青海海西地區(qū)多能互補運行方式初步分析

文 | 胡小麗，劉軍濤

青海海西地區(qū)多能互補運行方式初步分析

文 | 胡小麗，劉軍濤

加快開發(fā)利用可再生能源已成為當前世界各國的普遍共識和一致行動，青海省海西州太陽能資源豐富，風(fēng)電開發(fā)條件好，土地資源遼闊，亦有建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站的資源條件，具備多能互補運行的基礎(chǔ)。本文以光熱、抽水蓄能電站作為調(diào)峰電源，對海西州光熱、光伏、風(fēng)電、抽水蓄能之間的互補運行進行了初步分析，充分利用光熱、抽水蓄能電站對新能源補償作用來削弱新能源的不穩(wěn)定波動，最大化地發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢。通過互補運行后，可有效送出可再生能源的電力電量，提高電能質(zhì)量。

多能互補資源條件

青海海西地區(qū)太陽能資源豐富且有大量戈壁灘等未利用地，土地資源廣闊，光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、風(fēng)電等新能源開發(fā)條件好，亦有建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站的資源條件，具備光伏、光熱、風(fēng)電、抽蓄等多能互補運行的基礎(chǔ)條件。根據(jù)青海省相關(guān)規(guī)劃，“十四五”末海西地區(qū)擬建成光伏約14000MW、光熱約9000MW、風(fēng)電約4000MW，抽水蓄能2400MW，并擬通過直流特高壓外送通道將可再生能源外送。

（1）太陽能

青海省位于青藏高原東北部，空氣較為稀薄，陽光直射時間長，太陽能資源十分豐富，年總輻射量在5560MJ/m2－7400MJ/m2之間，在全國居第二位，僅次于西藏。海西州地區(qū)太陽輻射強，日照時數(shù)多，全州太陽能總輻射量在6600MJ/m2－7200MJ/m2之間，是全省輻射量最多的地區(qū)，也是青海省年日照百分率最大的地區(qū)，年日照時數(shù)在3000h－3400h之間。

（2）風(fēng)能

海西州風(fēng)能資源儲量十分豐富，大部分地區(qū)屬于可開發(fā)區(qū)域，其中以格爾木市至都蘭一線、冷湖、芒崖地區(qū)資源最具備開發(fā)條件，年風(fēng)功率密度在150W/m2－300W/m2，風(fēng)速在5.5m/s－7m/s之間，利用小時數(shù)在1800h－2500h之間。

（3）抽水蓄能

根據(jù)相關(guān)工作成果，青海海西地區(qū)初選了兩個抽水蓄能站點。初步規(guī)劃裝機容量合計約2400MW。

各類電源運行特性分析

一、太陽能光伏

根據(jù)光伏電站14000MW逐十分鐘出力過程，光伏電站全年平均出力2368MW，占裝機容量16.92%；最大出力為11763MW，占裝機容量的84.02%，保證率僅0.002%；最小出力為0；出力為9100MW（即容量系數(shù)為65%）時，保證率為7.5%，累積電量98%。

海西州光能資源分布有明顯的季節(jié)性差異，太陽輻射的季節(jié)變化直接造成了光伏電站出力的季節(jié)性差異。經(jīng)統(tǒng)計，出力最小月份（7月）約是最大月份（8月）的78%。最小月出力約為平均月出力的83%，最大月出力比平均月出力大約15%。從光伏電站日內(nèi)平均出力過程看，光伏電站日內(nèi)基本在7：00－21：00發(fā)電。

圖1 青海省總輻射空間變化分布圖（單位：MJ/m2·a）

二、太陽能光熱

太陽能光熱發(fā)電，是利用大量拋物型的反射鏡將太陽輻射能聚集到吸熱裝置并將其轉(zhuǎn)化給傳熱流體導(dǎo)熱流體的熱能，傳熱流體再利用此熱能通過渦輪機械或其他發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。

