左右。

圖7 新疆光伏可發(fā)電量月度分布

夏季，光伏發(fā)電的有效時(shí)間一般為7：00—21：00，光伏發(fā)電的最大出力率能達(dá)到65%以上；冬季，光伏發(fā)電的有效時(shí)間一般為9：00—19：00，光伏的最大出力率一般小于40%。但在全年各月內(nèi)，光伏發(fā)電的出力受到氣象的影響，仍然具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和不確定。

圖8 新疆光伏夏季、冬季典型日出力曲線

3 新疆電化學(xué)儲(chǔ)能容量需求分析

3.1 主要的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鉛蓄電池、鈉硫電池、鋰離子電池和液流電池等，具備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝便捷、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

1)鉛蓄(鉛酸、鉛碳)電池

鉛蓄電池包括鉛酸電池、鉛碳電池。鉛酸電池具有技術(shù)成熟、性?xún)r(jià)比高、可靠性高、大電流性能好等優(yōu)點(diǎn)，能量密度40～60 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)500～1000次，充放電效率85%～90%，已成為交通運(yùn)輸、國(guó)防、通信、電力等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的電源技術(shù)之一。鉛酸電池的缺點(diǎn)是能量密度低、循環(huán)壽命短。鉛碳電池兼具傳統(tǒng)鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)，在性能方面進(jìn)行了提升，改善了鉛酸電池的壽命短的劣勢(shì)(是普通鉛酸電池的4～5倍)，具有充電速率快、可回收利用、安全性能好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，而其缺點(diǎn)是能力密度低。

2)鈉硫電池

鈉硫電池是以金屬鈉和液態(tài)硫?yàn)榛钚晕镔|(zhì)，工作在300～350 ℃的高溫型儲(chǔ)能電池，原材料儲(chǔ)量豐富，成本較低，儲(chǔ)能密度高達(dá)760 Wh/kg、沒(méi)有自放電現(xiàn)象，充放電效率高達(dá)100%，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻。但是鈉硫電池最大的缺點(diǎn)是高溫運(yùn)行，高溫、腐蝕問(wèn)題是阻礙其進(jìn)一步發(fā)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(cè)量電池的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)，在電網(wǎng)智能化的趨勢(shì)下，其應(yīng)用場(chǎng)景受限，研究熱度在逐漸下降。

3)鋰電池

鋰電池根據(jù)材料不同可以分為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、三元鋰等，其中：三元鋰電池能量密度300～380 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)2000～5000次，充放電效率85%～98%。鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、充放電倍率較高、成本持續(xù)下降、能快速充放等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電動(dòng)汽車(chē)等移動(dòng)式儲(chǔ)能方式。近年來(lái)，鋰電池儲(chǔ)能已被廣泛應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻領(lǐng)域，并逐步占據(jù)主要市場(chǎng)。

4)液流電池

液流電池是通過(guò)可溶性電對(duì)在惰性電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而完成能量存儲(chǔ)與釋放的一類(lèi)電池，目前技術(shù)比較成熟的液流電池包括全釩液流電池、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(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全穩(wěn)定性最強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其中：全釩液流電池儲(chǔ)能量密度15～50 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)5000～10 000次，充放電效率65%～75%，是最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)之一，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多大型示范工程。

3.2 新疆新能源發(fā)展規(guī)劃

1)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃

新疆是中國(guó)的多風(fēng)區(qū)省份之一，其獨(dú)特的地理環(huán)境，造成風(fēng)向風(fēng)速分布的多樣性。新疆的九大風(fēng)區(qū)多處于戈壁上，地形平坦，可開(kāi)發(fā)面積大，建場(chǎng)條件優(yōu)越；年平均風(fēng)功率密度均在150 W/m2以上，有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)在5500 h以上，具備建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)的條件。根據(jù)新疆電力中長(zhǎng)期規(guī)劃，至“十四五”末，新疆風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到42.33 GW，其中直流外送配套19.03 GW[6]。

2)光伏發(fā)展規(guī)劃

新疆太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)明顯，特別是東部和南部屬于資源豐富區(qū)，夏季具有12 h可發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，具有很大的資源開(kāi)發(fā)潛力。根據(jù)新疆電力中長(zhǎng)期規(guī)劃，至“十四五”末，新疆光伏發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到20.55 GW，其中直流外送配套5.75 GW。

3.3 新疆調(diào)峰容量需求分析

根據(jù)新疆電網(wǎng)冬季典型日負(fù)荷特性，考慮火電、水電、抽水蓄能等電源的調(diào)峰能力，從而最終確定電網(wǎng)需要新增的調(diào)峰容量需求。

