孫 雷，肖景良，李東野，楊明煜

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

2016年3月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征。2016年7月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見，指出多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程(以下簡稱“多能互補(bǔ)示范工程”)的建設(shè)和推廣是構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)的一項(xiàng)重要舉措，能夠有效推動能源清潔生產(chǎn)和就近消納，減少棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象，促進(jìn)可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率、落實(shí)節(jié)能減排的有效手段，對于建設(shè)清潔低碳的現(xiàn)代能源體系具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 多能互補(bǔ)示范工程概述

多能互補(bǔ)示范工程主要有能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)和終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)2種運(yùn)行模式。

能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)又稱風(fēng)光水火儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)。利用大型綜合能源基地中風(fēng)能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢，充分發(fā)揮具有靈活調(diào)節(jié)性能火電機(jī)組的調(diào)峰能力，提升電力系統(tǒng)消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的能力，通過系統(tǒng)內(nèi)集控中心的統(tǒng)一調(diào)度［1］，將多能互補(bǔ)系統(tǒng)整體上等效為出力相對平穩(wěn)的“虛擬火電廠”，使外部電網(wǎng)對系統(tǒng)出力可預(yù)估。大型能源基地一般距離用能終端較遠(yuǎn)，而熱能難以大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送［2］，故此類多能互補(bǔ)系統(tǒng)通常只承擔(dān)供電的任務(wù)。

終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)，在新城鎮(zhèn)、新產(chǎn)業(yè)園區(qū)、海島地區(qū)等新增用能區(qū)域，開展終端供能系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃和一體化建設(shè)，因地制宜實(shí)施傳統(tǒng)能源與風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等能源的協(xié)同開發(fā)利用，優(yōu)化布局電力、熱力、供冷等基礎(chǔ)設(shè)施，通過天然氣熱電冷三聯(lián)供、分布式可再生能源等方式實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和協(xié)同供應(yīng)，推動能源就地清潔生產(chǎn)和就近消納，提高能源綜合利用效率［3］。

能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，電能從能源基地到用能終端通過外部電網(wǎng)大規(guī)模輸送，而在終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，原則上要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部電能的平衡，與外部電網(wǎng)之間電能交換低于系統(tǒng)內(nèi)電量負(fù)荷的10%。在實(shí)際工程中，系統(tǒng)內(nèi)規(guī)劃電源規(guī)模與負(fù)荷增長往往在短期內(nèi)不同步，可能存在階段性的系統(tǒng)內(nèi)外電能較大規(guī)模的交換。

2 多能互補(bǔ)示范工程接入系統(tǒng)方案

2017年1月，國家能源局公布首批多能互補(bǔ)示范工程項(xiàng)目名單，合計批準(zhǔn)23個示范項(xiàng)目，包括6個能源基地型多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目和17個終端一體化多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目。由于多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目中電源種類較多，規(guī)模較大，各電源接入系統(tǒng)方案的制定成為設(shè)計過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。對此，本文基于傳統(tǒng)電源接入系統(tǒng)的基本原則，結(jié)合多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目自身特點(diǎn)，提出適用于多能互補(bǔ)示范工程的電源接入系統(tǒng)方法，為此類工程的設(shè)計工作提供參考。

2.1 并網(wǎng)原則

多能互補(bǔ)系統(tǒng)中包含的電源形式主要包括間歇性電源和調(diào)節(jié)性電源兩類，間歇性電源主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電等電源;調(diào)節(jié)性電源主要包括煤電、氣電、抽蓄、儲能裝置等?？紤]多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)不同類型電源協(xié)同互補(bǔ)的關(guān)系，宜采用多能互補(bǔ)系統(tǒng)單點(diǎn)并網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式，即所有電源互聯(lián)后通過1個公共并網(wǎng)點(diǎn)接入外部電網(wǎng)。系統(tǒng)內(nèi)電源單點(diǎn)并網(wǎng)與分散并網(wǎng)相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面。

a.實(shí)現(xiàn)間歇性電源對電網(wǎng)的友好接入。間歇性電源存在出力不確定、波動較大的特點(diǎn)，將間歇性電源集中后統(tǒng)一接網(wǎng)，使整體出力波動得到一定程度的平抑后集中于一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對外部電網(wǎng)的影響最小化，便于電網(wǎng)調(diào)度調(diào)控，避免了大量間歇性能源多點(diǎn)分散接網(wǎng)增加調(diào)度難度。

