劉德民,耿 博,趙永智,許唯臨
(1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司,四川省德陽(yáng)市 618000;2.四川大學(xué),四川省成都市 610065)
能源是人類(lèi)社會(huì)加速發(fā)展必不可少的依托,而能源開(kāi)發(fā)建設(shè)方式也是隨人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和科技的進(jìn)步,也趨于多樣化,但現(xiàn)階段依然是以化石能源為主,特別是燃煤發(fā)電、燃油機(jī)組包括如飛機(jī)、輪船和汽車(chē)等交通運(yùn)輸工具以及城市生活均以化石能源為主。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的不斷提高、對(duì)環(huán)境認(rèn)識(shí)與要求的不斷提高,也在不斷探尋改變現(xiàn)狀的措施和手段,并且我們已經(jīng)加快清潔能源的開(kāi)發(fā)與建設(shè)步伐。特別是習(xí)近平主席2020年9月22日在七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論時(shí),提到中國(guó)要努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這也意味著從2020年到2060年的四十年內(nèi),中國(guó)的碳排放要從每年的160億t降低到幾乎不排放[1]。
根據(jù)國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì),2019年中國(guó)碳排放總量113億t,能源領(lǐng)域碳排放量98億t,占全國(guó)總量的87%,其中電力行業(yè)碳排放42億t,占全國(guó)總量的37%[1]。因此對(duì)于電力行業(yè)而言,減排目標(biāo)任重而道遠(yuǎn)。這其中煤電減排成為首選目標(biāo)。根據(jù)中國(guó)能源局發(fā)布的數(shù)據(jù),2020年底,全國(guó)總電力裝機(jī)容量達(dá)22億kW。其中火電裝機(jī)容量達(dá)12.45億kW,剔除其中超過(guò)1.5億kW的天然氣發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和余溫余壓余氣發(fā)電,中國(guó)煤電裝機(jī)容量約為10.95億kW,占總裝機(jī)容量比重49.8%,歷史性進(jìn)入50%以內(nèi),而在未來(lái)這一比例還將繼續(xù)下降。而作為煤電主要替代發(fā)電方式之一的光伏,目前國(guó)內(nèi)光伏類(lèi)公司在碳中和的加持下一片火熱,這是一個(gè)長(zhǎng)期的趨勢(shì),因?yàn)榘l(fā)展的空間是非常廣闊的。
為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),在努力提高能源使用效率,以期達(dá)到節(jié)能減排的前提下,尚需加快新能源的開(kāi)發(fā)與建設(shè),光伏與風(fēng)力發(fā)電將迎來(lái)一個(gè)最佳的發(fā)展時(shí)期。
截至2020年底,中國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到2.8億kW和2.5億kW,占世界裝機(jī)總量的34%和33%,且均居世界首位。清潔能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入高潮。
根據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),光伏和風(fēng)電的平均度電成本已經(jīng)和水電相媲美,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)已經(jīng)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(如圖1和圖2所示),但是抑制風(fēng)電和光伏的波動(dòng)特性還沒(méi)有得到很好的解決。
圖1 幾種能源平均度電的成本隨時(shí)間的變化(2019年匯率)Figure 1 Changes in the production cost of several energy sources over time
圖2 幾種能源平均裝機(jī)成本隨時(shí)間的變化[國(guó)際能源署(2019年匯率)]Figure 2 Changes in the average installed cost of several energy sources over time
因此,風(fēng)電和光伏將進(jìn)入倍增階段。按照咨詢機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè),到2030年新能源裝機(jī)容量可能會(huì)達(dá)到16億~18億kW,風(fēng)電和光伏的爆發(fā)式增長(zhǎng)已經(jīng)是確定性事件,不再存有爭(zhēng)議。截至2020年底,我國(guó)風(fēng)電和光伏累計(jì)裝機(jī)容量為5.3億kW,這意味著從現(xiàn)在起的未來(lái)十年,新能源裝機(jī)容量將新增10.7億~12.7億kW左右。而“十三五”期間,我國(guó)風(fēng)電和光伏平均每年新增裝機(jī)容量為0.72億kW左右。其次是儲(chǔ)能將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。