水風光能源互補形式的研究探討

劉德民，耿 博，趙永智，許唯臨

（1．東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2．四川大學，四川省成都市 610065）

0 引言

能源是人類社會加速發(fā)展必不可少的依托，而能源開發(fā)建設(shè)方式也是隨人類社會發(fā)展和科技的進步，也趨于多樣化，但現(xiàn)階段依然是以化石能源為主，特別是燃煤發(fā)電、燃油機組包括如飛機、輪船和汽車等交通運輸工具以及城市生活均以化石能源為主。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的不斷提高、對環(huán)境認識與要求的不斷提高，也在不斷探尋改變現(xiàn)狀的措施和手段，并且我們已經(jīng)加快清潔能源的開發(fā)與建設(shè)步伐。特別是習近平主席2020年9月22日在七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論時，提到中國要努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。這也意味著從2020年到2060年的四十年內(nèi)，中國的碳排放要從每年的160億t降低到幾乎不排放[1]。

根據(jù)國際能源署統(tǒng)計，2019年中國碳排放總量113億t，能源領(lǐng)域碳排放量98億t，占全國總量的87%，其中電力行業(yè)碳排放42億t，占全國總量的37%[1]。因此對于電力行業(yè)而言，減排目標任重而道遠。這其中煤電減排成為首選目標。根據(jù)中國能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年底，全國總電力裝機容量達22億kW。其中火電裝機容量達12.45億kW，剔除其中超過1.5億kW的天然氣發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和余溫余壓余氣發(fā)電，中國煤電裝機容量約為10.95億kW，占總裝機容量比重49.8%，歷史性進入50%以內(nèi)，而在未來這一比例還將繼續(xù)下降。而作為煤電主要替代發(fā)電方式之一的光伏，目前國內(nèi)光伏類公司在碳中和的加持下一片火熱，這是一個長期的趨勢，因為發(fā)展的空間是非常廣闊的。

為了實現(xiàn)此目標，在努力提高能源使用效率，以期達到節(jié)能減排的前提下，尚需加快新能源的開發(fā)與建設(shè)，光伏與風力發(fā)電將迎來一個最佳的發(fā)展時期。

截至2020年底，中國風電和太陽能發(fā)電裝機容量分別達到2.8億kW和2.5億kW，占世界裝機總量的34%和33%，且均居世界首位。清潔能源大規(guī)模開發(fā)利用進入高潮。

根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，光伏和風電的平均度電成本已經(jīng)和水電相媲美，經(jīng)濟性指標已經(jīng)具有競爭優(yōu)勢（如圖1和圖2所示），但是抑制風電和光伏的波動特性還沒有得到很好的解決。

圖1 幾種能源平均度電的成本隨時間的變化（2019年匯率）Figure 1 Changes in the production cost of several energy sources over time

圖2 幾種能源平均裝機成本隨時間的變化［國際能源署（2019年匯率）］Figure 2 Changes in the average installed cost of several energy sources over time

因此，風電和光伏將進入倍增階段。按照咨詢機構(gòu)的預測，到2030年新能源裝機容量可能會達到16億～18億kW，風電和光伏的爆發(fā)式增長已經(jīng)是確定性事件，不再存有爭議。截至2020年底，我國風電和光伏累計裝機容量為5.3億kW，這意味著從現(xiàn)在起的未來十年，新能源裝機容量將新增10.7億～12.7億kW左右。而“十三五”期間，我國風電和光伏平均每年新增裝機容量為0.72億kW左右。其次是儲能將實現(xiàn)爆發(fā)式增長。儲能被認為是解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的最主要工具，可以實現(xiàn)削峰填谷，是現(xiàn)在電力系統(tǒng)運行中迫切需要的。國網(wǎng)能源研究院預計，我國新型儲能在2030年之后會迎來快速增長，2060年裝機規(guī)模將達4.2億kW（420GW）左右。而截至2019年，我國新型儲能累積裝機規(guī)模為2.1GW。這意味著，2060年我國新型儲能裝機規(guī)模將飆升近200倍。所謂新型儲能，即為抽水蓄能之外的各類儲能總稱。

以抽水蓄能電站為代表的儲能形式還遠不能滿足我國構(gòu)建以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能源需要。截至2020年底，我國已建成抽水蓄能電站總規(guī)模3249萬kW，在建抽水蓄能電站規(guī)模5393萬kW，已建和在建規(guī)模均居世界第一。但是大部分分布在華東和華北地區(qū)，對于西北地區(qū)豐富的光伏和風電能源的調(diào)節(jié)保障遠不能滿足要求。必須盡快建成新的調(diào)峰能源，以適應(yīng)大規(guī)模的風光間歇能源上網(wǎng)[2]。

