基于自主調(diào)峰的工業(yè)園區(qū)綠色供電方案研究

羅 詠，陳 旭，熊 力

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

0 引 言

國家提出要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，并加強(qiáng)可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重的評(píng)價(jià)考核，將其納入地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展考核體系。內(nèi)蒙古自治區(qū)響應(yīng)國家號(hào)召，在新能源開發(fā)方面建立了多元化的并網(wǎng)機(jī)制，優(yōu)先支持市場(chǎng)化項(xiàng)目，保障工業(yè)園區(qū)綠色供電項(xiàng)目高質(zhì)量建設(shè)，推進(jìn)有新增負(fù)荷的園區(qū)綠色供電項(xiàng)目建設(shè)[1]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)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(jì)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(diǎn)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(dòng)全區(qū)風(fēng)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(chǎng)化并網(wǎng)消納項(xiàng)目。工業(yè)園區(qū)綠色供電項(xiàng)目是基于園區(qū)新增負(fù)荷用能水平和負(fù)荷特性配置一定規(guī)模的市場(chǎng)化新能源項(xiàng)目[2]，堅(jiān)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(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)某工業(yè)綠色供電項(xiàng)目為例，開展園區(qū)綠色供電方案研究。

興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)綠色供電項(xiàng)目符合現(xiàn)代能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向，符合新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于推進(jìn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)節(jié)能減排[3]，對(duì)興安盟雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。項(xiàng)目建成后可充分利用當(dāng)?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(shí)現(xiàn)園區(qū)低碳綠色用能，具有重大的示范意義。

1.2 項(xiàng)目建設(shè)條件

1.2.1 項(xiàng)目場(chǎng)址條件

項(xiàng)目位于興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)園區(qū)，采用風(fēng)電為園區(qū)進(jìn)行綠色供電[5]，并配置了一定規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)自主調(diào)峰[6]，風(fēng)電場(chǎng)址位于興安盟烏蘭浩特市境內(nèi)，避開了草原保護(hù)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(fēng)能資源條件

項(xiàng)目所以地烏蘭浩特市整體風(fēng)資源較好，本階段收集到擬規(guī)劃項(xiàng)目附近測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，該測(cè)風(fēng)塔海拔高度377 m，最高測(cè)風(fēng)高度120 m。從測(cè)風(fēng)高度代表性來看，測(cè)風(fēng)塔的最高測(cè)風(fēng)層為120 m，而本次推薦機(jī)型輪轂高度為110 m，測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)高度可以涵蓋輪轂高度，測(cè)風(fēng)高度代表性較好。通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的基本要素分析，場(chǎng)址區(qū)風(fēng)能資源分布特點(diǎn)和特性如下：

(1)風(fēng)能資源條件較好。本風(fēng)電場(chǎng)平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測(cè)風(fēng)塔110 m預(yù)裝輪轂高度代表年平均風(fēng)速分別為7.27 m/s，風(fēng)功率密度分別為412 W/m2。

(2)風(fēng)向較為穩(wěn)定。測(cè)風(fēng)塔輪轂高度風(fēng)向主要集中在WNW～N，總體以WNW方向?yàn)橹鳎黠L(fēng)能集中在WNW～NW，總體以WNW方向?yàn)橹?，主風(fēng)向與主風(fēng)能方向基本一致?？傮w而言，本風(fēng)電基地場(chǎng)址區(qū)域風(fēng)向集中，主導(dǎo)風(fēng)向明顯，基本以西北偏西風(fēng)為主。

(3)風(fēng)速年內(nèi)變化幅度較大，日內(nèi)變化幅度較大。測(cè)風(fēng)塔處在3月～5月風(fēng)速較大，6月～9月風(fēng)速相對(duì)較小。測(cè)風(fēng)塔年內(nèi)風(fēng)功率密度變化規(guī)律與風(fēng)速變化規(guī)律基本一致。平均風(fēng)功率密度與平均風(fēng)速在年內(nèi)變化幅度較大。各測(cè)風(fēng)塔19∶00～次日5∶00是全天風(fēng)速相對(duì)比較大的時(shí)段，其他時(shí)段小時(shí)平均風(fēng)速相對(duì)較?。伙L(fēng)功率密度日變化與風(fēng)速日變化規(guī)律基本一致，均為白天風(fēng)速相對(duì)較小，夜間風(fēng)速相對(duì)較大。

