“雙碳”目標下基于抽水蓄能的多能互補發電系統設計與研究

鹿 優，楊 帆

（1．國家電網有限公司技術學院分公司，山東省泰安市 271000；2．山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東省泰安市 271000）

0 引言

中國在聯合國大會上莊嚴承諾“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”。“雙碳”[1]目標既彰顯了推動構建人類命運共同體的責任擔當，也體現了實現可持續發展的內在要求。“雙碳”目標是加快生態文明建設和實現高質量發展的重要抓手，“十四五”時期是碳達峰的窗口期和關鍵期，提高清潔能源[2]占比，降低化石能源消耗，是減少碳排放的關鍵，要構建以“綠色低碳、安全可靠、廣泛互聯、高效互動、智能開放”為特征的新型電力系統[3]，建設一批多能互補[4]的清潔能源基地，進一步提升電力系統對清潔能源的消納能力，持續壓減電力系統的二氧化碳排放量。

1 設計思路分析

1.1 形勢與問題分析

“雙碳”目標下，清潔能源發電將堅持分布式和集中式并舉，加快發展東中部分布式能源[5]，著力提升風電、光伏發電規模。清潔能源發電裝機規模在2025年、2030年、2035年預計將分別達到10.3億、16.5億、24.5億kW，發電量占比將升至18%、22%、31%，逐漸成為電力供應主體。清潔能源發電的跨越式增長也為電力系統安全可靠運行帶來巨大挑戰。風電、光伏發電的出力具有反調峰[6]特性，大規模并網使系統調峰調頻調壓矛盾突出，電網調控的難度明顯增大。清潔能源發電出力的不確定性、波動性、間歇性和隨機性將影響負荷高峰期電力供應，電力系統調峰需求與日俱增。抽水蓄能電站[7]作為電力系統中的一種特殊電源，在電網中承擔頂峰填谷、調頻調相、黑啟動、事故備用等任務，具有可靠性強、容量大、啟停速度快、無污染等特點，應充分發揮抽水蓄能電站的調節作用，與清潔能源發電共同形成穩定的輸出，實現多能互補，提升清潔能源發電的經濟性和綜合效益。

1.2 研究現狀和總體思路

關于多能互補的研究，文獻[8]闡述了清潔能源的發展、特點以及多種能源互補技術的工作原理，并提出這種能源利用方式的控制策略及應用前景。文獻[9]基于對多種清潔能源的應用發展現況調研以及現有抽水蓄能電站理念，提出了一個多能互補發電體系的理念，并對該系統做出了評價，討論了可靠性。文獻[10]提出了風電、光伏發電與抽水蓄能電站聯合運行的基本結構，探討了一個小型試點項目的選址規劃、建設規模，模擬了聯合運行的模式，論證了該模式的可行性和推廣價值。由此可見，目前對于風電、光伏和抽水蓄能的聯合運行已有一定的研究，但沒有契合清潔能源的發展趨勢和需求做出進一步探討，缺乏對多能互補發電系統工作模式數據化、圖形化的分析研判。本文將結合能源發展的新形勢和新要求，提出一種基于抽水蓄能的多能互補發電系統，并將系統輸出設為恒定，且具備一定調節能力，以降低清潔能源并網對電力系統的影響和電網調控運行的難度，明確系統輸出的數學模型，以案例推演系統運行數據，以圖形分析系統工作模式，驗證設計的可行性，為“雙碳”目標下清潔能源的大規模開發利用提供導向。