1 光伏和風力發(fā)電技術(shù)特點

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相連，可分為并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種類型。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)相連，共同承擔供電任務(wù)。當有光照時，逆變器將光伏系統(tǒng)所發(fā)的直流電逆變成正弦交流電，產(chǎn)生的交流電可以直接供給交流負載。然后將剩余電能輸入電網(wǎng)，或者直接將產(chǎn)生的全部電能并入電網(wǎng)。光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏僻山區(qū)、海島、通信基站等無電地區(qū)。常規(guī)離網(wǎng)光伏均配備一定規(guī)模蓄電池組，光伏方陣在有光照情況下將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過太陽能充放電控制器給負載供電，同時給蓄電池組充電；在無光照時，通過太陽能充放電控制器由蓄電池組給直流負載供電，同時蓄電池給獨立逆變器供電，通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流負載供電[3]。

光伏發(fā)電受地理、地形、氣候、天氣影響較大，出力具有明顯的間歇性、波動性、起伏性，功率輸出很不穩(wěn)定，電壓相對穩(wěn)定，如圖3所示。對于并網(wǎng)系統(tǒng)，如何解決光伏電站大規(guī)模開發(fā)后的消納和送出已成為制約光伏電站建設(shè)和運行的焦點問題。對于離網(wǎng)系統(tǒng)，為光伏電站配置適合容量的儲能系統(tǒng)，平滑出力波動是解決供電端與用電端電能質(zhì)量矛盾的前提條件。與目前通用的儲能系統(tǒng)相比，抽水蓄能電站是將光伏電能以大量水體的勢能儲存起來，不僅可以平抑光伏出力起伏，且能確保全天候的、平穩(wěn)的、連續(xù)的電力輸出，延長供電持續(xù)時間。

圖3 光照強度及光伏發(fā)電的出力特點Figure 3 Light intensity and output characteristics of photovoltaic power generation

同時，水力發(fā)電具有技術(shù)成熟、啟停速度快等獨特優(yōu)勢。目前，我國已在西北地區(qū)光伏資源優(yōu)勢區(qū)，在龍羊峽水電站試點了光伏與水電站聯(lián)合調(diào)度運營模式。

風力發(fā)電的間歇性和波動性比光伏發(fā)電還要劇烈，國內(nèi)某風場的風電功率波動曲線，按照日內(nèi)，旬內(nèi)以及月內(nèi)的波動變化如圖4所示。

圖4 某風場日內(nèi)、旬內(nèi)和月內(nèi)功率波動圖Figure 4 Power fluctuation diagram of a wind farm in the day，ten days and months

2 水風光互補的原則

從目前的技術(shù)特點來看，可以實現(xiàn)水風光互補的能源形式主要包括：抽水蓄能電站、蓄能工廠和已建成的具備年調(diào)節(jié)能力的水電站。抽水蓄能電站在大電網(wǎng)中具備調(diào)節(jié)能力已經(jīng)成為行業(yè)共識，但是抽水蓄能電站的建設(shè)周期較長和地理條件所限，隨著風光新能源的大規(guī)模接入僅靠抽水蓄能電站實現(xiàn)電網(wǎng)中水風光平穩(wěn)上網(wǎng)，已經(jīng)不太現(xiàn)實。因此蓄能工廠和具備年調(diào)節(jié)能力的水電站成為電網(wǎng)調(diào)節(jié)的重要補充[4]。

未來隨著風光新能源的大規(guī)模接入，各發(fā)電企業(yè)需要自己購買調(diào)峰能源解決風光波動問題，因此構(gòu)建一種風光蓄能組成的微網(wǎng)成為一種需要，國家已經(jīng)出臺相關(guān)政策鼓勵市場主體參與。參考《微電網(wǎng) 第2部分：微電網(wǎng)運行導則》（NB/T 10149—2019）[5]中的規(guī)范要求進行分布式能源規(guī)劃和微電網(wǎng)規(guī)劃。微電網(wǎng)的組成需要滿足如下原則：

（1）可再生能源配比。根據(jù)微電網(wǎng)建設(shè)目的和當?shù)乜捎玫目稍偕茉矗鶕?jù)分布式能源的經(jīng)濟性和可靠性，確定風電和光伏發(fā)電容量的類型、容量，設(shè)置合理的風電和光伏容量配比。

（2）電力電量平衡。應(yīng)確保微電網(wǎng)在各種可能的機組組合方案、機組在各運行方式下的功率平衡。

保證微電網(wǎng)在各種模式下，特別是孤島模式下的安全穩(wěn)定運行，微電網(wǎng)應(yīng)具有電壓調(diào)節(jié)能力，同時應(yīng)具有無功功率調(diào)節(jié)能力。

