促進新疆新能源消納中電化學儲能容量需求分析

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

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、太陽能等受自然因素影響，具有不連續、不穩定、不可控的特點，大規模接入電網會給電網的安全運行帶來嚴重的影響。儲能系統可以實現新能源發電與電網負荷之間的“彈性”連接，是解決電網調峰困難、新能源出力不穩定問題的有效技術措施，可以減小新能源大規模接入電網后帶來的沖擊，從而提高電網消納新能源的能力。

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；同時新疆冬季供暖期長達6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，成為解決調峰、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率、棄光率的有效手段[1]。

1 新疆新能源發展概況

1.1 新能源裝機概況

隨著新疆新能源基地的建設，新能源規模逐年增大，裝機占比已經超過30%。2015—2018年新疆新能源裝機容量統計見表1所示。

表1 新疆新能源裝機統計

1.2 新能源消納情況

1)年度新能源消納情況

近年來，隨著大批新能源規模化接入，棄風、棄光現象較為嚴重。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年棄風比為22.9%，棄光比為15.5%，見圖1所示。

圖1 2015—2018年新能源年棄電比統計

2)月度新能源消納情況

由于新疆電網主要是依靠火電進行調峰，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，使得冬季新能源消納形勢要弱于夏季。2017年供熱期2月棄風比最大為40.7%，棄光比最大為46.5%，2018年棄風比最大為37.9%，棄光比最大24.2%。2017—2018年風電及光伏棄電比例詳見圖2和圖3。

圖2 2017—2018年風電逐月棄電比統計

圖3 2017—2018年光伏逐月棄光比統計

2 新疆新能源出力特性分析

2.1 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，冬季12月、1月以及春季3—4月風電平均出力最大，夏季7—8月風電平均出力最小。全年風電可發電量比例見圖4所示。

圖4 新疆風電可發電量月度分布

2)總體出力概率分布

根據樣板機8760 h數據分析，新疆風電整體出力特性向風電的平均出力區間(35%左右)集中，極大和極小出力的概率都有所下降。新疆風電超過72%出力的概率全年不超過5%，可認為風電的有效容量系數為72%左右。

圖5 新疆風電全年出力概率分布

3)日出力特性

根據日出力概率統計，新疆各時段風電可發出力的分布較為平均。相對而言，每日1：00—6：00、12：00—15：00風電發電量較高，7：00—9：00，21：00—23：00風電發電量較低。

圖6 新疆風電各時段出力概率分布

2.2 光伏出力特性分析

根據新疆已投運光伏電站的樣板數據，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，其中最大月7月、8月份的可發電量是最小月1月份的約2.5倍左右。

圖7 新疆光伏可發電量月度分布

夏季，光伏發電的有效時間一般為7：00—21：00，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9：00—19：00，光伏的最大出力率一般小于40%。但在全年各月內，光伏發電的出力受到氣象的影響，仍然具有較強的波動性和不確定。

圖8 新疆光伏夏季、冬季典型日出力曲線

3 新疆電化學儲能容量需求分析

3.1 主要的電化學儲能技術

電化學儲能主要包括鉛蓄電池、鈉硫電池、鋰離子電池和液流電池等，具備系統簡單、安裝便捷、運行方式靈活等優點[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。鉛酸電池具有技術成熟、性價比高、可靠性高、大電流性能好等優點，能量密度40～60 Wh/kg，循環次數500～1000次，充放電效率85%～90%，已成為交通運輸、國防、通信、電力等領域應用最為廣泛的電源技術之一。鉛酸電池的缺點是能量密度低、循環壽命短。鉛碳電池兼具傳統鉛酸電池的優點，在性能方面進行了提升，改善了鉛酸電池的壽命短的劣勢(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、成本較低等優點，而其缺點是能力密度低。

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，儲能密度高達760 Wh/kg、沒有自放電現象，充放電效率高達100%，適用于電力系統調峰、調頻。但是鈉硫電池最大的缺點是高溫運行，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(state of charge,SOC)，在電網智能化的趨勢下，其應用場景受限，研究熱度在逐漸下降。

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，其中：三元鋰電池能量密度300～380 Wh/kg，循環次數2000～5000次，充放電效率85%～98%。鋰電池具有循環壽命長、能量密度高、充放電倍率較高、成本持續下降、能快速充放等優點，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。

4)液流電池

液流電池是通過可溶性電對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，目前技術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：全釩液流電池儲能量密度15～50 Wh/kg，循環次數5000～10 000次，充放電效率65%～75%，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。

3.2 新疆新能源發展規劃

1)風電發展規劃

新疆是中國的多風區省份之一，其獨特的地理環境，造成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5500 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，新疆風電總裝機規模達到42.33 GW，其中直流外送配套19.03 GW[6]。

2)光伏發展規劃

新疆太陽能資源優勢明顯，特別是東部和南部屬于資源豐富區，夏季具有12 h可發電時長，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模達到20.55 GW，其中直流外送配套5.75 GW。

3.3 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。

計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)枯水期帶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)根據新疆電網火電機組情況，自備、供熱機組占比較大，自備電廠基本不參與調峰，僅通過替代交易消納新能源部分電量，供熱機組僅個別完成了靈活性改造，具備一定的調峰深度，這里火電機組的綜合調峰系數按30%和35%兩種情況分別進行考慮[7-9]。

根據上述邊界條件得到的計算結果如表2所示，考慮到未來小容量火電機組關停、供熱機組靈活性改造等因素，火電機組按35%的綜合調峰深度計算，新疆電網2025年仍需要新增調峰電源容量達到6.12 GW，調峰壓力依然嚴峻。

表2 2025年冬季調峰容量需求 單位：104 kW

注：表中短橫線“-”表示不需要計算。

3.4 適合于新疆需要的儲能技術分析

“十四五”期間，新疆新能源發電裝機容量占比較大，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，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，一般來說，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于2024年建成投運，哈密抽水蓄能電站計劃于2025年以后投運，還遠不能解決新疆電網調峰電源容量缺額嚴重的現狀問題。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，可建設分散式儲能，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的不斷積累，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[10]。

根據“十四五”期間新疆電網調峰容量需求測算結果，2025年冬季需要新增調峰電源6.12 GW；考慮到電化學儲能的削峰填谷的作用，為盡可能多地接納新能源發電量，電網需要配置的電化學儲能規模為3.05 GW。

新疆新能源棄風棄光現象嚴重，“十四五”期間儲能技術應用范圍主要考慮電源側儲能，即風電場側配置儲能、光伏電站側配置儲能和共享式儲能電站，主要作用是提高電網調峰能力，平滑風電、光伏出力特性、提升風電光伏接入能力、減少棄風棄光率。在確保安全的前提下，結合項目具體情況，儲能電池選擇以鋰電池、鋰電池+鉛酸(炭)電池組合等技術方案。

4 結 語

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，經測算，仍需要建設3.05 GW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、可持續發展。