程 瑜，邵振州，張金波，高培鑫，劉樹昌，魏忠平

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036；3.華能甘肅能源開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

我國(guó)以煤為主的能源資源稟賦,以及煤電區(qū)別于新能源的電力支撐和保障供應(yīng)安全的作用，決定了煤電在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將是我國(guó)主要電力來源[1]。中東部地區(qū)大氣污染防控壓力不斷增大，對(duì)外來電力增供提出了迫切要求，而煤炭產(chǎn)能逐漸向煤炭基地集中，煤電發(fā)展方向和布局將趨向更加集約、高效、清潔、有序的基地化建設(shè)。同時(shí)，我國(guó)清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快推進(jìn)清潔低碳、安全高效能源體系建設(shè)的重要組成部分[2-5]。

國(guó)家發(fā)改委和能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》提出要利用大型綜合能源基地風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行[6]。從國(guó)家導(dǎo)向來看，首批多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目的目標(biāo)是轉(zhuǎn)變能源生產(chǎn)理念，提高能源利用效率，提升新能源電力品質(zhì)，提高電力輸出功率穩(wěn)定性，提升電力系統(tǒng)消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的能力和綜合效益，探索可推廣的商業(yè)模式[7-15]。因此，關(guān)于規(guī)劃和建設(shè)大型風(fēng)光火儲(chǔ)一體化綜合能源基地的研究在現(xiàn)階段具有重要示范意義。

吳克河等[16]考慮風(fēng)光互補(bǔ)性和能源利用率等因素，提出了一種基于額定容量的發(fā)電單元容量?jī)?yōu)化配置方法，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電項(xiàng)目的規(guī)劃有較好的借鑒意義。李海平等[17]利用Matlab/Simulink搭建了風(fēng)光儲(chǔ)混合微電網(wǎng)三相交流系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下進(jìn)行了較全面的仿真分析。齊志遠(yuǎn)等[18]提出了一種系統(tǒng)優(yōu)化配置的設(shè)計(jì)方法，提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率、降低建設(shè)成本和增強(qiáng)供電可靠性。魏繁榮等[19]建立了精確的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷效率-功率特性模型，提出了一種考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷效率的風(fēng)/光/柴/蓄微網(wǎng)能量控制優(yōu)化策略。葉林等[20]通過對(duì)風(fēng)電、光伏、水電及其互補(bǔ)運(yùn)行的發(fā)電功率特性進(jìn)行定量評(píng)估，建立了評(píng)價(jià)風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電運(yùn)行方式的指標(biāo)體系和框架。HOZOURI等[21]為解決可再生能源大規(guī)模限電問題，提出引入抽水蓄能來平抑風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性，并建議采用后驗(yàn)多目標(biāo)優(yōu)化方法提升電力系統(tǒng)的魯棒性，從而可容納更高比例的可再生能源。

從現(xiàn)有研究情況看，針對(duì)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，研究人員就互補(bǔ)形式優(yōu)化、發(fā)電效率提升等問題開展了較深入的探索，然而研究主要集中于較小的微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，且主要為理論研究。筆者通過深入研究，提出了千萬千瓦級(jí)風(fēng)光火儲(chǔ)一體化綜合能源基地的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，引入了風(fēng)光同場(chǎng)發(fā)電、火電與儲(chǔ)能共同實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)峰，從而有效提高新能源發(fā)電效率和直流送出率，最終將其應(yīng)用于華能千萬千瓦綜合能源基地的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

1 隴東風(fēng)光火儲(chǔ)綜合能源基地概況

1.1 資源分布

隴東能源基地是國(guó)家五大綜合能源基地之一，位于甘肅省慶陽(yáng)市，是我國(guó)煤炭、石油和新能源資源較富集的區(qū)域。該地區(qū)石油資源總量48億t，天然氣資源總量2萬億m3，煤炭預(yù)測(cè)儲(chǔ)量2 360億t。風(fēng)能資源理論儲(chǔ)量1 000萬kW以上，年平均風(fēng)速在5.2～7.4 m/s，代表年太陽(yáng)總輻射量在1 611.3～1 675.5 kWh/m2。從資源儲(chǔ)備看，該地區(qū)適合大規(guī)模風(fēng)光火儲(chǔ)聯(lián)合開發(fā)。