根據(jù)負荷預測、可再生能源發(fā)電最大利用容量進行電力電量平衡計算，并據(jù)此計算微電網(wǎng)中儲能裝置的容量。

（3）可調(diào)度資源發(fā)電配置。根據(jù)電力電量平衡結(jié)果，并在考慮可再生能源發(fā)電不確定性的基礎(chǔ)上，確定最終的可調(diào)度資源發(fā)電配置。可調(diào)度資源發(fā)電配置應(yīng)以最大化配電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟性為目標。

（4）儲能裝置。微電網(wǎng)采用儲能裝置來緩沖可再生能源以及負荷的波動性，進行負荷管理，提高微電網(wǎng)的可靠性，在孤島模式下保證電力供應(yīng)。儲能裝置可以是電化學儲能系統(tǒng)、機械儲能系統(tǒng)、電磁儲能、儲熱系統(tǒng)或其他形式。機械儲能主要分為抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能，存在的問題是對場地和設(shè)備有較高的要求，具有地域性和前期投資大的特點。化學儲能是利用化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化電能的裝置，包括電化學儲能（各類電池）和超級電容器儲能。電磁儲能主要是指超導儲能，主要問題是高的制造成本以及低的能量密度。而儲熱系統(tǒng)，儲能效率較低。

3 水風光互補的模式研究

3.1 常規(guī)水電實現(xiàn)水風光互補

國內(nèi)某水電站為金沙江上游水電規(guī)劃13個梯級電站的第10級，水電站總裝機容量1200MW，裝設(shè)4臺單機容量300MW的混流式機組。光伏電站規(guī)劃裝機為1600MW。假設(shè)其日內(nèi)最高負荷需求為2000MW，白天光照良好時，光伏滿發(fā)，光伏最大發(fā)電容量為1600M。水電配合光伏運行，水電白天發(fā)電在400～1200MW之間變化，水電晚間一直滿發(fā)1200MW。因此水電出力運行范圍為400～1200MW。根據(jù)水電和光伏的互補出力特性如圖5所示。通過水光互補，實現(xiàn)了混合能源的平穩(wěn)輸出，進而減少了電網(wǎng)的波動性能。

圖5 水光互補后的功率圖Figure 5 Power diagram of hydro and solar energy complementation

為了實現(xiàn)水光互補，要求單臺水電機組必須在全負荷范圍內(nèi)靈活運行。對4臺機組不同的組合方式和不同的出力模式進行了研究，如表1所示。

表1 水電機組和光伏出力配合運行時的功率分配Table 1 Power distribution of the h ydropower unit and solar energy complementation

3.2 蓄能工廠實現(xiàn)水風光互補

未來的水風光互補規(guī)模將無比巨大，根據(jù)預測未來十年，新能源裝機容量將新增10.7億～12.7億kW左右。如此大規(guī)模的風光新能源接入，蓄能工廠依托現(xiàn)有已建成的水電站廠房進行裝機，其建設(shè)周期短，儲能規(guī)模大，建設(shè)成本低，比新建抽水蓄能便宜1/3，其優(yōu)勢明顯。

通過微電網(wǎng)或者是局域電網(wǎng)的形式將風電和光伏電能接入電動機，帶動水泵抽水至上水庫，將風光能源以水能的形式儲存起來，電網(wǎng)需要時，通過水電機組將水放下，沖轉(zhuǎn)機組，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，這時的電能將以穩(wěn)定電能的形式接入電網(wǎng)，如圖6所示。該種儲能工廠的核心設(shè)備為大型水泵和電動機，風光新能源的頻繁波動，最終靠大型水泵和電動機去頻繁適應(yīng)，從而對大型水泵和電動機的設(shè)計制造提出了更高的要求。在此類工程案例中，大型水泵為變速泵，通過變速跟蹤負荷變化，從而實現(xiàn)入力寬范圍調(diào)節(jié)，根據(jù)光伏的波動強度甚至需要全功率調(diào)節(jié)。這對傳統(tǒng)特別關(guān)注效率的水泵行業(yè)提出了全新的考驗。

圖6 儲能工廠實現(xiàn)水風光調(diào)節(jié)Figure 6 Energy storage plant realizes hydro and wind regulation

