鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)最優(yōu)容量匹配

張峻嶺,殷建英,王文軍

(1.內(nèi)蒙古電力工程技術(shù)研究院,呼和浩特 010080; 2.呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,呼和浩特 010010)

風(fēng)電場(chǎng)配置太陽(yáng)能發(fā)電裝置,可以利用風(fēng)能與太陽(yáng)能的互補(bǔ)性,有利于風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量穩(wěn)定,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有利于維持電網(wǎng)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行[1-2]。例如2004年底投運(yùn)的第一個(gè)并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)——華能南澳54 MW/100 kW風(fēng)光互補(bǔ)電站;目前在建的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)電站:河北尚義國(guó)華風(fēng)電場(chǎng)的2.5 MW風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電電站(風(fēng)電1.5 MW,光伏發(fā)電1MW);以及山西國(guó)際電力集團(tuán)右玉縣小五臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目(光伏規(guī)劃20MW一期10MW,已投產(chǎn)33臺(tái)1.25MW風(fēng)電機(jī)組共41.25 MW),都取得了很好效果。但是我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目還較少,需要加以推廣,新建和改建的大型風(fēng)電場(chǎng),有條件的都應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)光互補(bǔ)。鄂爾多斯具有非常豐富的風(fēng)力資源和太陽(yáng)能資源,根據(jù)中計(jì)信投資咨詢(xún)有限責(zé)任公司、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、內(nèi)蒙古電力科學(xué)院鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)發(fā)電園區(qū)發(fā)展規(guī)劃,鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的發(fā)電產(chǎn)業(yè)園主要位于杭錦旗西部的巴拉貢、伊和烏素兩鎮(zhèn),規(guī)劃面積超過(guò)1600 km2。園區(qū)多種新能源資源集聚,資源秉賦優(yōu)越,根據(jù)規(guī)劃將在園區(qū)內(nèi)采用風(fēng)、光、生物質(zhì)、抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能等多種新能源互補(bǔ)的方案,將園區(qū)建設(shè)成為一個(gè)多能互補(bǔ)、電網(wǎng)友好的新能源示范基地。本文將以50 MW的風(fēng)電裝機(jī)容量為基準(zhǔn),利用示范區(qū)多年風(fēng)、光資源,采用建模計(jì)算的方法,確定該風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)的光伏發(fā)電容量的配比。

1 示范區(qū)的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源

巴拉貢地區(qū)屬中溫帶大陸性沙漠氣候,春季旱、風(fēng)沙大,夏季短、雨集中,秋季爽、日照多,冬季長(zhǎng)、天寒冷。全年平均日照時(shí)數(shù)3157 h,干旱少雨且降雨日數(shù)不斷減少,沙塵暴等災(zāi)害天氣發(fā)生的頻率低,表1是示范區(qū)所在地杭錦旗的極端天氣的情況。

表1 杭錦旗極端天氣特征值

根據(jù)杭錦旗氣象觀測(cè)及輻射觀測(cè)資料,示范區(qū)月平均太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。根據(jù)園區(qū)某公司從2007年開(kāi)始的直接輻射觀測(cè)評(píng)估,園區(qū)年太陽(yáng)直接輻射大于1900 kWh/m2,見(jiàn)表3。這些數(shù)據(jù)均表明示范區(qū)太陽(yáng)能資源非常理想。

表2 杭錦旗地區(qū)的太陽(yáng)輻射

表32008 年園區(qū)實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù) kWh/m2

示范園區(qū)位于狼山和陰山兩山間的狹長(zhǎng)風(fēng)口地帶,作為西北寒流路經(jīng)的中心地帶是我國(guó)風(fēng)能資源區(qū)劃中Ⅰ級(jí)區(qū)、Ⅱ級(jí)區(qū)的核心部分。該區(qū)域的年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠虾蜄|南風(fēng),風(fēng)能資源品位高、有效風(fēng)時(shí)長(zhǎng),而且穩(wěn)定度較高、連續(xù)性好,風(fēng)能的可利用率高。根據(jù)歷史資料計(jì)算的該地區(qū)1975—2004年間的年均風(fēng)速、年均有效風(fēng)時(shí)數(shù)和年均有效風(fēng)功率密度見(jiàn)表4。根據(jù)園區(qū)3個(gè)測(cè)風(fēng)塔2008年實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算的年均風(fēng)速見(jiàn)表5?？梢钥吹綀@區(qū)內(nèi)的70m高處最大風(fēng)速達(dá)27.3 m/s, 60 m高處最大風(fēng)速達(dá)26.8 m/s。園區(qū)地形平坦開(kāi)闊,交通便利,特別是園區(qū)距蒙西電網(wǎng)接入點(diǎn)較近,而且當(dāng)?shù)氐貜V人稀、征地成本較低,因此非常適合建設(shè)大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。

表4 園區(qū)風(fēng)力資源數(shù)據(jù)

表5 園區(qū)70m和60m高處實(shí)測(cè)風(fēng)速的月平均值 m/s

2 發(fā)電的計(jì)算方案

為了確定風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)的光伏發(fā)電容量配比分別對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力進(jìn)行計(jì)算。

