羅 詠，陳 旭，熊 力

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院有限公司，北京100120；3.湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北武漢430040)

0 引 言

國家提出要在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，并加強可再生能源電力消納責任權(quán)重的評價考核，將其納入地方經(jīng)濟社會發(fā)展考核體系。內(nèi)蒙古自治區(qū)響應(yīng)國家號召，在新能源開發(fā)方面建立了多元化的并網(wǎng)機制，優(yōu)先支持市場化項目，保障工業(yè)園區(qū)綠色供電項目高質(zhì)量建設(shè)，推進有新增負荷的園區(qū)綠色供電項目建設(shè)[1]。

1 項目概況

1.1 項目背景

2021年2月，國務(wù)院印發(fā)關(guān)于《加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》，提出要以節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)、清潔能源等為重點率先突破，做好與農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和信息技術(shù)的融合發(fā)展。2022年3月4日，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推動全區(qū)風電光伏新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》，優(yōu)先支持全額自發(fā)自用和不占用電網(wǎng)調(diào)峰空間的市場化并網(wǎng)消納項目。工業(yè)園區(qū)綠色供電項目是基于園區(qū)新增負荷用能水平和負荷特性配置一定規(guī)模的市場化新能源項目[2]，堅持自我消納、自主調(diào)峰的原則，以提高終端用能的新能源電力比重。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)某工業(yè)綠色供電項目為例，開展園區(qū)綠色供電方案研究。

興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)綠色供電項目符合現(xiàn)代能源經(jīng)濟的發(fā)展方向，符合新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對于推進經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)節(jié)能減排[3]，對興安盟雙碳目標的實現(xiàn)具有重要意義。項目建成后可充分利用當?shù)氐目稍偕茉促Y源，通過多種能源綜合利用[4]，提高清潔能源消納比例及能源綜合利用效率，最終實現(xiàn)園區(qū)低碳綠色用能，具有重大的示范意義。

1.2 項目建設(shè)條件

1.2.1 項目場址條件

項目位于興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)園區(qū)，采用風電為園區(qū)進行綠色供電[5]，并配置了一定規(guī)模的電化學儲能裝置實現(xiàn)自主調(diào)峰[6]，風電場址位于興安盟烏蘭浩特市境內(nèi)，避開了草原保護區(qū)、基本農(nóng)田、林地、生態(tài)紅線等各類限制性因素。

1.2.2 風能資源條件

項目所以地烏蘭浩特市整體風資源較好，本階段收集到擬規(guī)劃項目附近測風塔測風數(shù)據(jù)，該測風塔海拔高度377 m，最高測風高度120 m。從測風高度代表性來看，測風塔的最高測風層為120 m，而本次推薦機型輪轂高度為110 m，測風塔實測高度可以涵蓋輪轂高度，測風高度代表性較好。通過對風電場場址區(qū)內(nèi)測風塔數(shù)據(jù)的基本要素分析，場址區(qū)風能資源分布特點和特性如下：

(1)風能資源條件較好。本風電場平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測風塔110 m預(yù)裝輪轂高度代表年平均風速分別為7.27 m/s，風功率密度分別為412 W/m2。

(2)風向較為穩(wěn)定。測風塔輪轂高度風向主要集中在WNW～N，總體以WNW方向為主，主風能集中在WNW～NW，總體以WNW方向為主，主風向與主風能方向基本一致?？傮w而言，本風電基地場址區(qū)域風向集中，主導(dǎo)風向明顯，基本以西北偏西風為主。

(3)風速年內(nèi)變化幅度較大，日內(nèi)變化幅度較大。測風塔處在3月～5月風速較大，6月～9月風速相對較小。測風塔年內(nèi)風功率密度變化規(guī)律與風速變化規(guī)律基本一致。平均風功率密度與平均風速在年內(nèi)變化幅度較大。各測風塔19∶00～次日5∶00是全天風速相對比較大的時段，其他時段小時平均風速相對較??；風功率密度日變化與風速日變化規(guī)律基本一致，均為白天風速相對較小，夜間風速相對較大。

