新疆新能源消納研究

閆廣新

中國能源建設(shè)集團(tuán) 新疆電力設(shè)計院有限公司 烏魯木齊 830001

1 新疆新能源發(fā)展概況

能源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),能源安全是國家安全的重要組成部分。在人類共同應(yīng)對全球氣候變化的大背景下,世界各國紛紛制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,提出更高的能效目標(biāo),制定更加積極的低碳政策,推動新能源發(fā)展,加大溫室氣體減排力度。由于風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的特性,大規(guī)模并入電網(wǎng)會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重的沖擊,而大規(guī)模儲能系統(tǒng)可有效實現(xiàn)新能源發(fā)電的調(diào)幅調(diào)頻、平滑輸出、跟蹤計劃發(fā)電,從而減小新能源發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊,提高電網(wǎng)對新能源發(fā)電的消納能力,有效地解決棄風(fēng)、棄光問題。

新疆風(fēng)能資源、太陽能資源豐富,近幾年,風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)比重迅速增大,承擔(dān)主要調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)的火電機(jī)組比重逐年下降,冬季供暖期長達(dá)六個月,冬季新能源發(fā)電豐期與供熱期疊加,造成電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻異常困難。隨著近年來儲能技術(shù),特別是電化學(xué)儲能技術(shù)的日益成熟,建設(shè)大型儲能電站并參與調(diào)峰、調(diào)頻運行,已經(jīng)是解決調(diào)峰、調(diào)頻問題的必然選擇。同時,建設(shè)大型儲能電站也是降低棄風(fēng)、棄光率的有效手段[1]。

近幾年,隨著新疆新能源基地的建設(shè),新能源規(guī)模化逐年增大,裝機(jī)占比已經(jīng)超過三分之一。截至2018年底,新疆新能源總裝機(jī)容量為28 717 MW,其中,風(fēng)電為19 201 MW,光伏為9 516 MW,見表1。

表1 新疆新能源裝機(jī)容量統(tǒng)計

2 新能源消納情況

2.1 年度新能源消納情況

新疆新能源的大規(guī)模開發(fā)為促進(jìn)自治區(qū)節(jié)能減排、推動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了十分重要的作用,但由于新能源出力隨機(jī)性特性,同時受經(jīng)濟(jì)下行而造成用電負(fù)荷增速下降、調(diào)峰電源不足等多重因素影響,隨著大批新能源規(guī)?；尤?棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象較為嚴(yán)重。新能源棄電比如圖1所示,2016年棄風(fēng)比最高達(dá)到38.4%,棄光比最高達(dá)到31.8%。隨著新能源消納多措并舉的綜合實施,如自備電廠替代交易、跨省跨區(qū)交易、火電靈活性改造、推進(jìn)清潔供暖等,棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象得到一定程度的緩解,至2018年,棄風(fēng)比達(dá)22.9%,棄光比達(dá)15.5%。

圖1 2015年—2018年新能源年棄電比

2.2 月度新能源消納情況

新疆電網(wǎng)主要依靠火電進(jìn)行調(diào)峰,在進(jìn)入冬季后大量供熱機(jī)組需承擔(dān)供熱任務(wù),調(diào)峰能力大幅下降,冬季新能源消納形勢要弱于夏季。風(fēng)電逐月棄風(fēng)比如圖2所示,2017年供熱期2月的棄風(fēng)比最大,為40.7%,2018年棄風(fēng)比最大為37.9%。光伏逐月棄光比如圖3所示,2017年供熱期2月的棄光比最大,為46.5%,2018年棄光比最大為24.2%。

3 風(fēng)電出力特性分析

3.1 年出力特性

根據(jù)新疆已投運風(fēng)電場的樣板機(jī)出力實測數(shù)據(jù),風(fēng)電發(fā)電量呈現(xiàn)一定的季節(jié)特性[2-3],如圖4所示,12月至翌年4月,風(fēng)電平均出力較大,7—9月風(fēng)電平均出力較小。

圖2 2017年—2018年風(fēng)電逐月棄風(fēng)比

圖3 2017年—2018年光伏逐月棄光比

圖4 新疆風(fēng)電可發(fā)電量月度分布

3.2 總體出力概率分布

由于風(fēng)電出力存在著明顯的間歇性和不確定性,其出力會在任何時刻因風(fēng)速的改變而變化。隨著風(fēng)電基地區(qū)域面積的增大,風(fēng)速變化趨于平穩(wěn),會在一定程度上削弱整體出力的間歇性和不確定性。如圖5所示,新疆風(fēng)電整體出力特性向風(fēng)電的平均出力區(qū)間集中,極大和極小出力的概率都有所下降。