b.提高多能互補(bǔ)系統(tǒng)整體出力可控性。多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)集控中心通過采集間歇性電源實(shí)時出力，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)性電源的出力，使系統(tǒng)整體出力能夠大致跟蹤調(diào)度計劃出力曲線，從外部電網(wǎng)的角度來看是一個出力相對可控的電源，從而有效促進(jìn)新能源消納、降低多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)棄光率、棄風(fēng)率，符合“多能協(xié)同”的開發(fā)理念。

c.削峰填谷，減少系統(tǒng)內(nèi)外電力交換。在終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，通過跟蹤實(shí)時負(fù)荷水平，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)電源出力主動匹配負(fù)荷，減少多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)外的電力交換，使多能互補(bǔ)系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)的角度來看是一個峰谷差較小、相對穩(wěn)定的等效電源或負(fù)荷。

2.2 電壓等級

多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)各個電源接入的電壓等級取決于裝機(jī)容量(規(guī)劃容量和分期容量)、輸電距離和消納范圍等多方面因素，按照電源分層接入的原則，為充分發(fā)揮各級電壓網(wǎng)絡(luò)的傳輸效益，通常裝機(jī)容量越大、輸電距離越長的電源接入電網(wǎng)的電壓等級越高。不同裝機(jī)容量PG的電源適宜接入的電壓等級見表1［4－5］。為了有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單點(diǎn)并網(wǎng)，同時降低運(yùn)行維護(hù)難度，建議系統(tǒng)內(nèi)采用盡量少的電壓等級。

表1 電源并網(wǎng)電壓等級

2.3 出線回路數(shù)量

終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組除供電外，往往還承擔(dān)著供熱、供冷、供汽等多重任務(wù)，停機(jī)后沒有備用的冷、熱、汽源會影響民生或?qū)ζ髽I(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此需要提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供電可靠性，需采用2回出線接入外部系統(tǒng)同一節(jié)點(diǎn)，當(dāng)1回線路檢修或故障后仍可保證機(jī)組不停電，提高供電可靠性，從而提高了供熱、供冷和供汽的可靠性。條件允許的情況下，2回出線宜分別采用單回路架設(shè)，避免跨線故障或倒塔事故導(dǎo)致2回電廠出線全部退出運(yùn)行。由于2回線路接入點(diǎn)相同，潮流分布基本一致，因此仍可看作單點(diǎn)并網(wǎng)。

能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)中火電機(jī)組通常只承擔(dān)供電的任務(wù)，考慮經(jīng)濟(jì)性可采用1回出線送出。

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等間歇性電源只提供電能，且利用時間相對較低，短時停機(jī)后對電網(wǎng)和電站本身影響較小，考慮到減少征地和降低成本，宜采用1回送出線路。

2.4 系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)方式

2.4.1 能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)

根據(jù)多能互補(bǔ)系統(tǒng)單點(diǎn)并網(wǎng)的設(shè)計原則，需要在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置公共并網(wǎng)點(diǎn)匯集系統(tǒng)內(nèi)電源。考慮節(jié)省占地和簡化管理，通常不單獨(dú)新建開關(guān)站或變電站作為并網(wǎng)點(diǎn)，而是選擇其中某個電廠的開關(guān)站作為并網(wǎng)點(diǎn)。

在系統(tǒng)內(nèi)選擇并網(wǎng)點(diǎn)一般按照如下原則:具有系統(tǒng)內(nèi)最高的電壓等級;裝機(jī)容量在系統(tǒng)內(nèi)相對較大;距離公網(wǎng)接入點(diǎn)距離較近;具備開關(guān)廠。

選定并網(wǎng)點(diǎn)后，系統(tǒng)內(nèi)其他電源可分別接入并網(wǎng)點(diǎn)，或距離較近的部分電源先行匯集后再接入并網(wǎng)點(diǎn)，使系統(tǒng)內(nèi)電源的連接方式整體上呈樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 能源基地型多能互補(bǔ)工程接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該樹形結(jié)構(gòu)的基本特征包括:從樹根節(jié)點(diǎn)至樹葉節(jié)點(diǎn)電壓等級保持不變或逐漸降低;若系統(tǒng)中存在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，則該節(jié)點(diǎn)至系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的路徑均對應(yīng)2回出線，系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)至外部電網(wǎng)接入點(diǎn)之間的樹枝對應(yīng)2回出線。