1.2 規(guī)劃概況

慶陽(yáng)市本地用電負(fù)荷有限，消納能力不足，需規(guī)劃建設(shè)特高壓外送通道，提高電力外送能力。為促進(jìn)隴東能源基地電源的開發(fā)，滿足山東用電負(fù)荷增長(zhǎng)需求，國(guó)家電網(wǎng)有限公司規(guī)劃建設(shè)了隴東至山東±800 kV特高壓直流輸電工程。該工程送電容量8 000 MW，線路全長(zhǎng)914 km。根據(jù)甘肅省電力公司相關(guān)研究，配套火電規(guī)模為6 000 MW。當(dāng)前火電年利用小時(shí)數(shù)在4 000～5 000 h，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)分別在2 000和1 200 h左右。考慮甘肅全網(wǎng)的綜合棄電率和直流送出新能源電量占比，配套的新能源裝機(jī)為9 000 MW。

隴東綜合能源基地由華能甘肅公司主導(dǎo)開發(fā)。基地以隴東特高壓送出通道為依托，以千萬噸級(jí)煤礦為基礎(chǔ)，以隴東特高壓配套600萬kW新能源和400萬kW清潔煤電為核心，旨在將其打造成現(xiàn)代能源綜合基地的示范，為國(guó)家高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃建設(shè)綜合能源基地提供可復(fù)制的重要經(jīng)驗(yàn)。

2 風(fēng)光火儲(chǔ)一體化綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃配置方案

2.1 風(fēng)力發(fā)電

2.1.1 風(fēng)資源條件

2019年，華能在慶陽(yáng)地區(qū)累計(jì)安裝28座測(cè)風(fēng)塔。隴東基地100 m風(fēng)能資原分布如圖1所示，規(guī)劃區(qū)域100 m高、年平均風(fēng)速在5.2～7.4 m/s、年平均風(fēng)功率密度在109.0～356.3 W/m2。風(fēng)能資源較好的區(qū)域位于環(huán)縣西部和北部、華池縣東部區(qū)域，其他區(qū)域風(fēng)能資源相對(duì)略差。參照GB/T 18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》，規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)功率密度等級(jí)在1～2級(jí)。

圖1 隴東基地100 m風(fēng)能資源分布Fig.1 Distribution of wind resource atthe height of 100 m in Longdong base

2.1.2 電氣設(shè)計(jì)

隴東風(fēng)電基地分為6個(gè)地塊，采用330 kV-35 kV一級(jí)升壓，每個(gè)地塊新建2座330 kV升壓站，35 kV集電線路升壓后匯入330 kV母線。以每個(gè)330 kV匯集站/升壓站為單位，按配置12套風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)考慮，12套子系統(tǒng)信息統(tǒng)一上傳至集控監(jiān)測(cè)中心。

每套監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，電網(wǎng)調(diào)度也可在遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行遙測(cè)和遙信。每一個(gè)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集中監(jiān)控對(duì)象包括對(duì)應(yīng)330 kV升壓站接入的全部風(fēng)機(jī)。

2.1.3 風(fēng)電機(jī)組選型

由于實(shí)際建設(shè)用地條件有限，為減少風(fēng)機(jī)數(shù)量，節(jié)約占地，選用3.0 MW及以上單機(jī)容量較大的風(fēng)機(jī)，葉片長(zhǎng)度在156 m及以上，輪轂高度按100 m考慮。通過綜合優(yōu)化和方案比較，隴東綜合能源基地風(fēng)電場(chǎng)擬安裝約1 300臺(tái)大容量風(fēng)電機(jī)組。