儲(chǔ)能被認(rèn)為是解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的最主要工具,可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷,是現(xiàn)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中迫切需要的。國(guó)網(wǎng)能源研究院預(yù)計(jì),我國(guó)新型儲(chǔ)能在2030年之后會(huì)迎來(lái)快速增長(zhǎng),2060年裝機(jī)規(guī)模將達(dá)4.2億kW(420GW)左右。而截至2019年,我國(guó)新型儲(chǔ)能累積裝機(jī)規(guī)模為2.1GW。這意味著,2060年我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將飆升近200倍。所謂新型儲(chǔ)能,即為抽水蓄能之外的各類(lèi)儲(chǔ)能總稱。
以抽水蓄能電站為代表的儲(chǔ)能形式還遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)構(gòu)建以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能源需要。截至2020年底,我國(guó)已建成抽水蓄能電站總規(guī)模3249萬(wàn)kW,在建抽水蓄能電站規(guī)模5393萬(wàn)kW,已建和在建規(guī)模均居世界第一。但是大部分分布在華東和華北地區(qū),對(duì)于西北地區(qū)豐富的光伏和風(fēng)電能源的調(diào)節(jié)保障遠(yuǎn)不能滿足要求。必須盡快建成新的調(diào)峰能源,以適應(yīng)大規(guī)模的風(fēng)光間歇能源上網(wǎng)[2]。
光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相連,可分為并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種類(lèi)型。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)相連,共同承擔(dān)供電任務(wù)。當(dāng)有光照時(shí),逆變器將光伏系統(tǒng)所發(fā)的直流電逆變成正弦交流電,產(chǎn)生的交流電可以直接供給交流負(fù)載。然后將剩余電能輸入電網(wǎng),或者直接將產(chǎn)生的全部電能并入電網(wǎng)。光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏僻山區(qū)、海島、通信基站等無(wú)電地區(qū)。常規(guī)離網(wǎng)光伏均配備一定規(guī)模蓄電池組,光伏方陣在有光照情況下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器給負(fù)載供電,同時(shí)給蓄電池組充電;在無(wú)光照時(shí),通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器由蓄電池組給直流負(fù)載供電,同時(shí)蓄電池給獨(dú)立逆變器供電,通過(guò)獨(dú)立逆變器逆變成交流電,給交流負(fù)載供電[3]。
光伏發(fā)電受地理、地形、氣候、天氣影響較大,出力具有明顯的間歇性、波動(dòng)性、起伏性,功率輸出很不穩(wěn)定,電壓相對(duì)穩(wěn)定,如圖3所示。對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng),如何解決光伏電站大規(guī)模開(kāi)發(fā)后的消納和送出已成為制約光伏電站建設(shè)和運(yùn)行的焦點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于離網(wǎng)系統(tǒng),為光伏電站配置適合容量的儲(chǔ)能系統(tǒng),平滑出力波動(dòng)是解決供電端與用電端電能質(zhì)量矛盾的前提條件。與目前通用的儲(chǔ)能系統(tǒng)相比,抽水蓄能電站是將光伏電能以大量水體的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái),不僅可以平抑光伏出力起伏,且能確保全天候的、平穩(wěn)的、連續(xù)的電力輸出,延長(zhǎng)供電持續(xù)時(shí)間。
圖3 光照強(qiáng)度及光伏發(fā)電的出力特點(diǎn)Figure 3 Light intensity and output characteristics of photovoltaic power generation
同時(shí),水力發(fā)電具有技術(shù)成熟、啟停速度快等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前,我國(guó)已在西北地區(qū)光伏資源優(yōu)勢(shì)區(qū),在龍羊峽水電站試點(diǎn)了光伏與水電站聯(lián)合調(diào)度運(yùn)營(yíng)模式。
風(fēng)力發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性比光伏發(fā)電還要?jiǎng)×?,?guó)內(nèi)某風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電功率波動(dòng)曲線,按照日內(nèi),旬內(nèi)以及月內(nèi)的波動(dòng)變化如圖4所示。
圖4 某風(fēng)場(chǎng)日內(nèi)、旬內(nèi)和月內(nèi)功率波動(dòng)圖Figure 4 Power fluctuation diagram of a wind farm in the day,ten days and months