3.3 日出力特性

根據(jù)圖6可以看出,新疆風(fēng)電各時段出力概率分布較為平均,相對而言,夜間1時～6時、12時～17時風(fēng)電發(fā)電量較高,7時～9時、20時～23時風(fēng)電發(fā)電量較低。

圖5 新疆風(fēng)電全年出力概率分布

圖6 新疆風(fēng)電各時段出力概率分布

4 光伏出力特性分析

根據(jù)圖7所示新疆已投運光伏可發(fā)電量月度分布,光伏發(fā)電量呈現(xiàn)顯著的季節(jié)特性,5月—10月的太陽能可發(fā)電量較大,發(fā)電量占比最大月份為7月、8月,可發(fā)電量是最小月份1月的約2.5倍。

圖7 新疆光伏可發(fā)電量月度分布

新疆光伏典型日出力率如圖8所示,夏季,光伏發(fā)電的有效時間一般為7時～21時,光伏發(fā)電的最大出力率能達(dá)到65%以上;冬季,光伏發(fā)電的有效時間一般為9時～19時,光伏的最大出力率一般小于40%。但在全年各月內(nèi),光伏發(fā)電的出力會受到氣象的影響,仍然具有較大的波動性和不確定。

5 電化學(xué)儲能技術(shù)

在“十四五”期間,新疆新能源發(fā)電裝機(jī)占比較大,造成電網(wǎng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足,需要建設(shè)一定規(guī)模的儲能電站,發(fā)揮其削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、調(diào)頻調(diào)壓、熱備用、電能質(zhì)量提升等功能,以提高電網(wǎng)對新能源的消納能力。但是,抽水蓄能電站對場址自然條件要求較高,通常只能借助合適的地形建設(shè),且建設(shè)周期較長。目前新疆規(guī)劃建設(shè)兩座抽水蓄能電站,其中在建的準(zhǔn)東抽水蓄能電站計劃2024年建成投運,哈密抽水蓄能電站計劃2025年以后投運,這些還遠(yuǎn)不能解決新疆電網(wǎng)調(diào)峰電源容量缺額嚴(yán)重的問題。而電化學(xué)儲能技術(shù)具有能量密度高、響應(yīng)時間快、維護(hù)成本低、靈活方便等優(yōu)點,建設(shè)規(guī)模可以達(dá)到百千瓦至百兆瓦,既適用于電力系統(tǒng)分散式儲能,也適合于構(gòu)建大規(guī)模電化學(xué)儲能電站。參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻,是目前國內(nèi)外電力系統(tǒng)儲能行業(yè)發(fā)展的焦點,而且隨著儲能示范項目運行經(jīng)驗不斷積累,技術(shù)創(chuàng)新不斷提升,將為儲能成本下降創(chuàng)造有利條件,電化學(xué)儲能將在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)、電力輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)需求響應(yīng)等領(lǐng)域出現(xiàn)市場機(jī)會和商業(yè)化模式,顯示出重要價值和廣闊前景[4]。

圖8 新疆光伏夏季、冬季典型日出力率曲線

電化學(xué)儲能主要包括鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池和液流電池等[5-7],相比于物理儲能具備系統(tǒng)簡單、安裝便捷、運行方式靈活等優(yōu)點。

5.1 鉛酸電池

鉛酸電池是以鉛及其氧化物為電極、硫酸溶液為電解液的一種可充放電循環(huán)電池,具有技術(shù)成熟、性價比高、可靠性高、大電流性能好等優(yōu)點,目前已經(jīng)成為交通運輸、國防、通信、電力等各個部門最為成熟和應(yīng)用最為廣泛的電源技術(shù)之一。但是鉛酸電池循環(huán)壽命短,能量密度低,使用溫度范圍窄,充電速度慢,過充電容易放出氣體,加之鉛為重金屬,對環(huán)境影響大,使其在后期的應(yīng)用和發(fā)展受到了很大的限制。

5.2 鈉硫電池

鈉硫電池是以金屬鈉和液態(tài)硫為活性物質(zhì),工作在300～350 ℃的高溫型儲能電池,原材料儲量豐富,成本較低,具有儲能密度高、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點,適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻。但是,鈉硫電池最大的缺點是要在高溫下運行,高溫、腐蝕問題是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙之一,另外,鈉硫電池放電深度較小,不能在線測量電池的荷電狀態(tài),在電網(wǎng)智能化的今天,限制了其應(yīng)用場景,研究熱度在逐漸下降。