(4)湍流強度偏弱，風切變指數(shù)較小。測風塔在100 m處風速為15 m/s時的平均湍流強度為0.092；代表湍流強度為0.138，湍流強度基本呈現(xiàn)隨高度增加而降低的規(guī)律。同時結(jié)合測風塔100 m的有效風速段代表湍流強度曲線基本位于IECB類曲線以下。按照IEC61400-1(2019)標準判斷測風塔100 m及以上高度湍流強度屬于IECB類等級。測風塔30 m及以上高度擬合風切變指數(shù)為0.207，50 m及以上高度擬合風切變指數(shù)為0.218。總體來看，本風電場工程場址范圍風切變指數(shù)處于中等水平，適宜采用常規(guī)輪轂高度。

1.2.3 園區(qū)電網(wǎng)條件

本項目負荷主要為園區(qū)內(nèi)化工企業(yè)、物流公司和電力設(shè)備制造企業(yè)。興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)220 kV 8連變現(xiàn)有2臺180 MV·A主變，總?cè)萘?60 MV·A，現(xiàn)在負荷110 MW，新增負荷共131.9 MW，總負荷為241.9 MW，八連變具有新能源電站接入的能力，同時220 kV側(cè)也具有良好的間隔擴容條件。

2 工業(yè)園區(qū)用電分析

興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)位于烏蘭浩特市境內(nèi)，重點打造再生資源清潔精深利用和清潔能源高端裝備制造兩大示范創(chuàng)新基地。本期工程匹配負荷為開發(fā)區(qū)新增生產(chǎn)負荷，新增負荷為13.66萬kW，年用電量為11.39億kW·h。本項目新增用電負荷絕大部分為化工企業(yè)合成氨與尿酸項目二期工程生產(chǎn)負荷，根據(jù)化工負荷典型特性，并結(jié)合一期工程投產(chǎn)后的實際負荷情況，考慮二期工程用電負荷為24 h連續(xù)生產(chǎn)，正常方式下負荷始終保持在10萬kW穩(wěn)定運行，最大用電負荷約12萬kW。每年檢修期約15 d，選擇新能源出力較小時段進行檢修。本項目負荷涉及多家企業(yè)，主要用電負荷為化工項目二期工程，用電企業(yè)可靈活選擇檢修時間，為降低用電成本負荷企業(yè)將優(yōu)先選擇新能源出力較小的時段，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行輪停檢修。檢修方式下仍可保持園區(qū)新增負荷部分電力基本平衡。

3 綠色供電方案研究

3.1 負荷特性分析

興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)園區(qū)綠色供電項目用電負荷由公司新能源電站與電網(wǎng)共同承擔，新能源所發(fā)電量給園區(qū)供電，缺額部分從電網(wǎng)購電[7]。園區(qū)新增用電負荷的總用電量11.39億kW·h，生產(chǎn)負荷用電曲線較為穩(wěn)定。用電負荷及檢修情況如表1所示。

表1 用電負荷及檢修情況

根據(jù)表1中園區(qū)新增用電負荷及檢修情況，年最大負荷、平均負荷曲線、典型日負荷曲線如圖1、2所示。年負荷曲線中，化工公司用電負荷10.71萬kW，7月檢修15 d，纖維科技有限公司用電負荷0.6萬kW，11月檢修15 d，因此7月平均負荷較小，11月平均負荷也略小，其他月份基本無變化。典型日負荷曲線中，日最高負荷14萬kW，最低負荷12.1萬kW，峰谷差1.9萬kW，占最大負荷比例約為13.6%。

圖1 園區(qū)新增用電負荷年特性曲線

圖2 園區(qū)新增用電負荷典型日特性曲線

3.2 新能源出力特性分析

興安盟風能資源也較好，圖3為各月最大出力和平均出力，圖4為四季典型日出力曲線。

圖3 風電年出力曲線

圖4 風電四季典型日出力曲線

3.3 典型日生產(chǎn)運行模擬

3.3.1 生產(chǎn)運行模擬條件

園區(qū)最大用電負荷為13.66萬kW，年總消耗電量為11.39億kW·h。新能源裝機由于受土地資源約束，風電裝機為16.875萬kW，儲能按總裝機規(guī)模的15%/4 h考慮。

