新疆新能源消纳研究

闫广新

中国能源建设集团 新疆电力设计院有限公司 乌鲁木齐 830001

1 新疆新能源发展概况

能源是人类社会发展的物质基础,能源安全是国家安全的重要组成部分。在人类共同应对全球气候变化的大背景下,世界各国纷纷制定能源转型战略,提出更高的能效目标,制定更加积极的低碳政策,推动新能源发展,加大温室气体减排力度。由于风能、太阳能等新能源发电具有不连续、不稳定、不可控的特性,大规模并入电网会给电网的安全稳定运行带来严重的冲击,而大规模储能系统可有效实现新能源发电的调幅调频、平滑输出、跟踪计划发电,从而减小新能源发电对电网的冲击,提高电网对新能源发电的消纳能力,有效地解决弃风、弃光问题。

新疆风能资源、太阳能资源丰富,近几年,风电、光伏发电装机比重迅速增大,承担主要调峰和调频任务的火电机组比重逐年下降,冬季供暖期长达六个月,冬季新能源发电丰期与供热期叠加,造成电网调峰、调频异常困难。随着近年来储能技术,特别是电化学储能技术的日益成熟,建设大型储能电站并参与调峰、调频运行,已经是解决调峰、调频问题的必然选择。同时,建设大型储能电站也是降低弃风、弃光率的有效手段[1]。

近几年,随着新疆新能源基地的建设,新能源规模化逐年增大,装机占比已经超过三分之一。截至2018年底,新疆新能源总装机容量为28 717 MW,其中,风电为19 201 MW,光伏为9 516 MW,见表1。

表1 新疆新能源装机容量统计

2 新能源消纳情况

2.1 年度新能源消纳情况

新疆新能源的大规模开发为促进自治区节能减排、推动地方经济发展发挥了十分重要的作用,但由于新能源出力随机性特性,同时受经济下行而造成用电负荷增速下降、调峰电源不足等多重因素影响,随着大批新能源规模化接入,弃风、弃光现象较为严重。新能源弃电比如图1所示,2016年弃风比最高达到38.4%,弃光比最高达到31.8%。随着新能源消纳多措并举的综合实施,如自备电厂替代交易、跨省跨区交易、火电灵活性改造、推进清洁供暖等,弃风、弃光现象得到一定程度的缓解,至2018年,弃风比达22.9%,弃光比达15.5%。

图1 2015年—2018年新能源年弃电比

2.2 月度新能源消纳情况

新疆电网主要依靠火电进行调峰,在进入冬季后大量供热机组需承担供热任务,调峰能力大幅下降,冬季新能源消纳形势要弱于夏季。风电逐月弃风比如图2所示,2017年供热期2月的弃风比最大,为40.7%,2018年弃风比最大为37.9%。光伏逐月弃光比如图3所示,2017年供热期2月的弃光比最大,为46.5%,2018年弃光比最大为24.2%。

3 风电出力特性分析

3.1 年出力特性

根据新疆已投运风电场的样板机出力实测数据,风电发电量呈现一定的季节特性[2-3],如图4所示,12月至翌年4月,风电平均出力较大,7—9月风电平均出力较小。

图2 2017年—2018年风电逐月弃风比

图3 2017年—2018年光伏逐月弃光比

图4 新疆风电可发电量月度分布

3.2 总体出力概率分布

由于风电出力存在着明显的间歇性和不确定性,其出力会在任何时刻因风速的改变而变化。随着风电基地区域面积的增大,风速变化趋于平稳,会在一定程度上削弱整体出力的间歇性和不确定性。如图5所示,新疆风电整体出力特性向风电的平均出力区间集中,极大和极小出力的概率都有所下降。

3.3 日出力特性

根据图6可以看出,新疆风电各时段出力概率分布较为平均,相对而言,夜间1时～6时、12时～17时风电发电量较高,7时～9时、20时～23时风电发电量较低。

图5 新疆风电全年出力概率分布

图6 新疆风电各时段出力概率分布

4 光伏出力特性分析

根据图7所示新疆已投运光伏可发电量月度分布,光伏发电量呈现显著的季节特性,5月—10月的太阳能可发电量较大,发电量占比最大月份为7月、8月,可发电量是最小月份1月的约2.5倍。

图7 新疆光伏可发电量月度分布

新疆光伏典型日出力率如图8所示,夏季,光伏发电的有效时间一般为7时～21时,光伏发电的最大出力率能达到65%以上;冬季,光伏发电的有效时间一般为9时～19时,光伏的最大出力率一般小于40%。但在全年各月内,光伏发电的出力会受到气象的影响,仍然具有较大的波动性和不确定。

5 电化学储能技术

在“十四五”期间,新疆新能源发电装机占比较大,造成电网调峰能力严重不足,需要建设一定规模的储能电站,发挥其削峰填谷、负荷跟踪、调频调压、热备用、电能质量提升等功能,以提高电网对新能源的消纳能力。但是,抽水蓄能电站对场址自然条件要求较高,通常只能借助合适的地形建设,且建设周期较长。目前新疆规划建设两座抽水蓄能电站,其中在建的准东抽水蓄能电站计划2024年建成投运,哈密抽水蓄能电站计划2025年以后投运,这些还远不能解决新疆电网调峰电源容量缺额严重的问题。而电化学储能技术具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵活方便等优点,建设规模可以达到百千瓦至百兆瓦,既适用于电力系统分散式储能,也适合于构建大规模电化学储能电站。参与电力系统调峰调频,是目前国内外电力系统储能行业发展的焦点,而且随着储能示范项目运行经验不断积累,技术创新不断提升,将为储能成本下降创造有利条件,电化学储能将在新能源发电、微电网、电力辅助服务、电网侧、用户侧需求响应等领域出现市场机会和商业化模式,显示出重要价值和广阔前景[4]。