5.3 鋰電池

鋰電池根據(jù)材料不同可以分為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、三元鋰等。相比于其它電池,鋰電池具有循環(huán)壽命較長、能量密度高(鈷酸鋰高達(dá)220 Wh/kg)、充放電倍率較高、成本持續(xù)下降、能夠快速充放電等優(yōu)點,特別適用于電動汽車等移動式儲能方式,近年來,鋰電池儲能已被廣泛應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻領(lǐng)域,并逐步占據(jù)主要市場。

5.4 液流電池

液流電池是通過正負(fù)極活性物質(zhì)在惰性電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而完成能量存儲與釋放的一類電池,目前比較成熟的液流電池技術(shù)包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池和多硫化物/溴液流電池。液流電池具有響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長、安全穩(wěn)定性最強(qiáng)等優(yōu)點,其中全釩液流電池儲能是最成熟的儲能技術(shù)之一,在國內(nèi)已經(jīng)有很多大型示范工程。

6 新疆新能源發(fā)展規(guī)劃

6.1 風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃

新疆地處多風(fēng)區(qū),其獨特的地理環(huán)境造就了風(fēng)向風(fēng)速分布的多樣性。新疆的九大風(fēng)區(qū)多處于戈壁上,地形平坦,可開發(fā)面積大,建場條件優(yōu)越;年平均風(fēng)功率密度均在150 W/m2以上,有效風(fēng)速小時數(shù)在5 500 h以上,具備建設(shè)大型風(fēng)電場的條件。根據(jù)新疆電力中長期規(guī)劃,至“十四五”末,新疆風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模可達(dá)42 330 MW,其中直流外送配套為19 030 MW。

6.2 光伏發(fā)展規(guī)劃

新疆全年日照時間較長,日照百分比為60%～80%,全疆日照6 h以上的天數(shù)在250～325 d,年總?cè)照諘r數(shù)達(dá)2 550～3 500 h,太陽年輻射照度為5 500～6 600 MJ/m2,年平均值為580 J/m2,居全國第二位,具有很大的資源開發(fā)潛力。根據(jù)新疆電力中長期規(guī)劃,至“十四五”末,新疆光伏發(fā)電總裝機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)20 550 MW,其中直流外送配套5 750 MW。

7 新疆調(diào)峰容量需求分析

根據(jù)新疆電網(wǎng)冬季典型日負(fù)荷特性,考慮火電、水電、抽水蓄能等電源的調(diào)峰能力,從而最終確定電網(wǎng)需要新增的調(diào)峰容量需求[8-10]。

計算分析邊界條件:① 選擇水平年2025年,冬季枯水期、供熱期,調(diào)峰需求最大的季節(jié)進(jìn)行計算分析;② 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量按全社會最大負(fù)荷8%考慮;③ 枯水期間庫容的水電機(jī)組主要參與調(diào)峰;④ 抽水蓄能機(jī)組考慮調(diào)峰填谷后,調(diào)峰能力按裝機(jī)容量的兩倍考慮;⑤ 風(fēng)電反調(diào)峰深度根據(jù)出力特性分析,最大按72%考慮;⑥ 考慮到自備電廠通過替代交易消納新能源部分電量,以及部分供熱機(jī)組實施靈活性改造,筆者測算中火電機(jī)組的綜合調(diào)峰因數(shù)按0.35考慮。

根據(jù)上述邊界條件計算結(jié)果見表2。由表2可知,新疆電網(wǎng)2025年仍需要新增調(diào)峰電源容量6 120 MW,調(diào)峰壓力依然嚴(yán)峻。

表2 2025年冬季調(diào)峰容量需求

8 結(jié)束語

筆者在分析新疆新能源消納現(xiàn)狀、出力特性的基礎(chǔ)上,對新疆電網(wǎng)“十四五”調(diào)峰容量需求進(jìn)行了計算分析,由于新疆主要由火電承擔(dān)調(diào)峰任務(wù),調(diào)峰問題將隨著新能源裝機(jī)容量的增長愈發(fā)嚴(yán)峻。除新疆計劃投資的抽水蓄能電站之外,仍需要建設(shè)一定規(guī)模的集中式電化學(xué)儲能,提升新疆電網(wǎng)的調(diào)峰能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平,為風(fēng)電、光伏等新能源開發(fā)消納提供堅強(qiáng)支撐,擴(kuò)大新能源消納范圍,提高新能源利用效率,促進(jìn)新能源的健康、持續(xù)發(fā)展。