2.2 光伏發(fā)電

2.2.1 光資源條件

隴東綜合能源基地光伏電站分散于規(guī)劃的風(fēng)電場(chǎng)中，與規(guī)劃的風(fēng)電場(chǎng)同場(chǎng)，位于環(huán)縣北部、西部一帶。規(guī)劃的光伏電站從北部甜水鎮(zhèn)至南部毛井鄉(xiāng)，距離較遠(yuǎn)，太陽(yáng)總輻射量也有差別，總體呈偏北偏西相對(duì)略高，中部和南部相對(duì)較低，對(duì)南北2個(gè)點(diǎn)多年平均太陽(yáng)總輻射量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)北部資源較好的地區(qū)多年平均太陽(yáng)總輻射量為5 738.4 MJ/m2，南部資源相對(duì)較低的區(qū)域多年平均太陽(yáng)總輻射量為5 590.8 MJ/m2，總體相差不大。參照GB/T 31155—2014《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》，依據(jù)太陽(yáng)能資源豐富程度評(píng)估指標(biāo)，隴東綜合能源基地的太陽(yáng)能資源屬“很豐富”。

2.2.2 組件選型與布置

目前，72P(P型電池)單晶硅組件選擇使用峰值功率400 W主機(jī)以上容量的光伏組件較多(地面電站)，市場(chǎng)主流產(chǎn)品為400～445 W板型，其產(chǎn)品的互換性及一致性更加符合項(xiàng)目的遠(yuǎn)期利益及要求。考慮到技術(shù)先進(jìn)、平價(jià)上網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)，擬采用P型單晶PERC雙面組件，選擇單塊容量為峰值功率445 W以上的單晶高效雙面半片式光伏組件。

隴東基地光伏電站可利用地基位于山地，考慮到安裝實(shí)施可行性和投資成本等因素，采用固定式支架方案。這種運(yùn)行方式是根據(jù)太陽(yáng)1 a內(nèi)入射角的變化人工調(diào)整支架傾角，提高發(fā)電量，光伏組件、光伏方陣安裝方位角采用正南方向。考慮多排組件布置前后排遮擋，在PVSYST軟件中完成Near shading模塊布置后對(duì)傾角二次優(yōu)化，最終選擇35°作為適配的最佳角度。

光伏電站直流側(cè)采用DC1500V系統(tǒng)，445Wp雙面單晶組件，每2×13塊(組件豎放)組件組成1串，光伏直流側(cè)總裝機(jī)容量為峰值功率1 500 MW。電站首年上網(wǎng)小時(shí)數(shù)為1 750 h，25 a平均上網(wǎng)小時(shí)數(shù)為1 670 h。

2.2.3 逆變器選型

從本項(xiàng)目場(chǎng)址條件和資源特點(diǎn)可知其光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的制約和限制因素較多。場(chǎng)址區(qū)大部分為山地，山體形狀各異、地形起伏變化、坡面朝向不同，造成組件朝向不同，接收的輻照不同，接入同一路MPPT的光伏組串功率、電壓變化多樣，出現(xiàn)多峰概率大幅增加，對(duì)發(fā)電量的負(fù)面影響較大。另外考慮光伏電站在山地布置成片容量大小不一，為提高發(fā)電效率，減少集中式/集散式逆變器本體土建小室或集裝箱房占地面積，采用組串式逆變器。隴東基地光伏電站選定的方陣標(biāo)稱容量為2 MW，采用225 kW組串逆變器與方陣容量匹配較好。

