基于風(fēng)光火儲(chǔ)的多能互補(bǔ)新能源基地規(guī)劃分析

李 凱，康世崴，閆 方，王 淼，李文波

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

全球一次能源資源主要有煤炭、石油、天然氣等化石能源和水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源。全球化石能源資源雖然儲(chǔ)量大，但隨著工業(yè)革命以來(lái)數(shù)百年的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，正面臨資源枯竭、環(huán)境污染、氣候變化等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

《巴黎協(xié)定》已于2016 年11 月4 日正式生效，我國(guó)政府承諾到2020 年非化石能源占比為15%，2030 年占比為20%，加快清潔能源的開(kāi)發(fā)利用和化石能源的清潔利用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

以風(fēng)能和太陽(yáng)能為主的可再生能源，是綠色、低碳且取之不盡、用之不竭的清潔能源。全球可再生能源開(kāi)發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，應(yīng)用成本快速下降，發(fā)展可再生能源已成為許多國(guó)家推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。

截至2019 年底，我國(guó)風(fēng)電、光伏并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模分別達(dá)到210.05 GW、204.68 GW，分別占全口徑發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的10.45%、10.18%，并保持良好的發(fā)展勢(shì)頭［1］。然而風(fēng)電、光伏等新能源出力的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于風(fēng)光資源分布與電力市場(chǎng)空間逆向分布的特性突出、風(fēng)光出力的不可控性、系統(tǒng)調(diào)峰容量不足等原因，導(dǎo)致新能源棄電現(xiàn)象嚴(yán)重。

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)新能源發(fā)展目標(biāo)，仍需堅(jiān)持走“發(fā)展大基地，依托大電網(wǎng)，融入大市場(chǎng)”的道路。同時(shí)，在進(jìn)行大規(guī)模新能源外送基地規(guī)劃建設(shè)時(shí)，必須依托多能互補(bǔ)技術(shù)，提高新能源基地與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)友好性［2］，解決好新能源棄電問(wèn)題，確保新能源“送得出、落得下、用得上”，實(shí)現(xiàn)新能源的高效利用。

以規(guī)劃的赤峰大規(guī)模新能源外送示范基地為例，圍繞“低電價(jià)上網(wǎng)、先進(jìn)技術(shù)、智慧風(fēng)場(chǎng)、生態(tài)能源”四個(gè)示范，綜合考慮風(fēng)電、光伏、存量火電及抽水蓄能電站運(yùn)行特性，在不增加受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力的前提下，研究風(fēng)光火儲(chǔ)等電源配比方案，規(guī)劃建設(shè)多能互補(bǔ)新能源基地［3-4］。

1 多能互補(bǔ)基地規(guī)劃思路

推進(jìn)多能集成優(yōu)化互補(bǔ)、發(fā)展綜合智慧能源是我國(guó)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型的必然要求，也是提高能源系統(tǒng)效率的有效手段［5］。本文中，綜合考慮赤峰地區(qū)新能源基地可用能源種類(lèi)，采用風(fēng)、光、火打捆外送方式，必要時(shí)配備一定容量的儲(chǔ)能，基于多種能源各自的資源特性及發(fā)電特性，通過(guò)多能互補(bǔ)、協(xié)調(diào)控制綜合優(yōu)化新能源基地電力外送出力曲線。

考慮風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、可調(diào)度性低等特點(diǎn)，同時(shí)鑒于赤峰地區(qū)無(wú)建設(shè)大規(guī)模水電的條件，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有火電進(jìn)行深度調(diào)峰改造，增強(qiáng)火電機(jī)組調(diào)峰能力，最大程度保證資源潛力大但發(fā)電量不穩(wěn)定的風(fēng)光等清潔能源的消納。

1.1 風(fēng)光出力特性分析

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)風(fēng)光資源最豐富的省區(qū)之一。赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，風(fēng)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約50 GW，年平均風(fēng)速均在6.0 m／s 以上，部分區(qū)域年平均風(fēng)速在8.0 m／s 以上，年利用小時(shí)數(shù)2 600～3 300 h。光照年輻射值1 400～1 750 kWh／m2，年日照小時(shí)數(shù)2 700～3 200 h。

我院中心藥房麻精藥品智能化管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用…………………………………………………… 沈國(guó)榮等（9）：1158