(4)湍流強(qiáng)度偏弱，風(fēng)切變指數(shù)較小。測(cè)風(fēng)塔在100 m處風(fēng)速為15 m/s時(shí)的平均湍流強(qiáng)度為0.092；代表湍流強(qiáng)度為0.138，湍流強(qiáng)度基本呈現(xiàn)隨高度增加而降低的規(guī)律。同時(shí)結(jié)合測(cè)風(fēng)塔100 m的有效風(fēng)速段代表湍流強(qiáng)度曲線基本位于IECB類曲線以下。按照IEC61400-1(2019)標(biāo)準(zhǔn)判斷測(cè)風(fēng)塔100 m及以上高度湍流強(qiáng)度屬于IECB類等級(jí)。測(cè)風(fēng)塔30 m及以上高度擬合風(fēng)切變指數(shù)為0.207，50 m及以上高度擬合風(fēng)切變指數(shù)為0.218。總體來看，本風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)址范圍風(fēng)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(xiàng)目負(fù)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(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)220 kV 8連變現(xiàn)有2臺(tái)180 MV·A主變，總?cè)萘?60 MV·A，現(xiàn)在負(fù)荷110 MW，新增負(fù)荷共131.9 MW，總負(fù)荷為241.9 MW，八連變具有新能源電站接入的能力，同時(shí)220 kV側(cè)也具有良好的間隔擴(kuò)容條件。

2 工業(yè)園區(qū)用電分析

興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)位于烏蘭浩特市境內(nèi)，重點(diǎn)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(fù)荷為開發(fā)區(qū)新增生產(chǎn)負(fù)荷，新增負(fù)荷為13.66萬kW，年用電量為11.39億kW·h。本項(xiàng)目新增用電負(fù)荷絕大部分為化工企業(yè)合成氨與尿酸項(xiàng)目二期工程生產(chǎn)負(fù)荷，根據(jù)化工負(fù)荷典型特性，并結(jié)合一期工程投產(chǎn)后的實(shí)際負(fù)荷情況，考慮二期工程用電負(fù)荷為24 h連續(xù)生產(chǎn)，正常方式下負(fù)荷始終保持在10萬kW穩(wěn)定運(yùn)行，最大用電負(fù)荷約12萬kW。每年檢修期約15 d，選擇新能源出力較小時(shí)段進(jìn)行檢修。本項(xiàng)目負(fù)荷涉及多家企業(yè)，主要用電負(fù)荷為化工項(xiàng)目二期工程，用電企業(yè)可靈活選擇檢修時(shí)間，為降低用電成本負(fù)荷企業(yè)將優(yōu)先選擇新能源出力較小的時(shí)段，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行輪停檢修。檢修方式下仍可保持園區(qū)新增負(fù)荷部分電力基本平衡。

3 綠色供電方案研究

3.1 負(fù)荷特性分析

興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)園區(qū)綠色供電項(xiàng)目用電負(fù)荷由公司新能源電站與電網(wǎng)共同承擔(dān)，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(fù)荷的總用電量11.39億kW·h，生產(chǎn)負(fù)荷用電曲線較為穩(wěn)定。用電負(fù)荷及檢修情況如表1所示。

表1 用電負(fù)荷及檢修情況

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

圖1 園區(qū)新增用電負(fù)荷年特性曲線

圖2 園區(qū)新增用電負(fù)荷典型日特性曲線

3.2 新能源出力特性分析

興安盟風(fēng)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(fēng)電年出力曲線

圖4 風(fēng)電四季典型日出力曲線

3.3 典型日生產(chǎn)運(yùn)行模擬

3.3.1 生產(chǎn)運(yùn)行模擬條件

園區(qū)最大用電負(fù)荷為13.66萬kW，年總消耗電量為11.39億kW·h。新能源裝機(jī)由于受土地資源約束，風(fēng)電裝機(jī)為16.875萬kW，儲(chǔ)能按總裝機(jī)規(guī)模的15%/4 h考慮。

3.3.2 運(yùn)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(xiàng)目實(shí)施細(xì)則(2022年版)》，配置儲(chǔ)能規(guī)模不低于新能源裝機(jī)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(fēng)儲(chǔ)荷耦合特性分析

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

圖5 風(fēng)儲(chǔ)荷耦合平衡全年8 760 h運(yùn)行曲線

本項(xiàng)目配置了15%/4 h的儲(chǔ)能裝置，配合建設(shè)的智能控制系統(tǒng)[9]，當(dāng)新能源出力超過園區(qū)最大負(fù)荷時(shí)刻多余電量部分存入儲(chǔ)能系統(tǒng)，部分棄電。到新能源出力較低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將存儲(chǔ)電量釋放，供園區(qū)用電負(fù)荷，減輕園區(qū)從電網(wǎng)購電壓力。實(shí)現(xiàn)園區(qū)用電綠色電能替代，通過儲(chǔ)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(chǔ)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(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能放電，后續(xù)新能源出力又升高大于負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能再放電，通過儲(chǔ)能充放電及棄電實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負(fù)荷曲線變化，保證風(fēng)儲(chǔ)荷系統(tǒng)從電網(wǎng)下電基本為穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)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(duì)較低，通過儲(chǔ)能對(duì)新能源出力進(jìn)行削峰填谷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負(fù)荷曲線變化，園區(qū)從電網(wǎng)下電量也是穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的自主調(diào)峰[12]。

經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目實(shí)施前后風(fēng)儲(chǔ)項(xiàng)目從電網(wǎng)購電峰谷差比例對(duì)比如表2所示。