3.3.2 運行約束條件

根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)工業(yè)園區(qū)綠色供電項目實施細則(2022年版)》，配置儲能規(guī)模不低于新能源裝機容量的15%/4 h，新能源電力不得向公網(wǎng)送電，不得占用公網(wǎng)調(diào)峰資源。

3.3.3 風儲荷耦合特性分析

新能源電站、儲能系統(tǒng)向工業(yè)園區(qū)綠色供電項目系統(tǒng)全年8 760 h耦合曲線如圖5所示[8]。

圖5 風儲荷耦合平衡全年8 760 h運行曲線

本項目配置了15%/4 h的儲能裝置，配合建設(shè)的智能控制系統(tǒng)[9]，當新能源出力超過園區(qū)最大負荷時刻多余電量部分存入儲能系統(tǒng)，部分棄電。到新能源出力較低時，儲能系統(tǒng)將存儲電量釋放，供園區(qū)用電負荷，減輕園區(qū)從電網(wǎng)購電壓力。實現(xiàn)園區(qū)用電綠色電能替代，通過儲能和棄電，保證新能源不向公網(wǎng)輸送電力，不額外增加公網(wǎng)調(diào)峰壓力[10]。園區(qū)用電由新能源電力綠色替代后，缺額部分通過公網(wǎng)購電滿足園區(qū)用電需求。

春季、冬季典型日中新能源出力較好，儲能充滿電后，多余電量棄掉，待到新能源出力降低至小于用電負荷時，儲能放電，后續(xù)新能源出力又升高大于負荷時，新能源繼續(xù)充電，直至充滿后，多余電量棄掉，直到第二天或后續(xù)新能源出力降低至小于用電負荷時，儲能再放電，通過儲能充放電及棄電實現(xiàn)風儲系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負荷曲線變化，保證風儲荷系統(tǒng)從電網(wǎng)下電基本為穩(wěn)定值，實現(xiàn)風儲系統(tǒng)的自主調(diào)峰[11]。夏季、秋季典型日中新能源出力相對較低，通過儲能對新能源出力進行削峰填谷，實現(xiàn)風儲系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負荷曲線變化，園區(qū)從電網(wǎng)下電量也是穩(wěn)定值，實現(xiàn)風儲系統(tǒng)的自主調(diào)峰[12]。

經(jīng)計算項目實施前后風儲項目從電網(wǎng)購電峰谷差比例對比如表2所示。

表2 項目實施前后主網(wǎng)供電峰谷差比例對比

綜上所述，本項目新能源電量全部由新增負荷消納。項目實施后，通過儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用以及采取部分棄電措施，實現(xiàn)風儲系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負荷曲線變化而變化[13]，從而保證風儲荷系統(tǒng)從主網(wǎng)購電電力基本維持在相對穩(wěn)定值，項目實施后，四季典型日主網(wǎng)供電峰谷差比例相對于項目實施前均有所下降，實現(xiàn)系統(tǒng)自主調(diào)峰，不增加主網(wǎng)調(diào)峰峰谷差比例[14]。

經(jīng)耦合分析，由于本項目配置了15%/4 h的儲能裝置，配合建設(shè)的智能控制系統(tǒng)[15]，可隨新能源出力波動，實現(xiàn)自主調(diào)峰，且分析時，考慮了多余電量棄電，不向電網(wǎng)反送電。

4 項目接入方案及消納分析

4.1 接入方案

根據(jù)本項目建設(shè)規(guī)劃和規(guī)模，綜合考慮新能源電站以220 kV電壓等級接入220 kV八連變。本方案中風電場至八連220 kV線路采用LGJ-300，線路極限輸送容量約240 MV·A，滿足新能源裝機規(guī)模的輸送需求。

4.2 消納分析

為分析園區(qū)電量及新能源接納能力，對園區(qū)電量進行分析計算：

本項目風電裝機規(guī)模168.75 MW，年發(fā)電量合計5.40億kW·h，儲能配置為新能源裝機規(guī)模15%/4 h，即25.3 MW/101.2 MW·h。