2.1 光伏發(fā)電

參照?qǐng)@區(qū)太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù),利用RETScreen International軟件對(duì)2007年4月至2008年2月份的太陽(yáng)能光照輻射量進(jìn)行計(jì)算與處理,求出最佳傾斜角下的光伏電池發(fā)電功率。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析,對(duì)裝機(jī)容量分別為10 MW,15 MW, 20 MW的方案,計(jì)算各月日均24 h太陽(yáng)能理論發(fā)電量。

1)太陽(yáng)能陣列傾斜角確定 一般情況下,太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方陣傾角一般等于當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕^對(duì)值,這個(gè)傾角通常使全年在方陣表面上的太陽(yáng)輻射能達(dá)到最大,適于全年工作系統(tǒng)使用。

傾斜面與水平面上直接輻射量的比值:

式中:hs為水平面上的日落時(shí)角;h′s為傾斜面上的日落時(shí)角。

2)傾斜面上天空散射輻射量的確定 對(duì)于天空散射輻射量,采用Hay模型計(jì)算:

圖12007 年4月—2008年2月日平均24 h風(fēng)光互補(bǔ)理論發(fā)電量

式中:H b和 H d分別為水平面上直接和散射輻射量;H o為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量。

3)地面反射輻射量的確定 傾斜面輻射量總量除了來(lái)自太陽(yáng)的直接輻射量和來(lái)自天空的散射輻射量外,也包括來(lái)自地面的反射輻射量H rt:

式中:H為水平面上總輻射量;ρ為地面反射率,取18%。

傾斜面上接受的總太陽(yáng)輻射量 H t是上述三項(xiàng)之和:

由于傾斜面上的直接輻射量、散射輻射量以及地面反射輻射量均隨傾斜面傾角變化,因此Ht也隨傾斜面傾角變化。采用RETScreen能源模型中的光伏項(xiàng)目軟件根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砗蜌庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,確定太陽(yáng)能支架方陣斜角為40°。

4)影響因素取值 光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程中的損失包括組件匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽(yáng)輻射損失、溫度的影響以及直流線(xiàn)路損失等,計(jì)算中,取光伏陣列效率η1為84%。逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2取95%,交流并網(wǎng)效率η3取95%。

根據(jù)代表年最佳傾斜面上各月平均太陽(yáng)總輻射量可得出月及年峰值日照小時(shí)數(shù)。由峰值日照小時(shí)數(shù)乘以光伏電站的裝機(jī)容量即為光伏電站的理論發(fā)電量。

2.2 風(fēng)電發(fā)電

參照?qǐng)@區(qū)2007年4月至2008年2月共計(jì)53000多個(gè)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速,以及所選風(fēng)機(jī)的功率特性曲線(xiàn)(表示在切入風(fēng)速到切出風(fēng)速間,風(fēng)電機(jī)的輸出功率),通過(guò)對(duì)空氣密度修正、尾流修正,控制湍流折減系數(shù)取 96%,葉片污染系數(shù)取98%,機(jī)組可利用率取 95%,場(chǎng)用電與線(xiàn)損等能量損耗系數(shù)取90%,氣候影響停機(jī)折減系數(shù)為97%,功率曲線(xiàn)折減系數(shù)取95%。采用 WAsP和WindFarmer軟件進(jìn)行計(jì)算分析,進(jìn)一步對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,可以得到裝機(jī)50 MW時(shí)各月日均24 h理論發(fā)電量。

3 風(fēng)光互補(bǔ)的最佳配比

風(fēng)能與太陽(yáng)能在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)性,決定了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電可克服由于風(fēng)能、太陽(yáng)能所特有的年、月、日的變化而造成供電不均衡的缺陷,確保負(fù)荷穩(wěn)定,維持電網(wǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行,使自然資源得到充分利用;實(shí)現(xiàn)高空和地面空間的充分合理利用。光伏電站由于受太陽(yáng)輻射的影響,夜晚無(wú)負(fù)荷,而白晝時(shí)的輸出曲線(xiàn)較為平直,而風(fēng)力發(fā)電在夜間風(fēng)速較大,白晝風(fēng)速下降,風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷輸出曲線(xiàn)在白晝呈現(xiàn)近似波谷狀。

參照?qǐng)@區(qū) 2007年 4月至 2008年 2月 50 MW風(fēng)場(chǎng)各月日均24 h出力為基準(zhǔn),匹配相應(yīng)光伏發(fā)電容量為10 MW,15 MW和20 MW,即風(fēng)光裝機(jī)比例為10∶2,10∶3和10∶4,分別計(jì)算風(fēng)光互補(bǔ)整體的等效負(fù)荷,計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

從圖1可知風(fēng)電場(chǎng)出力曲線(xiàn)峰谷差的中間均值約為5.4 MW,與10 MW光伏發(fā)電8:00時(shí)至17:00出力相當(dāng),可形成互補(bǔ)關(guān)系,使輸出曲線(xiàn)趨于平直,出力狀況得到明顯改善,使電網(wǎng)接納能力增強(qiáng)。保持風(fēng)電裝機(jī)容量50MW,提高光伏發(fā)電容量至15MW和20MW,計(jì)算可知,此時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)出力峰谷差均超過(guò)5 MW。由此可知,鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)風(fēng)電、光伏發(fā)電容量配置比例為5∶1時(shí)互補(bǔ)效果最優(yōu)。