“雙碳”目標(biāo)下基于抽水蓄能的多能互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與研究

鹿 優(yōu)，楊 帆

（1．國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東省泰安市 271000；2．山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000）

0 引言

中國在聯(lián)合國大會上莊嚴(yán)承諾“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”?！半p碳”[1]目標(biāo)既彰顯了推動構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也體現(xiàn)了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求。“雙碳”目標(biāo)是加快生態(tài)文明建設(shè)和實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手，“十四五”時期是碳達峰的窗口期和關(guān)鍵期，提高清潔能源[2]占比，降低化石能源消耗，是減少碳排放的關(guān)鍵，要構(gòu)建以“綠色低碳、安全可靠、廣泛互聯(lián)、高效互動、智能開放”為特征的新型電力系統(tǒng)[3]，建設(shè)一批多能互補[4]的清潔能源基地，進一步提升電力系統(tǒng)對清潔能源的消納能力，持續(xù)壓減電力系統(tǒng)的二氧化碳排放量。

1 設(shè)計思路分析

1.1 形勢與問題分析

“雙碳”目標(biāo)下，清潔能源發(fā)電將堅持分布式和集中式并舉，加快發(fā)展東中部分布式能源[5]，著力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模。清潔能源發(fā)電裝機規(guī)模在2025年、2030年、2035年預(yù)計將分別達到10.3億、16.5億、24.5億kW，發(fā)電量占比將升至18%、22%、31%，逐漸成為電力供應(yīng)主體。清潔能源發(fā)電的跨越式增長也為電力系統(tǒng)安全可靠運行帶來巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)電、光伏發(fā)電的出力具有反調(diào)峰[6]特性，大規(guī)模并網(wǎng)使系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻調(diào)壓矛盾突出，電網(wǎng)調(diào)控的難度明顯增大。清潔能源發(fā)電出力的不確定性、波動性、間歇性和隨機性將影響負(fù)荷高峰期電力供應(yīng)，電力系統(tǒng)調(diào)峰需求與日俱增。抽水蓄能電站[7]作為電力系統(tǒng)中的一種特殊電源，在電網(wǎng)中承擔(dān)頂峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動、事故備用等任務(wù)，具有可靠性強、容量大、啟停速度快、無污染等特點，應(yīng)充分發(fā)揮抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用，與清潔能源發(fā)電共同形成穩(wěn)定的輸出，實現(xiàn)多能互補，提升清潔能源發(fā)電的經(jīng)濟性和綜合效益。

1.2 研究現(xiàn)狀和總體思路

關(guān)于多能互補的研究，文獻[8]闡述了清潔能源的發(fā)展、特點以及多種能源互補技術(shù)的工作原理，并提出這種能源利用方式的控制策略及應(yīng)用前景。文獻[9]基于對多種清潔能源的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)況調(diào)研以及現(xiàn)有抽水蓄能電站理念，提出了一個多能互補發(fā)電體系的理念，并對該系統(tǒng)做出了評價，討論了可靠性。文獻[10]提出了風(fēng)電、光伏發(fā)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行的基本結(jié)構(gòu)，探討了一個小型試點項目的選址規(guī)劃、建設(shè)規(guī)模，模擬了聯(lián)合運行的模式，論證了該模式的可行性和推廣價值。由此可見，目前對于風(fēng)電、光伏和抽水蓄能的聯(lián)合運行已有一定的研究，但沒有契合清潔能源的發(fā)展趨勢和需求做出進一步探討，缺乏對多能互補發(fā)電系統(tǒng)工作模式數(shù)據(jù)化、圖形化的分析研判。本文將結(jié)合能源發(fā)展的新形勢和新要求，提出一種基于抽水蓄能的多能互補發(fā)電系統(tǒng)，并將系統(tǒng)輸出設(shè)為恒定，且具備一定調(diào)節(jié)能力，以降低清潔能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響和電網(wǎng)調(diào)控運行的難度，明確系統(tǒng)輸出的數(shù)學(xué)模型，以案例推演系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，以圖形分析系統(tǒng)工作模式，驗證設(shè)計的可行性，為“雙碳”目標(biāo)下清潔能源的大規(guī)模開發(fā)利用提供導(dǎo)向。