從目前的技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看,可以實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光互補(bǔ)的能源形式主要包括:抽水蓄能電站、蓄能工廠和已建成的具備年調(diào)節(jié)能力的水電站。抽水蓄能電站在大電網(wǎng)中具備調(diào)節(jié)能力已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí),但是抽水蓄能電站的建設(shè)周期較長(zhǎng)和地理?xiàng)l件所限,隨著風(fēng)光新能源的大規(guī)模接入僅靠抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中水風(fēng)光平穩(wěn)上網(wǎng),已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)。因此蓄能工廠和具備年調(diào)節(jié)能力的水電站成為電網(wǎng)調(diào)節(jié)的重要補(bǔ)充[4]。
未來(lái)隨著風(fēng)光新能源的大規(guī)模接入,各發(fā)電企業(yè)需要自己購(gòu)買(mǎi)調(diào)峰能源解決風(fēng)光波動(dòng)問(wèn)題,因此構(gòu)建一種風(fēng)光蓄能組成的微網(wǎng)成為一種需要,國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)市場(chǎng)主體參與。參考《微電網(wǎng) 第2部分:微電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則》(NB/T 10149—2019)[5]中的規(guī)范要求進(jìn)行分布式能源規(guī)劃和微電網(wǎng)規(guī)劃。微電網(wǎng)的組成需要滿足如下原則:
(1)可再生能源配比。根據(jù)微電網(wǎng)建設(shè)目的和當(dāng)?shù)乜捎玫目稍偕茉?,根?jù)分布式能源的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,確定風(fēng)電和光伏發(fā)電容量的類(lèi)型、容量,設(shè)置合理的風(fēng)電和光伏容量配比。
(2)電力電量平衡。應(yīng)確保微電網(wǎng)在各種可能的機(jī)組組合方案、機(jī)組在各運(yùn)行方式下的功率平衡。
保證微電網(wǎng)在各種模式下,特別是孤島模式下的安全穩(wěn)定運(yùn)行,微電網(wǎng)應(yīng)具有電壓調(diào)節(jié)能力,同時(shí)應(yīng)具有無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力。
根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)、可再生能源發(fā)電最大利用容量進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算,并據(jù)此計(jì)算微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的容量。
(3)可調(diào)度資源發(fā)電配置。根據(jù)電力電量平衡結(jié)果,并在考慮可再生能源發(fā)電不確定性的基礎(chǔ)上,確定最終的可調(diào)度資源發(fā)電配置??烧{(diào)度資源發(fā)電配置應(yīng)以最大化配電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)。
(4)儲(chǔ)能裝置。微電網(wǎng)采用儲(chǔ)能裝置來(lái)緩沖可再生能源以及負(fù)荷的波動(dòng)性,進(jìn)行負(fù)荷管理,提高微電網(wǎng)的可靠性,在孤島模式下保證電力供應(yīng)。儲(chǔ)能裝置可以是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)、機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)、電磁儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱系統(tǒng)或其他形式。機(jī)械儲(chǔ)能主要分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,存在的問(wèn)題是對(duì)場(chǎng)地和設(shè)備有較高的要求,具有地域性和前期投資大的特點(diǎn)?;瘜W(xué)儲(chǔ)能是利用化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化電能的裝置,包括電化學(xué)儲(chǔ)能(各類(lèi)電池)和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。電磁儲(chǔ)能主要是指超導(dǎo)儲(chǔ)能,主要問(wèn)題是高的制造成本以及低的能量密度。而儲(chǔ)熱系統(tǒng),儲(chǔ)能效率較低。