2 多能互補發電系統結構與作用分析

2.1 系統構架及運行方式

多能互補發電系統結構如圖1所示，由風力電站、光伏電站、控制器、儲能電站[11]、抽水蓄能電站按照一定聯接方式構成，在清潔能源發電體系中引入抽水蓄能電站，旨在發揮其頂峰填谷作用，平抑清潔能源發電出力，將原本間歇、波動的風電、光伏電源通過抽水蓄能轉化為可調、可控的穩定電源，實現系統能夠根據負荷需求，向電網的輸出功率保持恒定。多能互補發電系統運行方式為：該系統中的風力電站、光伏電站分別將風能、太陽能轉化為電能，控制器將清潔能源發電合計為聯合出力并進行評估，如果聯合出力小于系統輸出功率，啟動抽水蓄能電站發電機組補足系統輸出功率；如果聯合出力大于系統輸出功率，在儲能電站的配合下，將多余的出力作為抽水蓄能電站抽水機組的入力，將電能轉化為水的勢能加以儲存。此外，本系統中的抽水蓄能電站還可以作為電網調控的重要資源，直接按照上級調度中心指令，參與電網調節，所以抽水機組的入力既可以由清潔能源發電提供，也可以由負荷低谷期的電網輸入。

圖1 多能互補發電系統結構Figure 1 Multi-energy complementary power generation system structure

2.2 系統優勢分析

該系統消納風能、太陽能，轉化為電能，儲存為電化學能和水的勢能，整體向電網輸送穩定電能，實現多能互補，將顯著增強電力系統對清潔能源的消納能力，一定程度上降低棄風棄光率[12]。風電、光伏發電可作為抽水蓄能電站黑啟動或廠用電備用電源，電化學儲能能夠極大縮短抽水蓄能的工況轉換時間，大幅提升響應速度，所以該系統具有較高可靠性、靈敏度以及較強的綜合調節能力，能夠提高并網和供電的可靠性。此外，抽水蓄能和通過逆變器的電化學儲能均能夠獨立輸出無功，滿足電網的電壓與功率補償需求。

2.3 系統輸出功率約束條件

根據上述多能互補發電方式可知，控制器聯接著該系統中的發電組件和儲能組件，處于系統的核心位置，決定了系統整體的輸出，系統的輸出功率應符合以下約束條件：

式中：Pout——多能互補系統整體輸出功率；

Pwind——風力發電輸出功率；

Ppv——光伏發電輸出功率；

Phydro——抽水蓄能機組發電輸出功率；

Ppump——抽水蓄能機組抽水輸入功率；

Pstore——儲能電池充電輸入功率。

系統輸出功率約束條件以表達式的形式概括了多能互補發電系統運行方式，從式（1）中可知，系統輸出功率來源于風光聯合出力以及抽水蓄能發電機組出力，多余部分用于抽水蓄能以及電池儲能，值得注意的是，實際運行過程中抽水蓄能機組發電與抽水通常不會同時進行，所以要研判多能互補發電系統工作模式，需要通過具體實例進行推演。

3 多能互補發電系統運行模擬研究

3.1 試點系統搭建

根據多能互補發電系統構架，搭建試點系統。設定該試點系統中風力電站裝機容量為100MW，光伏電站裝機容量為50MW，由于系統中抽水蓄能電站和儲能電站主要發揮調節作用，所以出于經濟性的考慮，抽水蓄能電站和儲能電站總體容量應介于風電、光伏發電兩者容量的最大值和最小值之間。如果抽水蓄能電站裝機容量為60MW，采用4臺15MW可逆式水泵水輪機[13]，且單臺運行在水泵工況下最大輸入功率約為15MW。如果儲能電站蓄電池容量為30MW/120MWh，設定根據負荷需求，多能互補發電系統需向電網穩定供電，輸出功率恒定為60MW。

3.2 系統工作模式推演

多能互補發電系統的工作模式主要可分為4種，運行數據如表1所示。系統處于模式1時，風電、光伏發電的聯合出力小于60MW，不足以支撐系統整體輸出功率，為維持60MW的穩定輸出，抽水蓄能機組工作于水輪機工況，根據風光聯合出力情況，循序啟動4臺機組發電，利用發電調節，補充輸出功率缺口。系統處于模式2時，風電、光伏發電的聯合出力滿足系統輸出功率，但無法達到抽水蓄能機組水泵工況下單臺抽水額定功率，則在保證系統穩定輸出60MW的同時，剩余電能向儲能電池充電。系統處于模式3時，風電、光伏發電的聯合出力較高，滿足系統輸出功率，且達到水泵工況下機組抽水額定功率，根據風光聯合出力情況，在儲能電池的配合下，循序啟動4臺機組抽水，將剩余電能大部分轉化為水的勢能，少部分向儲能電池充電。系統處于模式4時，風電、光伏發電的聯合出力持續升高，甚至接近滿發功率，滿足系統輸出功率，滿足4臺機組抽水額定功率，4臺機組全部工作在水泵工況下，將多余電能轉化為水的勢能，剩余電能向儲能電池充電。通過上述針對多能互補發電系統工作模式的推演，可見系統能夠實現輸出恒定功率，增強向電網供電的可靠性。