2 多能互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與作用分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架及運行方式

多能互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由風(fēng)力電站、光伏電站、控制器、儲能電站[11]、抽水蓄能電站按照一定聯(lián)接方式構(gòu)成，在清潔能源發(fā)電體系中引入抽水蓄能電站，旨在發(fā)揮其頂峰填谷作用，平抑清潔能源發(fā)電出力，將原本間歇、波動的風(fēng)電、光伏電源通過抽水蓄能轉(zhuǎn)化為可調(diào)、可控的穩(wěn)定電源，實現(xiàn)系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)荷需求，向電網(wǎng)的輸出功率保持恒定。多能互補發(fā)電系統(tǒng)運行方式為：該系統(tǒng)中的風(fēng)力電站、光伏電站分別將風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為電能，控制器將清潔能源發(fā)電合計為聯(lián)合出力并進行評估，如果聯(lián)合出力小于系統(tǒng)輸出功率，啟動抽水蓄能電站發(fā)電機組補足系統(tǒng)輸出功率；如果聯(lián)合出力大于系統(tǒng)輸出功率，在儲能電站的配合下，將多余的出力作為抽水蓄能電站抽水機組的入力，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能加以儲存。此外，本系統(tǒng)中的抽水蓄能電站還可以作為電網(wǎng)調(diào)控的重要資源，直接按照上級調(diào)度中心指令，參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，所以抽水機組的入力既可以由清潔能源發(fā)電提供，也可以由負(fù)荷低谷期的電網(wǎng)輸入。

圖1 多能互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Multi-energy complementary power generation system structure

2.2 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

該系統(tǒng)消納風(fēng)能、太陽能，轉(zhuǎn)化為電能，儲存為電化學(xué)能和水的勢能，整體向電網(wǎng)輸送穩(wěn)定電能，實現(xiàn)多能互補，將顯著增強電力系統(tǒng)對清潔能源的消納能力，一定程度上降低棄風(fēng)棄光率[12]。風(fēng)電、光伏發(fā)電可作為抽水蓄能電站黑啟動或廠用電備用電源，電化學(xué)儲能能夠極大縮短抽水蓄能的工況轉(zhuǎn)換時間，大幅提升響應(yīng)速度，所以該系統(tǒng)具有較高可靠性、靈敏度以及較強的綜合調(diào)節(jié)能力，能夠提高并網(wǎng)和供電的可靠性。此外，抽水蓄能和通過逆變器的電化學(xué)儲能均能夠獨立輸出無功，滿足電網(wǎng)的電壓與功率補償需求。

2.3 系統(tǒng)輸出功率約束條件

根據(jù)上述多能互補發(fā)電方式可知，控制器聯(lián)接著該系統(tǒng)中的發(fā)電組件和儲能組件，處于系統(tǒng)的核心位置，決定了系統(tǒng)整體的輸出，系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)符合以下約束條件：

式中：Pout——多能互補系統(tǒng)整體輸出功率；

Pwind——風(fēng)力發(fā)電輸出功率；

Ppv——光伏發(fā)電輸出功率；

Phydro——抽水蓄能機組發(fā)電輸出功率；

Ppump——抽水蓄能機組抽水輸入功率；

Pstore——儲能電池充電輸入功率。

系統(tǒng)輸出功率約束條件以表達式的形式概括了多能互補發(fā)電系統(tǒng)運行方式，從式（1）中可知，系統(tǒng)輸出功率來源于風(fēng)光聯(lián)合出力以及抽水蓄能發(fā)電機組出力，多余部分用于抽水蓄能以及電池儲能，值得注意的是，實際運行過程中抽水蓄能機組發(fā)電與抽水通常不會同時進行，所以要研判多能互補發(fā)電系統(tǒng)工作模式，需要通過具體實例進行推演。