2.3 清潔煤電

2.3.1 煤炭資源

慶陽(yáng)地區(qū)目前共有核桃峪、新莊2處產(chǎn)能共1 600萬t/a的在建煤礦，2處煤礦已分別于2011年、2014年獲得國(guó)家發(fā)展改革委核準(zhǔn)，2016年開工建設(shè)，目前核桃峪煤礦礦井“六大系統(tǒng)”已建成投用，2021年實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)。新莊煤礦進(jìn)入礦建二期工程，計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)年達(dá)產(chǎn)，建設(shè)進(jìn)度完全匹配能源基地對(duì)于煤炭的需求。

2.3.2 煤電裝機(jī)配置

華能正寧電廠二期(4×100萬kW)高效超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組是依托核桃峪煤礦和新莊煤礦規(guī)劃建設(shè)的煤電一體化項(xiàng)目。燃煤主要由核桃峪和新莊煤礦選煤廠的末煤和煤泥，年耗煤量約730萬t?；痣姀S采用煤電一體化建設(shè)模式，燃煤全部采用長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)運(yùn)輸。電廠以處理后的核桃峪和新莊煤礦疏干水為水源，在電廠內(nèi)設(shè)調(diào)蓄水池，滿足電廠用水要求，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)境保護(hù)政策。廠區(qū)產(chǎn)生的各項(xiàng)工業(yè)廢水及生活污水經(jīng)處理后全部回收利用，無廢污水排放，對(duì)周圍水環(huán)境無影響。脫硫廢水按“多效閃蒸(MSF)+旁路煙道噴灑”處理工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零排放。

鍋爐采用高效超超臨界、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、切圓燃燒或前后墻對(duì)沖燃燒、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、半緊身封閉布置、П型或塔式變壓運(yùn)行直流爐。汽輪機(jī)采用高效超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、間接空冷凝汽式汽輪機(jī)。

4臺(tái)1 000 MW機(jī)組分別以發(fā)電機(jī)變壓器組單元接線方式接入廠內(nèi)750 kV母線，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器，每臺(tái)發(fā)電機(jī)回路T接一臺(tái)煤礦升壓變壓器。750 kV配電裝置采用雙母線單分段接線，750 kV出線3回，設(shè)2組750 kV線路電抗器，750 kV配電裝置采用屋外GIS(Gas lnsulated Substation,氣體絕緣變電站)。

2.4 儲(chǔ)能配置

2.4.1 基地儲(chǔ)能配置方案

為增加電網(wǎng)調(diào)峰能力，提升風(fēng)電光伏接納能力、減少棄風(fēng)棄光率，提升電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，1 500 MW光伏按裝機(jī)容量的10%配置儲(chǔ)能，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2 h。配套建設(shè)的4 000 MW清潔煤電配置30 MW/15 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合火電機(jī)組開展電網(wǎng)AGC調(diào)頻業(yè)務(wù)。

綜合比較目前市場(chǎng)各種儲(chǔ)能方式，初步選擇電化學(xué)儲(chǔ)能方式。其中鈉硫電池和液流電池成本是鋰電池和鉛酸電池的2倍以上，且商業(yè)應(yīng)用不成熟；鉛酸/碳酸電池較鋰電池價(jià)格低一半，但磷酸鐵鋰電池能量密度較鉛酸/碳酸電池高6倍，效率高10%以上，且循環(huán)充電次數(shù)較多，按運(yùn)行壽命周期考慮，磷酸鐵鋰電池經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)，因此擬采用磷酸鐵鋰電池。

2.4.2 光伏儲(chǔ)能電站

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可在光伏電站遇到棄光限制發(fā)電時(shí)將多余電能存入儲(chǔ)能電池內(nèi)，在電網(wǎng)需要或用電高峰時(shí)通過儲(chǔ)能逆變器將電池內(nèi)電能送入電網(wǎng)，利用峰谷電價(jià)差創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益。

儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立的變流器(PCS)和升壓變壓器，最終直接并入330 kV升壓站的35 kV母線，對(duì)母線上的新能源發(fā)電單元進(jìn)行補(bǔ)償、平滑。儲(chǔ)能系統(tǒng)可將動(dòng)態(tài)能力及時(shí)釋放出來，平抑新能源出力波動(dòng)并增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，彌補(bǔ)風(fēng)光電場(chǎng)互補(bǔ)后的波動(dòng)。