表1 多能互補系統工作模式Table 1 Multi-energy complementary system working mode

3.3 系統運行過程分析

由于風力、光照強度與地理條件有關，且隨時間、天氣、季節符合一定變化規律，所以分析系統運行過程要結合實際地域環境。設定搭建的多能互補發電試點系統位于我國西北地區，該地區風能、太陽能儲量較為豐富。以24h為研究周期，選取典型的一天，采集多能互補發電試點系統中風電、光伏發電的輸出功率并繪制曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，該地區當日夜間風力較大，風電輸出功率滿足系統輸出后會有剩余，黎明以后風力明顯減弱，至午后有所回升，持續時間不長，傍晚漸弱，入夜后風力持續增強并保持較高輸出功率。光伏發電輸出功率由日照強度決定，在日照充足的白天幾乎呈現正態分布，夜間無輸出。對比以上特點可知，風電、光伏發電在時間上存在較大互補性，一定程度上保障了多能互補發電系統的輸出不間斷，然而在圖2中也可看出，風光聯合出力不穩定，存在較大波動，直接并網將對系統產生較大沖擊，增加電網調控難度。

圖2 風電、光伏發電24h典型變化及風光聯合輸出功率曲線Figure 2 Typical variation and combined output power curve of wind power and pv power in 24 hours

經抽水蓄能電站調節后，多能互補發電系統24h功率變化曲線如圖3所示。按照時間順序分析系統運行過程，該日1時段至6時段，系統工作于模式3，風光聯合出力較高，系統輸出后剩余功率用于抽水蓄能和儲能充電，其中在1時段、4時段、6時段啟動1臺機組抽水，在2時段、3時段、5時段啟動2臺機組抽水；該日7時段，系統工作于模式2，風光聯合出力滿足系統輸出后，剩余功率無法啟動抽水，但可以儲能充電；該日8時段至11時段，系統工作于模式1，風光聯合出力不足以支撐系統輸出，啟動蓄能機組發電，補足功率缺口，其中，在8時段、11時段啟動1臺機組發電，在9時段、10時段啟動2臺機組發電；該日12時段至13時段，系統工作于模式2，光伏出力達到24小時內的峰值，風電出力較低，風光聯合出力雖能滿足系統輸出，但剩余功率僅供儲能充電；該日14時段至15時段，系統工作于模式3，光伏出力呈下降趨勢，風電有所回升，風光聯合出力滿足系統輸出和抽水的條件，啟動1臺機組抽水；該日16時段至21時段，系統工作于模式1，風光聯合出力出現低谷，系統為保證輸出啟動蓄能機組發電，其中在17時段至19時段需要3臺機組發電；該日22時段至24時段，系統工作于模式3，隨著夜間風力加強，風電出力顯著升高，系統輸出后可在儲能電站配合下啟動1臺機組抽水蓄能。

圖3 多能互補發電系統24h功率變化曲線Figure 3 24-hour power variation curve of multi-energy complementary power generation system

根據上述分析和圖中功率變化曲線可知，多能互補發電系統中，風光聯合出力通過抽水蓄能電站，在儲能電站配合下進行內部調節，在24h的周期內“兩發兩抽”，平抑了風光聯合出力的波動，根據符合需求，保持了恒定的輸出功率，向電網穩定供電。該系統的構建為清潔能源發電的大規模并網提供了導向。