根據(jù)赤峰地區(qū)在運(yùn)風(fēng)光電站運(yùn)行數(shù)據(jù)及氣象站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，典型日風(fēng)光出力特性曲線如圖1—圖3 所示。

1.2 存量火電調(diào)峰能力分析

為加快能源技術(shù)創(chuàng)新，挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力，早在2016 年6 月，我國(guó)已正式啟動(dòng)火電靈活性改造示范試點(diǎn)工作。通過(guò)靈活性改造，一是增加機(jī)組運(yùn)行靈活性，即要求機(jī)組具有更快的變負(fù)荷速率、更高的負(fù)荷調(diào)節(jié)精度及更好的一次調(diào)頻性能；二是增加鍋爐燃料的靈活性，即機(jī)組在摻燒不同品質(zhì)的燃料下，確保鍋爐的穩(wěn)定燃燒以及機(jī)組在摻燒工況下仍有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能。

圖1 大風(fēng)月典型日風(fēng)電出力特性（2 MW 風(fēng)電機(jī)組）

圖2 小風(fēng)月典型日風(fēng)電出力特性（2 MW 風(fēng)電機(jī)組）

圖3 光伏全年平均日出力特性（100 MW 裝機(jī)規(guī)模）

深度調(diào)峰的概念不僅包括機(jī)組可以做到穩(wěn)定的低負(fù)荷運(yùn)行，其外延是火電機(jī)組的靈活性運(yùn)行。目前，靈活性改造的主要技術(shù)方案有儲(chǔ)熱水罐方案、電鍋爐方案及高參數(shù)蒸汽抽汽供熱方案等，通過(guò)靈活性改造，調(diào)峰深度可達(dá)60%。

2 多能互補(bǔ)基地仿真分析

2.1 仿真方案擬定

根據(jù)赤峰地區(qū)風(fēng)光資源稟賦分析、當(dāng)?shù)卮媪炕痣娚疃日{(diào)峰改造研究，考慮赤峰地區(qū)冬夏兩季風(fēng)能資源差距較大，本次研究按照大風(fēng)月和小風(fēng)月分別考慮，從輸送通道容量、風(fēng)電規(guī)模、光伏規(guī)模、火電規(guī)模、儲(chǔ)能規(guī)模等幾個(gè)方面對(duì)赤峰新能源外送示范基地提出如表1 和表2 所示的幾種多能互補(bǔ)方案。

大風(fēng)月：考慮新能源出力較高，通道最大輸送電力按8 GW 考慮；小風(fēng)月：通道最大輸送電力分別按6 GW、5 GW、4.5 GW 進(jìn)行方案擬定。

表1 大風(fēng)月多能互補(bǔ)配置方案 GW

表2 小風(fēng)月多能互補(bǔ)配置方案 GW

2.2 仿真計(jì)算分析

通過(guò)電力運(yùn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析各方案的運(yùn)行指標(biāo)［6］。

圖4 大風(fēng)月多能互補(bǔ)模擬運(yùn)行情況

計(jì)算邊界條件：1）受端負(fù)荷曲線選用京津唐地區(qū)典型日曲線；2）風(fēng)光出力曲線選用典型月平均日出力曲線；3）存量火電調(diào)峰深度按60%考慮；4）以赤峰基地大風(fēng)月、小風(fēng)月數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)仿真分析。

根據(jù)上述仿真計(jì)算結(jié)果，得出各方案主要技術(shù)指標(biāo)如表3—表4所示。

表3 大風(fēng)月多能互補(bǔ)仿真結(jié)果

表4 小風(fēng)月多能互補(bǔ)仿真結(jié)果

圖5 小風(fēng)月多能互補(bǔ)模擬運(yùn)行情況

雖然目前無(wú)論是物理儲(chǔ)能還是電化學(xué)儲(chǔ)能，由于技術(shù)成本相對(duì)較高，且國(guó)家尚未對(duì)新能源基地配套儲(chǔ)能發(fā)電制定專(zhuān)門(mén)的電價(jià)政策，往往無(wú)法滿足項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性要求，但隨著能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的推進(jìn)、各類(lèi)電源互補(bǔ)協(xié)調(diào)能力的提高、先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用，開(kāi)展“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”電源基地建設(shè)成為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要保障。

2.3 存量火電深度調(diào)峰改造可行性分析

根據(jù)上述仿真計(jì)算分析，在赤峰地區(qū)存量火電調(diào)峰深度達(dá)60%時(shí)，可使多能互補(bǔ)基地綜合出力曲線與受端負(fù)荷曲線友好匹配，此時(shí)火電機(jī)組典型日負(fù)荷率如圖6—圖7所示。