图8 新疆光伏夏季、冬季典型日出力率曲线

电化学储能主要包括铅酸电池、钠硫电池、锂离子电池和液流电池等[5-7],相比于物理储能具备系统简单、安装便捷、运行方式灵活等优点。

5.1 铅酸电池

铅酸电池是以铅及其氧化物为电极、硫酸溶液为电解液的一种可充放电循环电池,具有技术成熟、性价比高、可靠性高、大电流性能好等优点,目前已经成为交通运输、国防、通信、电力等各个部门最为成熟和应用最为广泛的电源技术之一。但是铅酸电池循环寿命短,能量密度低,使用温度范围窄,充电速度慢,过充电容易放出气体,加之铅为重金属,对环境影响大,使其在后期的应用和发展受到了很大的限制。

5.2 钠硫电池

钠硫电池是以金属钠和液态硫为活性物质,工作在300～350 ℃的高温型储能电池,原材料储量丰富,成本较低,具有储能密度高、转化效率高等优点,适用于电力系统调峰、调频。但是,钠硫电池最大的缺点是要在高温下运行,高温、腐蚀问题是阻碍其进一步发展的主要障碍之一,另外,钠硫电池放电深度较小,不能在线测量电池的荷电状态,在电网智能化的今天,限制了其应用场景,研究热度在逐渐下降。

5.3 锂电池

锂电池根据材料不同可以分为磷酸铁锂、钛酸锂、三元锂等。相比于其它电池,锂电池具有循环寿命较长、能量密度高(钴酸锂高达220 Wh/kg)、充放电倍率较高、成本持续下降、能够快速充放电等优点,特别适用于电动汽车等移动式储能方式,近年来,锂电池储能已被广泛应用于调峰调频领域,并逐步占据主要市场。

5.4 液流电池

液流电池是通过正负极活性物质在惰性电极上发生电化学反应而完成能量存储与释放的一类电池,目前比较成熟的液流电池技术包括全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池和多硫化物/溴液流电池。液流电池具有响应速度快、循环寿命长、安全稳定性最强等优点,其中全钒液流电池储能是最成熟的储能技术之一,在国内已经有很多大型示范工程。

6 新疆新能源发展规划

6.1 风电发展规划

新疆地处多风区,其独特的地理环境造就了风向风速分布的多样性。新疆的九大风区多处于戈壁上,地形平坦,可开发面积大,建场条件优越;年平均风功率密度均在150 W/m2以上,有效风速小时数在5 500 h以上,具备建设大型风电场的条件。根据新疆电力中长期规划,至“十四五”末,新疆风电总装机规模可达42 330 MW,其中直流外送配套为19 030 MW。

6.2 光伏发展规划

新疆全年日照时间较长,日照百分比为60%～80%,全疆日照6 h以上的天数在250～325 d,年总日照时数达2 550～3 500 h,太阳年辐射照度为5 500～6 600 MJ/m2,年平均值为580 J/m2,居全国第二位,具有很大的资源开发潜力。根据新疆电力中长期规划,至“十四五”末,新疆光伏发电总装机规模可达20 550 MW,其中直流外送配套5 750 MW。

7 新疆调峰容量需求分析

根据新疆电网冬季典型日负荷特性,考虑火电、水电、抽水蓄能等电源的调峰能力,从而最终确定电网需要新增的调峰容量需求[8-10]。

计算分析边界条件:① 选择水平年2025年,冬季枯水期、供热期,调峰需求最大的季节进行计算分析;② 系统旋转备用容量按全社会最大负荷8%考虑;③ 枯水期间库容的水电机组主要参与调峰;④ 抽水蓄能机组考虑调峰填谷后,调峰能力按装机容量的两倍考虑;⑤ 风电反调峰深度根据出力特性分析,最大按72%考虑;⑥ 考虑到自备电厂通过替代交易消纳新能源部分电量,以及部分供热机组实施灵活性改造,笔者测算中火电机组的综合调峰因数按0.35考虑。

根据上述边界条件计算结果见表2。由表2可知,新疆电网2025年仍需要新增调峰电源容量6 120 MW,调峰压力依然严峻。

表2 2025年冬季调峰容量需求

8 结束语

笔者在分析新疆新能源消纳现状、出力特性的基础上,对新疆电网“十四五”调峰容量需求进行了计算分析,由于新疆主要由火电承担调峰任务,调峰问题将随着新能源装机容量的增长愈发严峻。除新疆计划投资的抽水蓄能电站之外,仍需要建设一定规模的集中式电化学储能,提升新疆电网的调峰能力和电网安全稳定运行水平,为风电、光伏等新能源开发消纳提供坚强支撑,扩大新能源消纳范围,提高新能源利用效率,促进新能源的健康、持续发展。