與環(huán)網(wǎng)等其他聯(lián)網(wǎng)方式相比，系統(tǒng)內(nèi)采用樹形結(jié)構(gòu)的聯(lián)網(wǎng)方式的優(yōu)勢在于:

a.電力流向相對明確，便于確定系統(tǒng)內(nèi)線路和變壓器容量、便于保護(hù)裝置參數(shù)的整定;

b.避免形成電磁環(huán)網(wǎng)，避免高電壓支路故障后低電壓支路過載;

c.節(jié)省投資，縮短項(xiàng)目投資回收期。

2.4.2 終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)

終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)中包含電源和負(fù)荷兩部分。其中電源的并網(wǎng)原則與能源基地型多能互補(bǔ)系統(tǒng)相同;系統(tǒng)內(nèi)電力負(fù)荷原則上屬于增量負(fù)荷，其供電網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)建立在多能互補(bǔ)系統(tǒng)之內(nèi)。為簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維持系統(tǒng)內(nèi)單點(diǎn)并網(wǎng)的原則和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用戶變電站的供電線路宜接入已有的電源匯集網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)負(fù)荷的報裝容量、性質(zhì)、位置等因素合理確定供電線路的電壓等級、線路回數(shù)和接入點(diǎn)(見圖2)。對于停電后會造成人身傷亡或重大經(jīng)濟(jì)損失的重要負(fù)荷，需增加供電線路回路數(shù)，提高供電可靠性。

2.4.3 導(dǎo)線截面

電廠送出線路或用戶變電站供電線路的導(dǎo)線截面一般應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)電流密度選擇，并進(jìn)行熱穩(wěn)定極限校驗(yàn)［4］。對應(yīng)樹形結(jié)構(gòu)中非末端的節(jié)點(diǎn)(有其他電源或負(fù)荷接入)，需要對該節(jié)點(diǎn)的子樹進(jìn)行電力平衡分析，計算該節(jié)點(diǎn)送出線路上可能流過的最大功率后確定導(dǎo)線截面。

圖2 終端一體化多能互補(bǔ)工程接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 案例分析

以河北省某個多能互補(bǔ)示范工程為例，該工程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電、熱、冷三聯(lián)供，屬于終端一體化型多能互補(bǔ)系統(tǒng)。工程建設(shè)的電源包括天然氣能源站項(xiàng)目(140 MW，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組)，風(fēng)電項(xiàng)目(60 MW)，光伏項(xiàng)目(20 MW)，塔式光熱項(xiàng)目(10 MW)，儲能項(xiàng)目(20 MW);系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷主要包括大數(shù)據(jù)中心(110 MW)和南部新區(qū)(20 MW)。該多能互補(bǔ)系統(tǒng)所在地區(qū)有1個系統(tǒng)220 kV變電站，電壓等級220 kV/110 kV/35 kV。依據(jù)上述接入系統(tǒng)原則，本多能互補(bǔ)系統(tǒng)接入系統(tǒng)方案見圖3。

a.電源方面。按照機(jī)組的容量確定電壓等級的結(jié)果為:天然氣能源站和風(fēng)電場最高電壓等級為220 kV，光伏電站和光熱電站宜接入35～110 kV電壓等級。天然氣能源站內(nèi)電壓等級包括220 kV和機(jī)端電壓10.5 kV，風(fēng)電場內(nèi)電壓等級包括220 kV和35 kV。基于簡化電壓等級序列的原則，兼顧電源送出距離，光伏電站和光熱電站宜采用35 kV出線接入風(fēng)電場35 kV母線。天然氣能源站距離系統(tǒng)220 kV變電站距離較近，風(fēng)電場距離系統(tǒng)變電站較遠(yuǎn)，基于單點(diǎn)接入的原則，將風(fēng)電場接入能源站220 kV母線后，再由天然氣能源站統(tǒng)一接入系統(tǒng)220 kV變電站。為加強(qiáng)天然氣能源站供電可靠性，保障供冷供熱，能源站至系統(tǒng)220 kV變電站之間采用2回出線。