由于儲能工廠接入電網(wǎng)的模式是通過水電的形式接入，這時電網(wǎng)對水電的接入是全功率入網(wǎng)要求，從而在這一模式下，水電機組的運行特點將從全負荷的運行中被解放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕曰傻男问浇尤腚娋W(wǎng)。這將對水電機組的運行帶來重大利好，將會大大延長機組的使用壽命。與常規(guī)水電機組參與水風光互補相比，將會極大改善水電機組的運行環(huán)境，提高機組的運行壽命，將水電機組由頻繁的負荷變化轉(zhuǎn)變?yōu)榛蛇\行。降低機組遭遇頻繁交變應(yīng)力的打擊，從而減少裂紋的風險。

儲能工廠可實現(xiàn)風、光、風光聯(lián)合、風儲聯(lián)合、光儲聯(lián)合、風光儲和儲能單獨等7種運行模式。實現(xiàn)風光互補、儲能調(diào)節(jié)、智能輸電、平穩(wěn)可控，改善新能源發(fā)電的調(diào)頻調(diào)峰調(diào)壓等輸出特性，解決了新能源發(fā)電波動帶來的電壓跌落、頻率波動，改善并網(wǎng)點電能輸出質(zhì)量[6]。

儲能工廠實現(xiàn)的作用主要包括：

（1）具有黑啟動能力。

（2）采用U/f控制模式，對微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率起支撐作用。

（3）平滑波動。風機、光伏出力波動頻繁，通過投入適量儲能裝置，可削弱風光出力“毛刺”，實現(xiàn)多時間尺度的出力平滑，保證了電源輸出的穩(wěn)定。

（4）跟蹤調(diào)度計劃出力。根據(jù)調(diào)度下達的出力計劃，選擇匹配的組態(tài)運行方式，儲能系統(tǒng)實時填補計劃值與實際值的差額，實現(xiàn)風光儲多組態(tài)聯(lián)合出力實時跟蹤計劃值，滿足調(diào)度要求實現(xiàn)了可再生能源發(fā)電的可預測、可控制、可調(diào)度。

利用儲能吸收富余的電能，可有效避免棄風、棄光，提高風機、光伏資源的可利用率。

3.3 抽水蓄能實現(xiàn)水風光互補

抽水蓄能機組對水風光互補已經(jīng)成為行業(yè)共識，根據(jù)抽水蓄能中長期規(guī)劃抽水蓄能儲備項目550余個，總裝機規(guī)模6.8億kW。抽水蓄能因其具有發(fā)電、抽水、調(diào)峰、調(diào)頻、發(fā)無功和黑啟動等功能，可以參與風電和光伏的風光蓄聯(lián)合使用，其調(diào)節(jié)方式為風電、光電和抽水蓄能均連接在大電網(wǎng)中，通過在一共用電網(wǎng)里面，匹配風光新能源，達到削峰填谷的效果，如圖7所示。抽水蓄能與風光新能源的配合已經(jīng)成為行業(yè)共識，但是抽水蓄能的缺點是建設(shè)周期較長，與現(xiàn)在風光大規(guī)模接入對調(diào)節(jié)能源的迫切需求不相匹配。

圖7 抽水蓄能實現(xiàn)水風光調(diào)節(jié)Figure 7 Pumped storage and hydro，wind，and solar energy regulation

圖8描述了巴西某電網(wǎng)[7]兩天時間內(nèi)抽水蓄能和風電出力的配合關(guān)系，根據(jù)電力負荷的需求和風電出力特性，抽水蓄能機組不停的調(diào)整工況轉(zhuǎn)換去適應(yīng)，泵的流量為正值時，機組處于抽水狀態(tài)，泵的流量為負值時，為發(fā)電狀態(tài)。

圖8 抽水蓄能和風電的互動調(diào)節(jié)（2010年9月中旬的出力特性）Figure 8 Wind generation and pump flow characteristic in the middle of September，2010

國內(nèi)已經(jīng)投運的抽水蓄能電站最近的日運行記錄已經(jīng)超過了20小時，其主要功能是頻繁的進行負荷調(diào)節(jié)，以滿足電網(wǎng)接入新能源的要求。

4 結(jié)束語

水風光互補是實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的重要實現(xiàn)方式，中國的大規(guī)模清潔能源需要充分發(fā)揮水風光互補的優(yōu)勢，將水風光互補后的清潔能源接入電網(wǎng)。但是對這一新的能源混合模式，混合樣板、其接入方式，接入準則，調(diào)節(jié)比例，調(diào)節(jié)原則，機組匹配性，電網(wǎng)耐受性等眾多問題尚不十分清楚，需要業(yè)界進行研究分析。

5 致謝

感謝在論文撰寫過程中，得到了很多行業(yè)專家的大力支持，如中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司的陳喜坤教高，中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司段宏江教高，重慶大學崔秋實教授的幫助，在此一并感謝。