計(jì)算分析采用的邊界條件：1)選擇水平年為2025年，冬季枯水期、供熱期，即調(diào)峰需求最大的季節(jié)進(jìn)行計(jì)算分析；2)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量按全社會(huì)最大負(fù)荷8%考慮；3)枯水期帶庫(kù)容的水電機(jī)組主要參與調(diào)峰；4)抽水蓄能機(jī)組考慮調(diào)峰填谷后，調(diào)峰能力按裝機(jī)容量的兩倍考慮；5)風(fēng)電反調(diào)峰深度根據(jù)出力特性分析，最大按72%考慮；6)根據(jù)新疆電網(wǎng)火電機(jī)組情況，自備、供熱機(jī)組占比較大，自備電廠基本不參與調(diào)峰，僅通過(guò)替代交易消納新能源部分電量，供熱機(jī)組僅個(gè)別完成了靈活性改造，具備一定的調(diào)峰深度，這里火電機(jī)組的綜合調(diào)峰系數(shù)按30%和35%兩種情況分別進(jìn)行考慮[7-9]。

根據(jù)上述邊界條件得到的計(jì)算結(jié)果如表2所示，考慮到未來(lái)小容量火電機(jī)組關(guān)停、供熱機(jī)組靈活性改造等因素，火電機(jī)組按35%的綜合調(diào)峰深度計(jì)算，新疆電網(wǎng)2025年仍需要新增調(diào)峰電源容量達(dá)到6.12 GW，調(diào)峰壓力依然嚴(yán)峻。

表2 2025年冬季調(diào)峰容量需求 單位：104 kW

注：表中短橫線“-”表示不需要計(jì)算。

3.4 適合于新疆需要的儲(chǔ)能技術(shù)分析

“十四五”期間，新疆新能源發(fā)電裝機(jī)容量占比較大，造成電網(wǎng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，需要建設(shè)一定規(guī)模的儲(chǔ)能電站，發(fā)揮其削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、調(diào)頻調(diào)壓、熱備用、電能質(zhì)量提升等功能，提高電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力。但是，抽水蓄能電站對(duì)場(chǎng)址自然條件要求較高，一般來(lái)說(shuō)，只能借助合適的地形建設(shè)，且建設(shè)周期較長(zhǎng)。目前新疆規(guī)劃建設(shè)兩座抽水蓄能電站，其中，在建的準(zhǔn)東抽水蓄能電站計(jì)劃于2024年建成投運(yùn)，哈密抽水蓄能電站計(jì)劃于2025年以后投運(yùn)，還遠(yuǎn)不能解決新疆電網(wǎng)調(diào)峰電源容量缺額嚴(yán)重的現(xiàn)狀問(wèn)題。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有能量密度高、響應(yīng)時(shí)間快、維護(hù)成本低、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模可以達(dá)到百千瓦至百兆瓦，可建設(shè)分散式儲(chǔ)能，也適合于構(gòu)建大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能電站，參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，是目前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)，而且隨著儲(chǔ)能示范項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，技術(shù)創(chuàng)新不斷提升，將為儲(chǔ)能成本下降創(chuàng)造有利條件。電化學(xué)儲(chǔ)能將在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)、電力輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)、用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)等領(lǐng)域出現(xiàn)市場(chǎng)機(jī)會(huì)和商業(yè)化模式，顯示出重要價(jià)值和廣闊前景[10]。

根據(jù)“十四五”期間新疆電網(wǎng)調(diào)峰容量需求測(cè)算結(jié)果，2025年冬季需要新增調(diào)峰電源6.12 GW；考慮到電化學(xué)儲(chǔ)能的削峰填谷的作用，為盡可能多地接納新能源發(fā)電量，電網(wǎng)需要配置的電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模為3.05 GW。

新疆新能源棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，“十四五”期間儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用范圍主要考慮電源側(cè)儲(chǔ)能，即風(fēng)電場(chǎng)側(cè)配置儲(chǔ)能、光伏電站側(cè)配置儲(chǔ)能和共享式儲(chǔ)能電站，主要作用是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，平滑風(fēng)電、光伏出力特性、提升風(fēng)電光伏接入能力、減少棄風(fēng)棄光率。在確保安全的前提下，結(jié)合項(xiàng)目具體情況，儲(chǔ)能電池選擇以鋰電池、鋰電池+鉛酸(炭)電池組合等技術(shù)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

在分析新疆新能源消納現(xiàn)狀、出力特性的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆電網(wǎng)“十四五”調(diào)峰容量需求進(jìn)行了計(jì)算分析，由于新疆主要由火電承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，調(diào)峰問(wèn)題將隨著新能源裝機(jī)容量的增長(zhǎng)愈發(fā)嚴(yán)峻。除新疆計(jì)劃投資的抽水蓄能電站之外，經(jīng)測(cè)算，仍需要建設(shè)3.05 GW的集中式電化學(xué)儲(chǔ)能，提升新疆電網(wǎng)的調(diào)峰能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，為風(fēng)電、光伏等新能源開(kāi)發(fā)消納提供堅(jiān)強(qiáng)支撐，擴(kuò)大新能源消納范圍，提高新能源利用效率，促進(jìn)新能源的健康、可持續(xù)發(fā)展。