3 多能互補發(fā)電系統(tǒng)運行模擬研究

3.1 試點系統(tǒng)搭建

根據(jù)多能互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架，搭建試點系統(tǒng)。設(shè)定該試點系統(tǒng)中風(fēng)力電站裝機容量為100MW，光伏電站裝機容量為50MW，由于系統(tǒng)中抽水蓄能電站和儲能電站主要發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，所以出于經(jīng)濟性的考慮，抽水蓄能電站和儲能電站總體容量應(yīng)介于風(fēng)電、光伏發(fā)電兩者容量的最大值和最小值之間。如果抽水蓄能電站裝機容量為60MW，采用4臺15MW可逆式水泵水輪機[13]，且單臺運行在水泵工況下最大輸入功率約為15MW。如果儲能電站蓄電池容量為30MW/120MWh，設(shè)定根據(jù)負(fù)荷需求，多能互補發(fā)電系統(tǒng)需向電網(wǎng)穩(wěn)定供電，輸出功率恒定為60MW。

3.2 系統(tǒng)工作模式推演

多能互補發(fā)電系統(tǒng)的工作模式主要可分為4種，運行數(shù)據(jù)如表1所示。系統(tǒng)處于模式1時，風(fēng)電、光伏發(fā)電的聯(lián)合出力小于60MW，不足以支撐系統(tǒng)整體輸出功率，為維持60MW的穩(wěn)定輸出，抽水蓄能機組工作于水輪機工況，根據(jù)風(fēng)光聯(lián)合出力情況，循序啟動4臺機組發(fā)電，利用發(fā)電調(diào)節(jié)，補充輸出功率缺口。系統(tǒng)處于模式2時，風(fēng)電、光伏發(fā)電的聯(lián)合出力滿足系統(tǒng)輸出功率，但無法達到抽水蓄能機組水泵工況下單臺抽水額定功率，則在保證系統(tǒng)穩(wěn)定輸出60MW的同時，剩余電能向儲能電池充電。系統(tǒng)處于模式3時，風(fēng)電、光伏發(fā)電的聯(lián)合出力較高，滿足系統(tǒng)輸出功率，且達到水泵工況下機組抽水額定功率，根據(jù)風(fēng)光聯(lián)合出力情況，在儲能電池的配合下，循序啟動4臺機組抽水，將剩余電能大部分轉(zhuǎn)化為水的勢能，少部分向儲能電池充電。系統(tǒng)處于模式4時，風(fēng)電、光伏發(fā)電的聯(lián)合出力持續(xù)升高，甚至接近滿發(fā)功率，滿足系統(tǒng)輸出功率，滿足4臺機組抽水額定功率，4臺機組全部工作在水泵工況下，將多余電能轉(zhuǎn)化為水的勢能，剩余電能向儲能電池充電。通過上述針對多能互補發(fā)電系統(tǒng)工作模式的推演，可見系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出恒定功率，增強向電網(wǎng)供電的可靠性。

表1 多能互補系統(tǒng)工作模式Table 1 Multi-energy complementary system working mode

3.3 系統(tǒng)運行過程分析

由于風(fēng)力、光照強度與地理條件有關(guān)，且隨時間、天氣、季節(jié)符合一定變化規(guī)律，所以分析系統(tǒng)運行過程要結(jié)合實際地域環(huán)境。設(shè)定搭建的多能互補發(fā)電試點系統(tǒng)位于我國西北地區(qū)，該地區(qū)風(fēng)能、太陽能儲量較為豐富。以24h為研究周期，選取典型的一天，采集多能互補發(fā)電試點系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏發(fā)電的輸出功率并繪制曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，該地區(qū)當(dāng)日夜間風(fēng)力較大，風(fēng)電輸出功率滿足系統(tǒng)輸出后會有剩余，黎明以后風(fēng)力明顯減弱，至午后有所回升，持續(xù)時間不長，傍晚漸弱，入夜后風(fēng)力持續(xù)增強并保持較高輸出功率。光伏發(fā)電輸出功率由日照強度決定，在日照充足的白天幾乎呈現(xiàn)正態(tài)分布，夜間無輸出。對比以上特點可知，風(fēng)電、光伏發(fā)電在時間上存在較大互補性，一定程度上保障了多能互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出不間斷，然而在圖2中也可看出，風(fēng)光聯(lián)合出力不穩(wěn)定，存在較大波動，直接并網(wǎng)將對系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，增加電網(wǎng)調(diào)控難度。