表2 項(xiàng)目實(shí)施前后主網(wǎng)供電峰谷差比例對(duì)比

綜上所述，本項(xiàng)目新能源電量全部由新增負(fù)荷消納。項(xiàng)目實(shí)施后，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用以及采取部分棄電措施，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負(fù)荷曲線變化而變化[13]，從而保證風(fēng)儲(chǔ)荷系統(tǒng)從主網(wǎng)購電電力基本維持在相對(duì)穩(wěn)定值，項(xiàng)目實(shí)施后，四季典型日主網(wǎng)供電峰谷差比例相對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施前均有所下降，實(shí)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(xiàng)目配置了15%/4 h的儲(chǔ)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)峰，且分析時(shí)，考慮了多余電量棄電，不向電網(wǎng)反送電。

4 項(xiàng)目接入方案及消納分析

4.1 接入方案

根據(jù)本項(xiàng)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(jí)接入220 kV八連變。本方案中風(fēng)電場(chǎng)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(jī)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(duì)園區(qū)電量進(jìn)行分析計(jì)算：

本項(xiàng)目風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模168.75 MW，年發(fā)電量合計(jì)5.40億kW·h，儲(chǔ)能配置為新能源裝機(jī)規(guī)模15%/4 h，即25.3 MW/101.2 MW·h。

經(jīng)過對(duì)新能源出力及負(fù)荷8 760 h特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，新能源出力超過園區(qū)負(fù)荷小時(shí)數(shù)為952 h，該952 h新能源累計(jì)總發(fā)電量為1.202億kW·h，其中園區(qū)負(fù)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(chǔ)能，該部分電量需要全部棄掉，棄電率為1.50%。

配置15%/4 h儲(chǔ)能裝置后，儲(chǔ)能按最佳狀態(tài)工作，當(dāng)新能源出力超過園區(qū)負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能開始充電，若儲(chǔ)能充滿或者新能源出力下降低于園區(qū)負(fù)荷時(shí)則停止充電；當(dāng)新能源出力低于園區(qū)負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能開始放電，若儲(chǔ)能存儲(chǔ)電量全部放完或者新能源出力增大超過園區(qū)負(fù)荷時(shí)，則停止放電，經(jīng)對(duì)新能源出力及負(fù)荷8 760 h特性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，儲(chǔ)能投運(yùn)后可削峰填谷的電量累計(jì)為0.027億kW·h，則配置儲(chǔ)能后實(shí)際棄電量為0.053億kW·h，棄電率為0.99%，相對(duì)于不配置儲(chǔ)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(xiàng)目風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模168.75 MW，通過配置15%/4 h的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)自主調(diào)峰，不額外增加電網(wǎng)調(diào)峰壓力，同時(shí)園區(qū)綠電替代比例達(dá)到46.94%。

該項(xiàng)目用電負(fù)荷以化工負(fù)荷為主，負(fù)荷特性為24小時(shí)不間斷連續(xù)生產(chǎn)。根據(jù)全年8 760 h風(fēng)光荷儲(chǔ)耦合分析結(jié)果，該項(xiàng)目新能源棄電率為0.99%。該項(xiàng)目風(fēng)電建設(shè)成本較低，可達(dá)到4.5元/W，考慮棄電后項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率仍可達(dá)到15.17%。考慮到興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)近年來發(fā)展勢(shì)頭良好，負(fù)荷增長(zhǎng)仍有較大空間。隨著園區(qū)內(nèi)新用電項(xiàng)目落地，消納條件可進(jìn)一步改善?；谝陨戏治觯u(píng)估認(rèn)為該項(xiàng)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(duì)興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)的新增負(fù)荷情況進(jìn)行了分析研究，結(jié)合負(fù)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(xiàng)目所在地風(fēng)能資源豐富，年有效風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的基本要素分析，場(chǎng)址區(qū)風(fēng)能資源條件較好，平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測(cè)風(fēng)塔110 m預(yù)裝輪轂高度代表年平均風(fēng)速分別為7.27 m/s，風(fēng)功率密度分別為412 W/m2。風(fēng)向集中，主導(dǎo)風(fēng)向明顯，風(fēng)速年內(nèi)變化幅度較大，日內(nèi)變化幅度較大。湍流強(qiáng)度偏弱，風(fēng)切變指數(shù)較小，適宜采用常規(guī)輪轂高度。

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

(3)項(xiàng)目風(fēng)電裝機(jī)為16.875萬kW，儲(chǔ)能按總裝機(jī)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)峰，且分析時(shí)，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(fēng)儲(chǔ)荷耦合特性分析，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用以及采取部分棄電措施，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)出力基本跟隨園區(qū)負(fù)荷曲線變化而變化，從而保證風(fēng)儲(chǔ)荷系統(tǒng)從主網(wǎng)購電電力基本維持在相對(duì)穩(wěn)定值，項(xiàng)目實(shí)施后，四季典型日主網(wǎng)供電峰谷差比例相對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施前均有所下降，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主調(diào)峰，不增加主網(wǎng)調(diào)峰峰谷差比例。