青海海西地区多能互补运行方式初步分析

文 | 胡小丽，刘军涛

青海海西地区多能互补运行方式初步分析

文 | 胡小丽，刘军涛

加快开发利用可再生能源已成为当前世界各国的普遍共识和一致行动，青海省海西州太阳能资源丰富，风电开发条件好，土地资源辽阔，亦有建设一定规模的抽水蓄能电站的资源条件，具备多能互补运行的基础。本文以光热、抽水蓄能电站作为调峰电源，对海西州光热、光伏、风电、抽水蓄能之间的互补运行进行了初步分析，充分利用光热、抽水蓄能电站对新能源补偿作用来削弱新能源的不稳定波动，最大化地发挥可再生能源的优势。通过互补运行后，可有效送出可再生能源的电力电量，提高电能质量。

多能互补资源条件

青海海西地区太阳能资源丰富且有大量戈壁滩等未利用地，土地资源广阔，光伏发电、太阳能热发电、风电等新能源开发条件好，亦有建设一定规模的抽水蓄能电站的资源条件，具备光伏、光热、风电、抽蓄等多能互补运行的基础条件。根据青海省相关规划，“十四五”末海西地区拟建成光伏约14000MW、光热约9000MW、风电约4000MW，抽水蓄能2400MW，并拟通过直流特高压外送通道将可再生能源外送。

（1）太阳能

青海省位于青藏高原东北部，空气较为稀薄，阳光直射时间长，太阳能资源十分丰富，年总辐射量在5560MJ/m2－7400MJ/m2之间，在全国居第二位，仅次于西藏。海西州地区太阳辐射强，日照时数多，全州太阳能总辐射量在6600MJ/m2－7200MJ/m2之间，是全省辐射量最多的地区，也是青海省年日照百分率最大的地区，年日照时数在3000h－3400h之间。

（2）风能

海西州风能资源储量十分丰富，大部分地区属于可开发区域，其中以格尔木市至都兰一线、冷湖、芒崖地区资源最具备开发条件，年风功率密度在150W/m2－300W/m2，风速在5.5m/s－7m/s之间，利用小时数在1800h－2500h之间。

（3）抽水蓄能

根据相关工作成果，青海海西地区初选了两个抽水蓄能站点。初步规划装机容量合计约2400MW。

各类电源运行特性分析

一、太阳能光伏

根据光伏电站14000MW逐十分钟出力过程，光伏电站全年平均出力2368MW，占装机容量16.92%；最大出力为11763MW，占装机容量的84.02%，保证率仅0.002%；最小出力为0；出力为9100MW（即容量系数为65%）时，保证率为7.5%，累积电量98%。

海西州光能资源分布有明显的季节性差异，太阳辐射的季节变化直接造成了光伏电站出力的季节性差异。经统计，出力最小月份（7月）约是最大月份（8月）的78%。最小月出力约为平均月出力的83%，最大月出力比平均月出力大约15%。从光伏电站日内平均出力过程看，光伏电站日内基本在7：00－21：00发电。

图1 青海省总辐射空间变化分布图（单位：MJ/m2·a）

二、太阳能光热

太阳能光热发电，是利用大量抛物型的反射镜将太阳辐射能聚集到吸热装置并将其转化给传热流体导热流体的热能，传热流体再利用此热能通过涡轮机械或其他发电设备转换成电能的技术。

太阳能光热发电由于配备了储热系统，受太阳辐射变化影响小，可像常规电源一样接受电网的调节，具备稳定的电力输出和较好的调节性能。带有储热装置的太阳能热发电系统在白天将一部分太阳能转化为热能储存起来，在傍晚之后或者电力需求晚高峰时段用于发电以满足电网的要求，从而可保证电力输出更加平稳和可靠。

三、风电

根据风电4000MW逐十分钟出力过程，风电全年平均出力占装机容量21.1%；最大出力为4000MW，占装机容量100%，达到满发；最小出力为0；风电出力为3600MW（即容量系数为90%）时，保证率为7.7%，累积电量98%。

从风电各月出力变化图上看，3－5月平均出力相对较大，其他月份出力较小。最大平均出力出现在4月，为1420MW；最小平均出力出现在1月，为180MW。出力最小月份（1月）约是最大月份（4月）的13%。

从风电分时变化曲线上看，各时平均出力变化不大，最大出力为760MW，最小出力为516MW。虽然年内逐时平均出力变化不大，但同一时刻各自出力变化无规律，既有最大出力为4000MW，也有出力为0。

四、抽水蓄能

抽水蓄能电站既是发电厂，又是电力用户，是一种可以平衡系统峰、谷用电需求，可间接储存电能的特殊电源点。它利用系统用电需求低谷时的剩余电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，即电能转化为动能；然后在系统用电需求高峰时放水发电，即动能再转化为电能。抽水蓄能电站以特有的既调峰又填谷的双重作用，可缓解电网的调峰困难，改善系统光伏、风电等新能源电源的运行条件，减少弃风、弃光量，提高新能源的利用率。