國(guó)內(nèi)某水電站為金沙江上游水電規(guī)劃13個(gè)梯級(jí)電站的第10級(jí),水電站總裝機(jī)容量1200MW,裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量300MW的混流式機(jī)組。光伏電站規(guī)劃裝機(jī)為1600MW。假設(shè)其日內(nèi)最高負(fù)荷需求為2000MW,白天光照良好時(shí),光伏滿發(fā),光伏最大發(fā)電容量為1600M。水電配合光伏運(yùn)行,水電白天發(fā)電在400~1200MW之間變化,水電晚間一直滿發(fā)1200MW。因此水電出力運(yùn)行范圍為400~1200MW。根據(jù)水電和光伏的互補(bǔ)出力特性如圖5所示。通過(guò)水光互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)了混合能源的平穩(wěn)輸出,進(jìn)而減少了電網(wǎng)的波動(dòng)性能。
圖5 水光互補(bǔ)后的功率圖Figure 5 Power diagram of hydro and solar energy complementation
為了實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ),要求單臺(tái)水電機(jī)組必須在全負(fù)荷范圍內(nèi)靈活運(yùn)行。對(duì)4臺(tái)機(jī)組不同的組合方式和不同的出力模式進(jìn)行了研究,如表1所示。
表1 水電機(jī)組和光伏出力配合運(yùn)行時(shí)的功率分配Table 1 Power distribution of the h ydropower unit and solar energy complementation
未來(lái)的水風(fēng)光互補(bǔ)規(guī)模將無(wú)比巨大,根據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)十年,新能源裝機(jī)容量將新增10.7億~12.7億kW左右。如此大規(guī)模的風(fēng)光新能源接入,蓄能工廠依托現(xiàn)有已建成的水電站廠房進(jìn)行裝機(jī),其建設(shè)周期短,儲(chǔ)能規(guī)模大,建設(shè)成本低,比新建抽水蓄能便宜1/3,其優(yōu)勢(shì)明顯。
通過(guò)微電網(wǎng)或者是局域電網(wǎng)的形式將風(fēng)電和光伏電能接入電動(dòng)機(jī),帶動(dòng)水泵抽水至上水庫(kù),將風(fēng)光能源以水能的形式儲(chǔ)存起來(lái),電網(wǎng)需要時(shí),通過(guò)水電機(jī)組將水放下,沖轉(zhuǎn)機(jī)組,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電能,這時(shí)的電能將以穩(wěn)定電能的形式接入電網(wǎng),如圖6所示。該種儲(chǔ)能工廠的核心設(shè)備為大型水泵和電動(dòng)機(jī),風(fēng)光新能源的頻繁波動(dòng),最終靠大型水泵和電動(dòng)機(jī)去頻繁適應(yīng),從而對(duì)大型水泵和電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求。在此類(lèi)工程案例中,大型水泵為變速泵,通過(guò)變速跟蹤負(fù)荷變化,從而實(shí)現(xiàn)入力寬范圍調(diào)節(jié),根據(jù)光伏的波動(dòng)強(qiáng)度甚至需要全功率調(diào)節(jié)。這對(duì)傳統(tǒng)特別關(guān)注效率的水泵行業(yè)提出了全新的考驗(yàn)。
圖6 儲(chǔ)能工廠實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光調(diào)節(jié)Figure 6 Energy storage plant realizes hydro and wind regulation
由于儲(chǔ)能工廠接入電網(wǎng)的模式是通過(guò)水電的形式接入,這時(shí)電網(wǎng)對(duì)水電的接入是全功率入網(wǎng)要求,從而在這一模式下,水電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)將從全負(fù)荷的運(yùn)行中被解放出來(lái),轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕曰傻男问浇尤腚娋W(wǎng)。這將對(duì)水電機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)重大利好,將會(huì)大大延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。與常規(guī)水電機(jī)組參與水風(fēng)光互補(bǔ)相比,將會(huì)極大改善水電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境,提高機(jī)組的運(yùn)行壽命,將水電機(jī)組由頻繁的負(fù)荷變化轉(zhuǎn)變?yōu)榛蛇\(yùn)行。降低機(jī)組遭遇頻繁交變應(yīng)力的打擊,從而減少裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。
儲(chǔ)能工廠可實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、風(fēng)光聯(lián)合、風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合、光儲(chǔ)聯(lián)合、風(fēng)光儲(chǔ)和儲(chǔ)能單獨(dú)等7種運(yùn)行模式。實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)、儲(chǔ)能調(diào)節(jié)、智能輸電、平穩(wěn)可控,改善新能源發(fā)電的調(diào)頻調(diào)峰調(diào)壓等輸出特性,解決了新能源發(fā)電波動(dòng)帶來(lái)的電壓跌落、頻率波動(dòng),改善并網(wǎng)點(diǎn)電能輸出質(zhì)量[6]。