圖2 風(fēng)電、光伏發(fā)電24h典型變化及風(fēng)光聯(lián)合輸出功率曲線Figure 2 Typical variation and combined output power curve of wind power and pv power in 24 hours

經(jīng)抽水蓄能電站調(diào)節(jié)后，多能互補發(fā)電系統(tǒng)24h功率變化曲線如圖3所示。按照時間順序分析系統(tǒng)運行過程，該日1時段至6時段，系統(tǒng)工作于模式3，風(fēng)光聯(lián)合出力較高，系統(tǒng)輸出后剩余功率用于抽水蓄能和儲能充電，其中在1時段、4時段、6時段啟動1臺機組抽水，在2時段、3時段、5時段啟動2臺機組抽水；該日7時段，系統(tǒng)工作于模式2，風(fēng)光聯(lián)合出力滿足系統(tǒng)輸出后，剩余功率無法啟動抽水，但可以儲能充電；該日8時段至11時段，系統(tǒng)工作于模式1，風(fēng)光聯(lián)合出力不足以支撐系統(tǒng)輸出，啟動蓄能機組發(fā)電，補足功率缺口，其中，在8時段、11時段啟動1臺機組發(fā)電，在9時段、10時段啟動2臺機組發(fā)電；該日12時段至13時段，系統(tǒng)工作于模式2，光伏出力達到24小時內(nèi)的峰值，風(fēng)電出力較低，風(fēng)光聯(lián)合出力雖能滿足系統(tǒng)輸出，但剩余功率僅供儲能充電；該日14時段至15時段，系統(tǒng)工作于模式3，光伏出力呈下降趨勢，風(fēng)電有所回升，風(fēng)光聯(lián)合出力滿足系統(tǒng)輸出和抽水的條件，啟動1臺機組抽水；該日16時段至21時段，系統(tǒng)工作于模式1，風(fēng)光聯(lián)合出力出現(xiàn)低谷，系統(tǒng)為保證輸出啟動蓄能機組發(fā)電，其中在17時段至19時段需要3臺機組發(fā)電；該日22時段至24時段，系統(tǒng)工作于模式3，隨著夜間風(fēng)力加強，風(fēng)電出力顯著升高，系統(tǒng)輸出后可在儲能電站配合下啟動1臺機組抽水蓄能。

圖3 多能互補發(fā)電系統(tǒng)24h功率變化曲線Figure 3 24-hour power variation curve of multi-energy complementary power generation system

根據(jù)上述分析和圖中功率變化曲線可知，多能互補發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)光聯(lián)合出力通過抽水蓄能電站，在儲能電站配合下進行內(nèi)部調(diào)節(jié)，在24h的周期內(nèi)“兩發(fā)兩抽”，平抑了風(fēng)光聯(lián)合出力的波動，根據(jù)符合需求，保持了恒定的輸出功率，向電網(wǎng)穩(wěn)定供電。該系統(tǒng)的構(gòu)建為清潔能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)提供了導(dǎo)向。

4 多能互補發(fā)電系統(tǒng)效益及構(gòu)建途徑分析

4.1 生態(tài)文明建設(shè)效益分析

清潔能源發(fā)電將是未來電力供應(yīng)的主體，風(fēng)能、太陽能均為可再生的自然資源，且儲量豐富，多能互補發(fā)電系統(tǒng)利用清潔能源發(fā)電能夠有效降低溫室氣體以及污染物排放，既符合新型電力系統(tǒng)清潔低碳的特征，也符合生態(tài)文明建設(shè)要求，構(gòu)建了一條綠色的能源供應(yīng)鏈條，環(huán)保效益優(yōu)良。系統(tǒng)無須外部電源接入，在向電網(wǎng)穩(wěn)定輸出的同時也能滿足自身用電需求，實現(xiàn)二氧化碳零排放。由于系統(tǒng)出力穩(wěn)定，可在大電網(wǎng)中代替部分火電出力，以降低電力系統(tǒng)整體的碳排放，能夠作為一種非化石能源發(fā)電方式，在逐步代替化石能源發(fā)電的進程中發(fā)揮示范作用，積極助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