太陽能光熱發(fā)電由于配備了儲熱系統(tǒng)，受太陽輻射變化影響小，可像常規(guī)電源一樣接受電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，具備穩(wěn)定的電力輸出和較好的調(diào)節(jié)性能。帶有儲熱裝置的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在白天將一部分太陽能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來，在傍晚之后或者電力需求晚高峰時段用于發(fā)電以滿足電網(wǎng)的要求，從而可保證電力輸出更加平穩(wěn)和可靠。

三、風(fēng)電

根據(jù)風(fēng)電4000MW逐十分鐘出力過程，風(fēng)電全年平均出力占裝機容量21.1%；最大出力為4000MW，占裝機容量100%，達到滿發(fā)；最小出力為0；風(fēng)電出力為3600MW（即容量系數(shù)為90%）時，保證率為7.7%，累積電量98%。

從風(fēng)電各月出力變化圖上看，3－5月平均出力相對較大，其他月份出力較小。最大平均出力出現(xiàn)在4月，為1420MW；最小平均出力出現(xiàn)在1月，為180MW。出力最小月份（1月）約是最大月份（4月）的13%。

從風(fēng)電分時變化曲線上看，各時平均出力變化不大，最大出力為760MW，最小出力為516MW。雖然年內(nèi)逐時平均出力變化不大，但同一時刻各自出力變化無規(guī)律，既有最大出力為4000MW，也有出力為0。

四、抽水蓄能

抽水蓄能電站既是發(fā)電廠，又是電力用戶，是一種可以平衡系統(tǒng)峰、谷用電需求，可間接儲存電能的特殊電源點。它利用系統(tǒng)用電需求低谷時的剩余電力驅(qū)動水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲存起來，即電能轉(zhuǎn)化為動能；然后在系統(tǒng)用電需求高峰時放水發(fā)電，即動能再轉(zhuǎn)化為電能。抽水蓄能電站以特有的既調(diào)峰又填谷的雙重作用，可緩解電網(wǎng)的調(diào)峰困難，改善系統(tǒng)光伏、風(fēng)電等新能源電源的運行條件，減少棄風(fēng)、棄光量，提高新能源的利用率。

圖2 海西光伏出力－保證率－電量累積曲線

圖3 海西光伏月平均出力過程

圖4 海西光伏日內(nèi)平均出力過程

圖5 帶蓄熱裝置的光熱日內(nèi)運行過程示意圖

由于太陽能光伏、風(fēng)電出力均具備波動性、隨機性等特點，特別是短時間內(nèi)發(fā)電出力變化較大時，會對電力系統(tǒng)短時間的有功功率平衡及頻率穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要電網(wǎng)配置足夠的快速反應(yīng)容量來適應(yīng)新能源出力的隨機波動。抽水蓄能電站承卸負荷迅速靈活，能適應(yīng)負荷的急劇變化，調(diào)頻性能好，可以很好地承擔電網(wǎng)快速負荷跟蹤和維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定任務(wù)。

多能互補運行方式研究

一、互補運行分析原則

（1）分析時段以小時為主，主要研究日內(nèi)互補運行方式，小時內(nèi)出力變化由電調(diào)控制系統(tǒng)控制。

（2）海西地區(qū)電力電量考慮通過直流特高壓輸電通道外送，考慮通道輸電容量對互補電源發(fā)電容量的限制。多能互補運行方式即考慮送端電源發(fā)電特性，又盡可能適應(yīng)受端電網(wǎng)負荷需求特性，電力負荷需求按照日內(nèi)呈現(xiàn)兩至三個臺階狀來考慮。

（3）目前光熱發(fā)電缺乏實測出力過程，本次分析暫按光熱電站年利用小時3500小時考慮。光熱電站在太陽能輻射強時最小發(fā)電出力不低于裝機容量20%考慮。

（4）針對各類能源的發(fā)電特性，在風(fēng)光發(fā)電出力自然組合的基礎(chǔ)上，分析其風(fēng)光組合電源發(fā)電特性，并以風(fēng)光互補后為基礎(chǔ)，由光熱、抽水蓄能電站進行補償分析。