圖3 某多能互補(bǔ)工程接入系統(tǒng)方案示意圖

b.負(fù)荷方面。大數(shù)據(jù)中心負(fù)荷(110 MW)本質(zhì)上為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，原則要求全年8 760 h不間斷供電，按照電壓等級宜接入220 kV系統(tǒng)，為保證供電可靠性，需采用至少2回供電線路，因此通過2回220 kV線路接入天然氣能源站220 kV母線。南部新區(qū)負(fù)荷(20 MW)屬于商業(yè)負(fù)荷，利用時間約2 500 h，短時停電影響較小，考慮經(jīng)濟(jì)性可采用1回供電線路，結(jié)合負(fù)荷規(guī)模和周邊電網(wǎng)情況，采用1回線路接入風(fēng)電場35 kV母線。根據(jù)儲能裝置的容量和位置，考慮接入風(fēng)電場35 kV母線，平抑間歇性能源的出力波動。

c.對系統(tǒng)運(yùn)行的影響方面。采用單點(diǎn)并網(wǎng)的接入系統(tǒng)方式與外部電網(wǎng)之間僅通過1個并網(wǎng)點(diǎn)相連(2回出線接入同一并網(wǎng)點(diǎn))，且利用燃?xì)鈾C(jī)組和儲能裝置的調(diào)節(jié)作用能夠?qū)崿F(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)與外部電網(wǎng)之間交換功率波動保持在全部裝機(jī)容量之和的±10%以內(nèi)，便于調(diào)度管理。若電源和負(fù)荷分散式接入系統(tǒng)，則并網(wǎng)點(diǎn)合計達(dá)到6～7個，且對于風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電等間歇性出力電源，其出力波動可達(dá)各自裝機(jī)容量的100%，增大了對外部電網(wǎng)沖擊的同時，也大大提高了調(diào)度難度和復(fù)雜度。

該多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目接入系統(tǒng)方案整體上遵循單點(diǎn)并網(wǎng)和樹形結(jié)構(gòu)的原則，結(jié)合自身合理的電源配比，實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)系統(tǒng)對外部電網(wǎng)的友好接入，為系統(tǒng)內(nèi)不同類型電源協(xié)同互補(bǔ)提供條件，同時使系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰合理，易于維護(hù)和擴(kuò)展。

4 結(jié)論與建議

a.多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程是構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)的重要舉措之一，有利于提高能源供需協(xié)調(diào)能力，發(fā)揮具有靈活調(diào)節(jié)性能火電機(jī)組的調(diào)峰能力促進(jìn)可再生能源消納。按照不同的運(yùn)行模式，多能互補(bǔ)示范工程可分為能源基地型和終端一體化型。

b.多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)宜通過一個公共并網(wǎng)點(diǎn)接入外部電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對電網(wǎng)的友好接入，減少系統(tǒng)內(nèi)可再生能源間歇性出力對外部電網(wǎng)的影響，提高多能互補(bǔ)系統(tǒng)的整體可控性。

c.為簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)省投資，提高運(yùn)行可靠性，多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)部電源和負(fù)荷宜采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)。

d.系統(tǒng)內(nèi)電源(負(fù)荷)接入電壓等級需根據(jù)電源(負(fù)荷)的容量和送電(供電)距離選擇，并采用盡量少的電壓等級;線路回數(shù)取決于電源(負(fù)荷)的功能和重要性;導(dǎo)線截面需結(jié)合經(jīng)濟(jì)電流密度和熱穩(wěn)定極限兩方面考慮。

e.多能互補(bǔ)示范工程接入系統(tǒng)方案需要根據(jù)實(shí)際工程情況因地制宜，靈活擬定。部分終端一體化示范項(xiàng)目供電目標(biāo)除增量負(fù)荷外，還包含電力系統(tǒng)中原有的存量負(fù)荷，這種情況下需要根據(jù)存量負(fù)荷對應(yīng)配網(wǎng)的建設(shè)情況與當(dāng)?shù)仉娏緟f(xié)調(diào)后確定工程接入系統(tǒng)方案。