图2 海西光伏出力－保证率－电量累积曲线

图3 海西光伏月平均出力过程

图4 海西光伏日内平均出力过程

图5 带蓄热装置的光热日内运行过程示意图

由于太阳能光伏、风电出力均具备波动性、随机性等特点，特别是短时间内发电出力变化较大时，会对电力系统短时间的有功功率平衡及频率稳定产生影响，为维持系统频率稳定，需要电网配置足够的快速反应容量来适应新能源出力的随机波动。抽水蓄能电站承卸负荷迅速灵活，能适应负荷的急剧变化，调频性能好，可以很好地承担电网快速负荷跟踪和维持电网频率稳定任务。

多能互补运行方式研究

一、互补运行分析原则

（1）分析时段以小时为主，主要研究日内互补运行方式，小时内出力变化由电调控制系统控制。

（2）海西地区电力电量考虑通过直流特高压输电通道外送，考虑通道输电容量对互补电源发电容量的限制。多能互补运行方式即考虑送端电源发电特性，又尽可能适应受端电网负荷需求特性，电力负荷需求按照日内呈现两至三个台阶状来考虑。

（3）目前光热发电缺乏实测出力过程，本次分析暂按光热电站年利用小时3500小时考虑。光热电站在太阳能辐射强时最小发电出力不低于装机容量20%考虑。

（4）针对各类能源的发电特性，在风光发电出力自然组合的基础上，分析其风光组合电源发电特性，并以风光互补后为基础，由光热、抽水蓄能电站进行补偿分析。

二、互补运行方式分析

根据风光组合电源后的出力过程，选取较大、平均、较小三个代表日对互补运行方式进行分析。

图6 海西风电出力－保证率－电量累积曲线

图7 海西风电月平均出力过程

图8 海西风电日内平均出力过程

从图9可见，在较大代表日情况下，考虑外送通道输电容量限制后，风电、光伏、光热、抽水蓄能互补后，日内平均出力呈现三个台阶状：

1：00－9：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为50%；此时段主要由光热通过蓄热系统发电，并伴有风电运行。

9：00－18：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为50%－100%。出现风电、光伏大发时，光热压低至最小技术出力运行，将大量太阳能转换为热能蓄至储热系统中，超出线路输电容量的新能源通过抽水蓄能抽水。

18：00－24：00之间平均出力占外送通道输电容量比值范围为70%。晚高峰时段主要由风电、光热、抽水蓄能发电运行。

在较大代表日情况下，日内平均出力约占外送通道输电容量比值范围为69%。

从图10可见，在平均代表日情况下，考虑外送通道输电容量限制后，风、光、光热互补后，日内平均出力呈现三个台阶状：

1：00－8：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为22.5%，主要由光热储热部分发电。

8：00－17：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为22.5%－100%；主要由光伏、风电、光热运行，同时光热将多余热能蓄至储热系统中在傍晚以后发电。

15：00－24：00之间平均出力占外送通道输电容量比值范围为67%，主要由光热储热系统发电。

在平均代表日情况下，日内平均出力约占外送通道输电容量比值范围为56%。

从图11可见，在较小代表日情况下，考虑外送通道输电容量限制后，风、光、光热互补后，日内各类电源互补后平均出力呈现两个台阶状：

1：00－10：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为22.5%，主要由光热储热部分发电运行。

11：00－24：00之间平均出力占外送通道输电容量比值为49%，主要由光热、光伏、风电运行。

在较小代表日情况下，日内平均出力约占外送通道输电容量比值范围为37%。

三、小结

（1）根据风电出力特性分析，风电随机性强，月际平均出力约40%变化，发电量95%的有效容量系数较高。

（2）根据光伏发电出力特性分析，光伏发电以日变化为主，月际平均出力约20%变化，发电量98%的有效容量系数约0.66。

（3）以风光组合电源发电特性分析，发电量95%的有效容量系数约0.52；发电量98%的有效容量系数约0.57。光热电站通过储热单元可对风光发电出力进行补偿，在太阳能辐射强时最小发电出力不低于装机容量20%。

（4）通过光伏、风电与光热、抽水蓄能互补运行，负荷高峰时段的出力可达到送电通道输电容量的50%－100%，可以较为稳定、有效地送出可再生能源的电力电量，提高输出电能质量。

结语

青海海西地区具备多能互补的基础条件，本文针对太阳能光热、抽水蓄能、光伏、风电互补运行方式进行了分析和研究，充分利用光热、抽水蓄能电站对光伏、风电的补偿作用，来削弱光伏、风电不稳定波动，更大地发挥了可再生能源的优势，对太阳能光热与常规清洁能源的互补运行具有一定指导意义。

图9 基地电源互补运行方式（较大代表日）

图10 基地电源互补运行方式（平均代表日）

图11 基地电源互补运行方式（较小代表日）

（作者单位：中国电建西北勘测设计研究院有限公司）