經(jīng)過對新能源出力及負荷8 760 h特性數(shù)據(jù)進行對比統(tǒng)計分析，新能源出力超過園區(qū)負荷小時數(shù)為952 h，該952 h新能源累計總發(fā)電量為1.202億kW·h，其中園區(qū)負荷端消耗電量1.122億kW·h，多余發(fā)電量約為0.081億kW·h。若不配置儲能，該部分電量需要全部棄掉，棄電率為1.50%。

配置15%/4 h儲能裝置后，儲能按最佳狀態(tài)工作，當新能源出力超過園區(qū)負荷時，儲能開始充電，若儲能充滿或者新能源出力下降低于園區(qū)負荷時則停止充電；當新能源出力低于園區(qū)負荷時，儲能開始放電，若儲能存儲電量全部放完或者新能源出力增大超過園區(qū)負荷時，則停止放電，經(jīng)對新能源出力及負荷8 760 h特性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析計算，儲能投運后可削峰填谷的電量累計為0.027億kW·h，則配置儲能后實際棄電量為0.053億kW·h，棄電率為0.99%，相對于不配置儲能的情況，新能源棄電率下降了0.51%。園區(qū)綠色替代電量為5.347億kW·h，綠色替代電量占園區(qū)總電量需求比例為46.94%。

即本項目風電裝機規(guī)模168.75 MW，通過配置15%/4 h的儲能，并考慮0.99%的棄電率，可滿足新能源電量不上網(wǎng)，新能源實現(xiàn)自主調(diào)峰，不額外增加電網(wǎng)調(diào)峰壓力，同時園區(qū)綠電替代比例達到46.94%。

該項目用電負荷以化工負荷為主，負荷特性為24小時不間斷連續(xù)生產(chǎn)。根據(jù)全年8 760 h風光荷儲耦合分析結(jié)果，該項目新能源棄電率為0.99%。該項目風電建設(shè)成本較低，可達到4.5元/W，考慮棄電后項目資本金內(nèi)部收益率仍可達到15.17%。考慮到興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)近年來發(fā)展勢頭良好，負荷增長仍有較大空間。隨著園區(qū)內(nèi)新用電項目落地，消納條件可進一步改善。基于以上分析，評估認為該項目的新能源配置規(guī)模是基本合理的[16]。

5 結(jié)論與建議

綜上所述，通過對興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)的新增負荷情況進行了分析研究，結(jié)合負荷特性開展基于自主調(diào)峰的工業(yè)園區(qū)綠色供電方案研究，主要結(jié)論如下：

(1)項目所在地風能資源豐富，年有效風速的持續(xù)時間長。通過對風電場場址區(qū)內(nèi)測風塔數(shù)據(jù)的基本要素分析，場址區(qū)風能資源條件較好，平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測風塔110 m預(yù)裝輪轂高度代表年平均風速分別為7.27 m/s，風功率密度分別為412 W/m2。風向集中，主導(dǎo)風向明顯，風速年內(nèi)變化幅度較大，日內(nèi)變化幅度較大。湍流強度偏弱，風切變指數(shù)較小，適宜采用常規(guī)輪轂高度。

(2)項目新增負荷為13.66萬kW，年用電量為11.39億kW·h，負荷等級包信二級和三級，主要用電負荷為化工項目負荷，用電企業(yè)可靈活選擇檢修時間，為降低用電成本負荷企業(yè)將優(yōu)先選擇新能源出力較小的時段，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行輪停檢修。檢修方式下仍可保持園區(qū)新增負荷部分電力基本平衡。

(3)項目風電裝機為16.875萬kW，儲能按總裝機規(guī)模的15%/4 h考慮，配合建設(shè)的智能控制系統(tǒng)，可隨新能源出力波動，實現(xiàn)自主調(diào)峰，且分析時，考慮了多余電量棄電，不向電網(wǎng)反送電，并開展了全年8 760 h的風儲荷耦合特性分析，通過儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用以及采取部分棄電措施，實現(xiàn)風儲系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負荷曲線變化而變化，從而保證風儲荷系統(tǒng)從主網(wǎng)購電電力基本維持在相對穩(wěn)定值，項目實施后，四季典型日主網(wǎng)供電峰谷差比例相對于項目實施前均有所下降，實現(xiàn)系統(tǒng)自主調(diào)峰，不增加主網(wǎng)調(diào)峰峰谷差比例。