圖6 大風(fēng)月火電機(jī)組典型日負(fù)荷率

圖7 小風(fēng)月火電機(jī)組典型日負(fù)荷率

為滿足新能源多能互補(bǔ)基地需求，擬選取赤峰地區(qū)4 個(gè)存量火電作為配套調(diào)峰電源，其目前實(shí)際運(yùn)行情況（調(diào)峰深度40%）與多能互補(bǔ)預(yù)測(cè)需求對(duì)比如表5 所示。

表5 機(jī)組運(yùn)行情況對(duì)比 MW

表5 可以看出，在冬季供暖期間，配套火電機(jī)組出力偏高，若不進(jìn)行深度調(diào)峰改造將導(dǎo)致新能源棄電率增大。若通過(guò)靈活性改造，使配套火電機(jī)組調(diào)峰深度達(dá)到60%，則可額外提供約450 MW 的調(diào)峰能力，滿足多能互補(bǔ)調(diào)峰需求。

綜合比較分析，赤峰新能源基地建設(shè)風(fēng)電9 GW、光伏1 GW，并匹配存量火電2.1 GW、0.8 GW 抽水蓄能（儲(chǔ)能），發(fā)揮多能互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，滿足大風(fēng)月和小風(fēng)月的綜合發(fā)電曲線與受端負(fù)荷曲線高度吻合的要求，不增加受端系統(tǒng)調(diào)峰壓力，同時(shí)可將新能源棄電率控制在5%以?xún)?nèi)。

3 輸電方式及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 輸電方式

目前，大規(guī)模風(fēng)電外送主要采用兩種輸電方式：風(fēng)電獨(dú)立外送和風(fēng)火打捆外送。本次規(guī)劃的赤峰新能源多能互補(bǔ)基地，依托先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和多能互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光火儲(chǔ)多種能源綜合出力曲線平穩(wěn)，與電網(wǎng)、負(fù)荷協(xié)調(diào)友好的創(chuàng)新型發(fā)電模式。

考慮內(nèi)蒙古地區(qū)緊鄰京津冀負(fù)荷中心的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)，可考慮將優(yōu)質(zhì)的清潔能源輸送至京津冀地區(qū)，助力京津冀大氣污染治理。結(jié)合我國(guó)特高壓網(wǎng)架規(guī)劃，赤峰新能源多能互補(bǔ)基地可接入規(guī)劃的赤峰特高壓站，通過(guò)特高壓交流網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)清潔能源輸出。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)赤峰新能源多能互補(bǔ)基地整體規(guī)劃，擬建設(shè)9 GW 風(fēng)電和1 GW 光伏?？紤]產(chǎn)業(yè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，針對(duì)單位投資及利用小時(shí)數(shù)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算，新能源多能互補(bǔ)基地上網(wǎng)電價(jià)如表6 所示。

考慮通過(guò)多能互補(bǔ)減少新能源棄電率，提高利用小時(shí)數(shù)，可將上網(wǎng)電價(jià)控制在0.36 元／kWh 以?xún)?nèi)，與通過(guò) “點(diǎn)對(duì)網(wǎng)” 方式向北京送電的托克托電廠0.317 元／kWh 的上網(wǎng)電價(jià)相比，多能互補(bǔ)基地新能源上網(wǎng)電價(jià)僅高出不到0.043 元／kWh，遠(yuǎn)低于內(nèi)蒙古和北京地區(qū)新能源上網(wǎng)補(bǔ)貼。而且隨著技術(shù)進(jìn)步，上網(wǎng)電價(jià)可低至0.28 元／kWh 左右，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

表6 上網(wǎng)電價(jià)變化范圍

4 結(jié)語(yǔ)

清潔能源代表未來(lái)能源發(fā)展的方向，是減排溫室氣體和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施。大力開(kāi)發(fā)利用清潔能源，有利于節(jié)能減排、提高非化石能源比重以及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

赤峰新能源多能互補(bǔ)基地具有豐富的資源條件和獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，多能互補(bǔ)基地建成后，每年可向京津冀地區(qū)提供清潔電量363 億kWh，且保證新能源棄電率在5%以?xún)?nèi)，為后續(xù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用提供參考借鑒。