儲(chǔ)能單元接線如圖2所示。采用1 kWh一個(gè)電池模塊的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)模塊尺寸為32 cm×48 cm×18 cm。每50個(gè)電池模塊并聯(lián)后接入儲(chǔ)能變流器直流側(cè)，容量為50 kWh。

圖2 500 kW雙向變流器主電路拓?fù)鋱DFig.2 Main circuit topology of 500 kW bi-directional converter

電池系統(tǒng)組成如圖3所示，儲(chǔ)能電站采用500 kW雙向變流器。儲(chǔ)能變流器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，一級(jí)變換拓?fù)?，通過隔離變壓器直接接入0.4 kV或更高電壓等級(jí)交流電網(wǎng)，交流側(cè)采用10個(gè)雙向AC/DC變流器模塊并聯(lián)，直流側(cè)分為若干個(gè)支路，每個(gè)支路接1簇電池。每臺(tái)變流器及500 kWh電池采用集裝箱封裝，集裝箱內(nèi)分變流器室及電池室。

圖3 電池系統(tǒng)組成示意Fig.3 Assemble of the battery system

儲(chǔ)能部分設(shè)有360個(gè)500 kW的變流器單元，每4臺(tái)儲(chǔ)能雙向變流器接入1臺(tái)2 250 kV·A雙分裂箱式變壓器的低壓側(cè)繞組上，組成一個(gè)2 MW儲(chǔ)能子陣。共設(shè)90個(gè)儲(chǔ)能子方陣，根據(jù)每個(gè)330 kV升壓站接入的風(fēng)電、光伏容量按比例接入各電站35 kV母線。

2.4.3 火電儲(chǔ)能系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組是旋轉(zhuǎn)的大容量有功和無功發(fā)生裝置，而儲(chǔ)能系統(tǒng)可視為靜止的相對(duì)小容量有功和無功發(fā)生器，二者主要區(qū)別在于輸出范圍和響應(yīng)特性，前者輸出范圍大、反應(yīng)速度慢，而后者相對(duì)容量小、響應(yīng)速度快，二者之間協(xié)調(diào)運(yùn)行能顯著提升火電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)AGC調(diào)頻指令的執(zhí)行效果。

在高比例可再生能源系統(tǒng)中，通過火電配置儲(chǔ)能系統(tǒng)提升AGC能力，能夠改善電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性及安全性，對(duì)構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)型智能電網(wǎng)并改善電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力具有重要意義。

火電廠(4×1 000 MW)配置30 MW/15 MWh電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。30 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)由10組3 MW儲(chǔ)能子系統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)成，接入電廠用電系統(tǒng)。電網(wǎng)級(jí)大規(guī)模電池儲(chǔ)能單元采用集裝箱封裝，大幅降低施工和安裝周期。典型的3 MW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)封裝在一個(gè)12.19 m(40英尺)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，內(nèi)部包含完善的電池管理單元、空調(diào)及溫控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、接地保護(hù)裝置等。

3 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)包括3 MW儲(chǔ)能單元和3 MV·A雙向功率變換裝置，通過升壓變壓器升壓到10 kV。儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助用電接入電廠380 V用電回路，提供儲(chǔ)能系統(tǒng)照明、冷卻和控制系統(tǒng)用電，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)置UPS保障在輔助供電中斷情況下系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2.5 多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行

利用多能互補(bǔ)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)電源的削峰填谷功能，在風(fēng)電、光伏大發(fā)時(shí)段減小發(fā)電或儲(chǔ)存電能，在新能源低谷時(shí)段發(fā)電，可減少棄風(fēng)棄光。另外，在風(fēng)光出力不受限時(shí)可平滑新能源出力，平滑功率輸出曲線。