4 多能互補發電系統效益及構建途徑分析

4.1 生態文明建設效益分析

清潔能源發電將是未來電力供應的主體，風能、太陽能均為可再生的自然資源，且儲量豐富，多能互補發電系統利用清潔能源發電能夠有效降低溫室氣體以及污染物排放，既符合新型電力系統清潔低碳的特征，也符合生態文明建設要求，構建了一條綠色的能源供應鏈條，環保效益優良。系統無須外部電源接入，在向電網穩定輸出的同時也能滿足自身用電需求，實現二氧化碳零排放。由于系統出力穩定，可在大電網中代替部分火電出力，以降低電力系統整體的碳排放，能夠作為一種非化石能源發電方式，在逐步代替化石能源發電的進程中發揮示范作用，積極助力“雙碳”目標的實現。

4.2 構建途徑及電網穩定運行效益分析

為持續提升清潔能源開發規模和利用效率，新型電力系統將呈現出小微型智能電力系統與特大型電力系統并列發展態勢。根據能源分布狀況，清潔能源在西部、北部持續集約化開發的同時，還將加快東中部分布式開發，其中，風電的海上開發陸續展開，太陽能的發電規模將逐步超過風電，抽水蓄能也在中長期發展規劃中提出要因地制宜開展中小蓄能建設。綜合上述發展趨勢，建設一批多能互補的清潔能源基地符合國民經濟和社會發展需要，符合“雙碳”目標要求，可通過兩種途徑構建，一是在現有資源基礎上升級改造；二是按照發展規劃新建、試點和定型。

第一，在現有資源基礎上升級改造。第一種情況，為現有抽水蓄能電站配置風光儲等組件。抽水蓄能電站通常選址于海拔差距明顯且場地資源充足的地區，為風光資源接入提供良好條件，可在海拔較高的上水庫周邊部署風力發電系統，利用山體向陽面的采光優勢部署光伏發電系統，在廠區周邊部署儲能電站和控制器，完成線纜敷設和控制系統升級。對于大型抽水蓄能電站，清潔能源發電可作為其水泵工況下的抽水入力，無須從電網購電抽水，清潔能源接入可以提升抽水蓄能工況轉換響應速度，綜合性能將有較大提升。第二種情況，為現有大型風電、光伏發電基地配置抽水蓄能電站和儲能電站。大型清潔能源發電基地主要位于西北和東北各省，本地負荷較低，屬于特高壓送端[14]區域，在其周圍選址建設抽水蓄能電站與儲能電站，與當地清潔能源發電聯合運行構成多能互補發電系統，可有效減輕清潔能源發電并網對電網的沖擊，提高并網率和電網穩定性。

第二，新建分布式多能互補發電系統。沿海地區、近海島嶼的風光等清潔資源豐富，亟待開發，且距離負荷中心較近，可建設中小型多能互補發電系統，由若干小微型多能互補發電系統形成清潔能源發電群落，既能夠就近滿足本地負荷需求，也可以緩解負荷中心用電需求，通過有功調節和無功補償，增強電網靜態和暫態穩定性，保證電壓和頻率穩定，保障負荷側電網安全。

5 結束語

“雙碳”目標下，清潔能源將迎來跨越式發展，本文設計了多能互補發電系統的構架，推演了系統工作模式，分析了系統運行過程，論證了該系統能夠發揮抽水蓄能的調節能力，在電化學儲能的配合下，平抑風電、光伏出力的波動，穩定系統的輸出，為構建以可再生能源為主體的能源供應體系提供導向和支撐。此外，可考慮兩種極限狀態，一是風光出力高，既滿足系統對外輸出，又滿足機組抽水條件，且上水庫已蓄滿，儲能電池已浮充，面臨棄風棄光；二是風光出力低，蓄能機組發電補充系統輸出，上水庫水量不足，儲能電池也不足以支持系統輸出功率，將無法并網。如何配置多能互補發電系統各部分容量，保證系統穩定運行和經濟效益最優，將作為下一步的研究方向。