4.2 構(gòu)建途徑及電網(wǎng)穩(wěn)定運行效益分析

為持續(xù)提升清潔能源開發(fā)規(guī)模和利用效率，新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出小微型智能電力系統(tǒng)與特大型電力系統(tǒng)并列發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)能源分布狀況，清潔能源在西部、北部持續(xù)集約化開發(fā)的同時，還將加快東中部分布式開發(fā)，其中，風(fēng)電的海上開發(fā)陸續(xù)展開，太陽能的發(fā)電規(guī)模將逐步超過風(fēng)電，抽水蓄能也在中長期發(fā)展規(guī)劃中提出要因地制宜開展中小蓄能建設(shè)。綜合上述發(fā)展趨勢，建設(shè)一批多能互補的清潔能源基地符合國民經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，符合“雙碳”目標(biāo)要求，可通過兩種途徑構(gòu)建，一是在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上升級改造；二是按照發(fā)展規(guī)劃新建、試點和定型。

第一，在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上升級改造。第一種情況，為現(xiàn)有抽水蓄能電站配置風(fēng)光儲等組件。抽水蓄能電站通常選址于海拔差距明顯且場地資源充足的地區(qū)，為風(fēng)光資源接入提供良好條件，可在海拔較高的上水庫周邊部署風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利用山體向陽面的采光優(yōu)勢部署光伏發(fā)電系統(tǒng)，在廠區(qū)周邊部署儲能電站和控制器，完成線纜敷設(shè)和控制系統(tǒng)升級。對于大型抽水蓄能電站，清潔能源發(fā)電可作為其水泵工況下的抽水入力，無須從電網(wǎng)購電抽水，清潔能源接入可以提升抽水蓄能工況轉(zhuǎn)換響應(yīng)速度，綜合性能將有較大提升。第二種情況，為現(xiàn)有大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地配置抽水蓄能電站和儲能電站。大型清潔能源發(fā)電基地主要位于西北和東北各省，本地負(fù)荷較低，屬于特高壓送端[14]區(qū)域，在其周圍選址建設(shè)抽水蓄能電站與儲能電站，與當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉窗l(fā)電聯(lián)合運行構(gòu)成多能互補發(fā)電系統(tǒng)，可有效減輕清潔能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，提高并網(wǎng)率和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

第二，新建分布式多能互補發(fā)電系統(tǒng)。沿海地區(qū)、近海島嶼的風(fēng)光等清潔資源豐富，亟待開發(fā)，且距離負(fù)荷中心較近，可建設(shè)中小型多能互補發(fā)電系統(tǒng)，由若干小微型多能互補發(fā)電系統(tǒng)形成清潔能源發(fā)電群落，既能夠就近滿足本地負(fù)荷需求，也可以緩解負(fù)荷中心用電需求，通過有功調(diào)節(jié)和無功補償，增強電網(wǎng)靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，保證電壓和頻率穩(wěn)定，保障負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)安全。

5 結(jié)束語

“雙碳”目標(biāo)下，清潔能源將迎來跨越式發(fā)展，本文設(shè)計了多能互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)架，推演了系統(tǒng)工作模式，分析了系統(tǒng)運行過程，論證了該系統(tǒng)能夠發(fā)揮抽水蓄能的調(diào)節(jié)能力，在電化學(xué)儲能的配合下，平抑風(fēng)電、光伏出力的波動，穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出，為構(gòu)建以可再生能源為主體的能源供應(yīng)體系提供導(dǎo)向和支撐。此外，可考慮兩種極限狀態(tài)，一是風(fēng)光出力高，既滿足系統(tǒng)對外輸出，又滿足機組抽水條件，且上水庫已蓄滿，儲能電池已浮充，面臨棄風(fēng)棄光；二是風(fēng)光出力低，蓄能機組發(fā)電補充系統(tǒng)輸出，上水庫水量不足，儲能電池也不足以支持系統(tǒng)輸出功率，將無法并網(wǎng)。如何配置多能互補發(fā)電系統(tǒng)各部分容量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益最優(yōu)，將作為下一步的研究方向。