綜合能源基地配套火電是優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)電源，優(yōu)先考慮火電作為多能互補(bǔ)的調(diào)節(jié)電源，并提升火電機(jī)組深度調(diào)峰能力至75%，同時(shí)配置一定比例儲(chǔ)能，進(jìn)一步提升新能源的可利用率。

隴東綜合能源基地以火電調(diào)峰和火電+儲(chǔ)能調(diào)峰分別進(jìn)行方案擬定。利用火電調(diào)節(jié)時(shí)，不配置儲(chǔ)能，能源基地電源規(guī)模為火電4 000 MW、新能源6 000 MW(風(fēng)電4 500 MW、光伏1 500 MW)，電源構(gòu)成比例如圖4所示(內(nèi)環(huán)為直流配套電源結(jié)構(gòu)，外環(huán)為綜合能源基地電源結(jié)構(gòu)，下同)。利用火電與儲(chǔ)能同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，火電配置30 MW/15 MWh儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)，光伏電站側(cè)配置10%儲(chǔ)能(2 h)，電源為火電4 000 MW、新能源6 000 MW、儲(chǔ)能180 MW，電源構(gòu)成比例如圖5所示。

圖4 火電調(diào)峰方案電源結(jié)構(gòu)Fig.4 Power composition for peak load regulationby thermal power

圖5 火電+儲(chǔ)能調(diào)峰方案電源結(jié)構(gòu)Fig.5 Power composition for peak load regulation bythermal power and energy storage

隴東風(fēng)光火儲(chǔ)一體化綜合能源基地電源規(guī)模超過隴東直流全部配套電源的60%，運(yùn)行時(shí)一方面應(yīng)最大限度滿足直流穩(wěn)定送出，另一方面需要通過互補(bǔ)調(diào)節(jié)提高送出電量中新能源電量占比。新能源小發(fā)情況下，項(xiàng)目調(diào)節(jié)電源支撐直流按規(guī)劃曲線送電，保證系統(tǒng)的可靠性。新能源大發(fā)情況下，調(diào)節(jié)電源進(jìn)入調(diào)峰運(yùn)行方式，保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與清潔性。

3 多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

3.1 新能源互補(bǔ)出力特性分析

慶陽(yáng)地區(qū)風(fēng)電累積電量占比95%時(shí)出力系數(shù)約0.57。風(fēng)電出力月發(fā)電量相對(duì)值基本在0.4～1.6，月發(fā)電量在月平均電量的60%內(nèi)變化，月發(fā)電量的年不均系數(shù)在0.2～0.3。風(fēng)電場(chǎng)日等效利用小時(shí)數(shù)在5.5～7.0 h，逐15 min出力變幅在裝機(jī)容量±10%內(nèi)的概率在90%～96%。

慶陽(yáng)地區(qū)光伏電站累積電量占比95%時(shí)出力系數(shù)約0.6。光伏電站月發(fā)電量相對(duì)值基本在0.6～1.4，即月發(fā)電量變化幅度基本在40%以內(nèi)，變化幅度較大,所在月份不同，具有一定隨機(jī)性，3—5月發(fā)電量較大，12月和1月發(fā)電量較小。年不均衡系數(shù)基本在0.2。光伏電站日等效利用小時(shí)數(shù)相差不大，基本在4～5 h，逐15 min出力變幅在±10%裝機(jī)容量?jī)?nèi)的概率約85%。

經(jīng)過對(duì)已建和規(guī)劃的風(fēng)、光電站的互補(bǔ)性分析可知，互補(bǔ)性相關(guān)指標(biāo)如最大出力、最小出力、累積電量占比95%時(shí)出力系數(shù)、逐15 min出力變率在裝機(jī)容量±10%的頻率、逐1 h出力變率在裝機(jī)容量±10%的頻率等指標(biāo)的變化均說明慶陽(yáng)地區(qū)風(fēng)光出力互補(bǔ)特性較好。隴東風(fēng)光火儲(chǔ)一體化綜合能源基地風(fēng)電、光伏電站采用“風(fēng)光同場(chǎng)”建設(shè)，并增加了火電和儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)峰，進(jìn)一步提高了風(fēng)光出力的互補(bǔ)特性。