儲(chǔ)能工廠實(shí)現(xiàn)的作用主要包括:
(1)具有黑啟動(dòng)能力。
(2)采用U/f控制模式,對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率起支撐作用。
(3)平滑波動(dòng)。風(fēng)機(jī)、光伏出力波動(dòng)頻繁,通過(guò)投入適量?jī)?chǔ)能裝置,可削弱風(fēng)光出力“毛刺”,實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度的出力平滑,保證了電源輸出的穩(wěn)定。
(4)跟蹤調(diào)度計(jì)劃出力。根據(jù)調(diào)度下達(dá)的出力計(jì)劃,選擇匹配的組態(tài)運(yùn)行方式,儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)填補(bǔ)計(jì)劃值與實(shí)際值的差額,實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)多組態(tài)聯(lián)合出力實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)劃值,滿足調(diào)度要求實(shí)現(xiàn)了可再生能源發(fā)電的可預(yù)測(cè)、可控制、可調(diào)度。
利用儲(chǔ)能吸收富余的電能,可有效避免棄風(fēng)、棄光,提高風(fēng)機(jī)、光伏資源的可利用率。
抽水蓄能機(jī)組對(duì)水風(fēng)光互補(bǔ)已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí),根據(jù)抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃抽水蓄能儲(chǔ)備項(xiàng)目550余個(gè),總裝機(jī)規(guī)模6.8億kW。抽水蓄能因其具有發(fā)電、抽水、調(diào)峰、調(diào)頻、發(fā)無(wú)功和黑啟動(dòng)等功能,可以參與風(fēng)電和光伏的風(fēng)光蓄聯(lián)合使用,其調(diào)節(jié)方式為風(fēng)電、光電和抽水蓄能均連接在大電網(wǎng)中,通過(guò)在一共用電網(wǎng)里面,匹配風(fēng)光新能源,達(dá)到削峰填谷的效果,如圖7所示。抽水蓄能與風(fēng)光新能源的配合已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí),但是抽水蓄能的缺點(diǎn)是建設(shè)周期較長(zhǎng),與現(xiàn)在風(fēng)光大規(guī)模接入對(duì)調(diào)節(jié)能源的迫切需求不相匹配。
圖7 抽水蓄能實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光調(diào)節(jié)Figure 7 Pumped storage and hydro,wind,and solar energy regulation
圖8描述了巴西某電網(wǎng)[7]兩天時(shí)間內(nèi)抽水蓄能和風(fēng)電出力的配合關(guān)系,根據(jù)電力負(fù)荷的需求和風(fēng)電出力特性,抽水蓄能機(jī)組不停的調(diào)整工況轉(zhuǎn)換去適應(yīng),泵的流量為正值時(shí),機(jī)組處于抽水狀態(tài),泵的流量為負(fù)值時(shí),為發(fā)電狀態(tài)。
圖8 抽水蓄能和風(fēng)電的互動(dòng)調(diào)節(jié)(2010年9月中旬的出力特性)Figure 8 Wind generation and pump flow characteristic in the middle of September,2010
國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的抽水蓄能電站最近的日運(yùn)行記錄已經(jīng)超過(guò)了20小時(shí),其主要功能是頻繁的進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié),以滿足電網(wǎng)接入新能源的要求。
水風(fēng)光互補(bǔ)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的重要實(shí)現(xiàn)方式,中國(guó)的大規(guī)模清潔能源需要充分發(fā)揮水風(fēng)光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì),將水風(fēng)光互補(bǔ)后的清潔能源接入電網(wǎng)。但是對(duì)這一新的能源混合模式,混合樣板、其接入方式,接入準(zhǔn)則,調(diào)節(jié)比例,調(diào)節(jié)原則,機(jī)組匹配性,電網(wǎng)耐受性等眾多問(wèn)題尚不十分清楚,需要業(yè)界進(jìn)行研究分析。
感謝在論文撰寫(xiě)過(guò)程中,得到了很多行業(yè)專家的大力支持,如中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司的陳喜坤教高,中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司段宏江教高,重慶大學(xué)崔秋實(shí)教授的幫助,在此一并感謝。