二、互補運行方式分析

根據(jù)風(fēng)光組合電源后的出力過程，選取較大、平均、較小三個代表日對互補運行方式進行分析。

圖6 海西風(fēng)電出力－保證率－電量累積曲線

圖7 海西風(fēng)電月平均出力過程

圖8 海西風(fēng)電日內(nèi)平均出力過程

從圖9可見，在較大代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風(fēng)電、光伏、光熱、抽水蓄能互補后，日內(nèi)平均出力呈現(xiàn)三個臺階狀：

1：00－9：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為50%；此時段主要由光熱通過蓄熱系統(tǒng)發(fā)電，并伴有風(fēng)電運行。

9：00－18：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為50%－100%。出現(xiàn)風(fēng)電、光伏大發(fā)時，光熱壓低至最小技術(shù)出力運行，將大量太陽能轉(zhuǎn)換為熱能蓄至儲熱系統(tǒng)中，超出線路輸電容量的新能源通過抽水蓄能抽水。

18：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值范圍為70%。晚高峰時段主要由風(fēng)電、光熱、抽水蓄能發(fā)電運行。

在較大代表日情況下，日內(nèi)平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為69%。

從圖10可見，在平均代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風(fēng)、光、光熱互補后，日內(nèi)平均出力呈現(xiàn)三個臺階狀：

1：00－8：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%，主要由光熱儲熱部分發(fā)電。

8：00－17：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%－100%；主要由光伏、風(fēng)電、光熱運行，同時光熱將多余熱能蓄至儲熱系統(tǒng)中在傍晚以后發(fā)電。

15：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值范圍為67%，主要由光熱儲熱系統(tǒng)發(fā)電。

在平均代表日情況下，日內(nèi)平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為56%。

從圖11可見，在較小代表日情況下，考慮外送通道輸電容量限制后，風(fēng)、光、光熱互補后，日內(nèi)各類電源互補后平均出力呈現(xiàn)兩個臺階狀：

1：00－10：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為22.5%，主要由光熱儲熱部分發(fā)電運行。

11：00－24：00之間平均出力占外送通道輸電容量比值為49%，主要由光熱、光伏、風(fēng)電運行。

在較小代表日情況下，日內(nèi)平均出力約占外送通道輸電容量比值范圍為37%。

三、小結(jié)

（1）根據(jù)風(fēng)電出力特性分析，風(fēng)電隨機性強，月際平均出力約40%變化，發(fā)電量95%的有效容量系數(shù)較高。

（2）根據(jù)光伏發(fā)電出力特性分析，光伏發(fā)電以日變化為主，月際平均出力約20%變化，發(fā)電量98%的有效容量系數(shù)約0.66。

（3）以風(fēng)光組合電源發(fā)電特性分析，發(fā)電量95%的有效容量系數(shù)約0.52；發(fā)電量98%的有效容量系數(shù)約0.57。光熱電站通過儲熱單元可對風(fēng)光發(fā)電出力進行補償，在太陽能輻射強時最小發(fā)電出力不低于裝機容量20%。

（4）通過光伏、風(fēng)電與光熱、抽水蓄能互補運行，負荷高峰時段的出力可達到送電通道輸電容量的50%－100%，可以較為穩(wěn)定、有效地送出可再生能源的電力電量，提高輸出電能質(zhì)量。

結(jié)語

青海海西地區(qū)具備多能互補的基礎(chǔ)條件，本文針對太陽能光熱、抽水蓄能、光伏、風(fēng)電互補運行方式進行了分析和研究，充分利用光熱、抽水蓄能電站對光伏、風(fēng)電的補償作用，來削弱光伏、風(fēng)電不穩(wěn)定波動，更大地發(fā)揮了可再生能源的優(yōu)勢，對太陽能光熱與常規(guī)清潔能源的互補運行具有一定指導(dǎo)意義。

圖9 基地電源互補運行方式（較大代表日）

圖10 基地電源互補運行方式（平均代表日）

圖11 基地電源互補運行方式（較小代表日）

（作者單位：中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司）