3.2 生產(chǎn)模擬結(jié)果

通過生產(chǎn)模擬，分析該一體化能源基地在火電調(diào)峰和火電+儲(chǔ)能調(diào)峰2種運(yùn)行模式下的生產(chǎn)情況。

3.2.1 火電調(diào)峰運(yùn)行方式分析

在主網(wǎng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，圖6為火電調(diào)峰方式下的典型日運(yùn)行情況?；痣姵隽Ω鶕?jù)新能源發(fā)電情況調(diào)節(jié)，正午時(shí)刻新能源大發(fā)，火電降低出力至最小技術(shù)出力(25%)。晚高峰時(shí)期新能源出力較小，火電滿發(fā)。

圖6 火電調(diào)峰方式下的典型日?qǐng)DFig.6 Typical day figure of peak load regulation bythermal power

3.2.2 火電+儲(chǔ)能調(diào)峰運(yùn)行方式分析

在主網(wǎng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，圖7為火電+儲(chǔ)能調(diào)峰方式下的典型日運(yùn)行情況。火電出力根據(jù)新能源發(fā)電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，正午時(shí)刻新能源大發(fā)，火電降低出力至最小技術(shù)出力。同時(shí)為減少棄電，儲(chǔ)能電源進(jìn)行充電，新能源棄電減少。晚高峰時(shí)期儲(chǔ)能發(fā)出電力以減少電力不足。

圖7 火電+儲(chǔ)能調(diào)峰方式下的典型日?qǐng)DFig.7 Typical day figure of peak load regulation by thermalpower and energy storage

對(duì)2個(gè)方案分別進(jìn)行全年生產(chǎn)模擬，運(yùn)行指標(biāo)見表1。結(jié)果表明通過多能互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行，調(diào)節(jié)電源運(yùn)行合理，直流送出可靠性較高、主網(wǎng)依賴較低以及新能源電量占比較高。在火電調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上配置儲(chǔ)能方案能夠進(jìn)一步提高直流可用率，增加了全網(wǎng)的新能源綜合利用率。

表1 生產(chǎn)模擬指標(biāo)

4 結(jié) 論

1)通過風(fēng)光火儲(chǔ)一體化開發(fā)運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)和統(tǒng)一調(diào)度。隴東綜合能源基地由單一投資主體統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏、火電多能互補(bǔ)，在提升火電機(jī)組深度調(diào)峰能力基礎(chǔ)上，通過適度增加儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)清潔能源的最大化利用。

2)強(qiáng)化電源側(cè)靈活調(diào)節(jié)作用，非化石能源利用率超過95%。隴東綜合能源基地火電機(jī)組作為調(diào)峰電源，最大調(diào)峰深度75%，同時(shí)配套建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)提升機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力。光伏電站配置10%儲(chǔ)能設(shè)施，提升電網(wǎng)調(diào)峰能力。充分發(fā)揮火電機(jī)組、儲(chǔ)能設(shè)施的調(diào)峰能力，減輕受端系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，確保非化石能源利用率超過95%。

3)最大化利用清潔能源，新能源電量輸送比例超過40%。充分發(fā)揮慶陽(yáng)市風(fēng)能、太陽(yáng)能及煤炭資源組合優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化配套電源配比結(jié)構(gòu)。結(jié)合送受端負(fù)荷特性，合理確定送電曲線，提升通道利用效率。通過關(guān)鍵裝備技術(shù)創(chuàng)新性應(yīng)用，最大化利用清潔能源，確保新能源電量輸送比例超過40%。