基于增量思维的刚果矿山光储柴一体化电力解决方案研究

■福建永福电力设计股份有限公司 彭花娜 钟小燕

宁德时代新能源科技股份有限公司 马晟

位于非洲中部的刚果金盛产矿产资源且种类繁多，其中Cu、Co金属含量均居世界前列。随着“一带一路”战略的不断推进，越来越多的中资企业在该区域从事矿产资源生产经营活动[1]。刚果国家经济高度依赖矿产业开发，近年来，刚果政府采取一系列措施促进经济发展和基础设施建设，刺激电力需求的快速增长，但其电力供应仍明显不能满足国内生产和生活的基本用电需要，造成经常性大范围停电，需经常依赖柴油发电机自行发电。在东南部加丹加省，随着矿业冶炼企业数量不断增多，生产规模逐步扩大，相应的电力基础设施尚未完成配套升级，该地区矿山电力缺口巨大（仅能满足设计能力的40%左右），经常出现不规律停电现象，给企业正常生产造成巨大影响。部分企业采用柴油发电或从赞比亚进口电力方式，或通过自建、合建水电站，或在矿区开发太阳能发电项目，以此来缓解“电荒”[2]。本文基于增量思维，分析刚果某矿山电力现有供应方案痛点，并提出光储柴一体化电力解决方案，以期为中资企业后续在刚果进行矿山项目开发提供思路模板，并为后续与刚果电力公司联合开发更多联合发电项目打下坚实基础。

1.问题提出

1.1 项目基本情况

该项目标的为某中资企业在刚果南部投资的某矿山，海拔小于1500m，项目地站址水平面平均年总辐射量为7640MJ/m2。

1.2 现供电方案痛点分析

目前，矿山本体项目已建成一年时间，建设有1台25MVA主变压器，1回120kV线路，预留1台主变，1回线路，负载上限为15MW。现电网供电能力为8MW～13MW，且可靠性极低，非计划停电频繁；矿山在电网停电期间，采用柴发发电，费用高，单价为33美分，且需减负载（配置1.8MW＊7，按不停电负载需求至少运行3台）运行。

由于电网为非计划停电，柴发启动时间一般需30s，在电网与柴发交接供电阶段，将出现全矿山停电的情况，对设备的运行十分不利。

1.3 项目诉求

解决现供电方案痛点，并达到矿山期望供电水平，提高矿山供电可靠性，同时满足矿山全年满负荷运行要求（电网长时间故障的严重工况除外）。

2.解决思路

2.1 总体思路

以实现刚果某矿山业主期望供电水平为基本要求，以项目参与各方（矿山、电力公司、投资方）均获得收益，达到多方共赢为目标。

2.2 具体思路

采用光储柴一体化解决方案，光储发电量优先考虑供给矿山使用，盈余电量上网；光储供电不能覆盖区域，由电网完成供电；极端工况光储、电网均失电情况下，柴发作为后备启动——供电能力覆盖矿山重要负荷全年8760h，电量提升，产能提升，矿山业主受益。

储能在光伏有发电情况下，每日强制性完成一个充放循环，储能系统按平滑光伏功率输出、削峰填谷满足外部电网停电时矿山正常供电需求（期望供电功率15MW、储能放电时长3h），作为储能规模配置依据，按此配置，可完成柴发替代要求，储能完成柴发替代，代价低于柴发，矿山业主受益。

光储柴项目售电至电网电价低于电网向矿山售电电价；矿山场地较大，后期可考虑增加规模，电网可赚取差价同时缓解电荒，电网受益。

光储柴一体化方案在电网停电时间小于3h时供电示意详见图1；电网停电时间大于3h时，需启动柴发满足不间断负荷供电需求，供电示意详见图2。

图1 光储柴一体化方案供电示意图（停电时间＜3h）

图2 光储柴一体化方案供电示意图（停电时间＞3h）

3.光储柴一体化电力解决方案

3.1 基础数据分析

本文分别从光资源、电量缺额、停电概率、投资环境等方面进行分析。

3.1.1 光资源分析

项目地站址水平面平均年总辐射量为7640MJ/m2，光资源条件优越；可达到I类资源区(等效利用小时数 ＞1600)。

3.1.2 电量缺额分析

现“电网+柴发”提供用电量能力为1.0145亿kWh，与期望供电水平1.3140亿kWh相差较远，电量缺额—0.2996亿kWh，电量可提升空间为29.5%。

3.1.3 停电概率分析

根据矿山业主提供停电数据进行统计分析，如图3所示。

图3 矿山业主提供停电数据局部图

从矿山业主提供的停电数据可知，电网停电分布、时长无规律可循。为分析储能替代柴发后的停电覆盖能力，需对停电概率进行统计分析。由于项目采用增量思维，总体方案为光储柴一体化方案，因此，项目投产后在有光照时间电网停电时，矿山可以由光储项目供电，停电数据不计入，对于无光照时间停电，停电数据需计入停电概率统计。统计矿山无光照期间停电时间概率分布详见表1、图4。

表1 矿山无光照期间停电时间概率分布表

图4 矿山无光照期间停电时间概率分布图

由停电时间概率分布可知，当配置15MW/45mWh储能时，保障厂区15MW负荷运行3h，需要利用柴发作为备用的概率为24%；当15MW/60mWh储能保障厂区15MW负荷运行4h，需要利用柴发作为备用的概率为15%；当15MW/75mWh储能保障厂区15MW负荷运行5h，需要利用柴发作为备用的概率为10%。当储能配置时间越来越长，增加的储能部分投资代价远大于在光储、电网均失电前提下由柴发供电所需的代价。当配置3h时，储能替代柴发可覆盖的概率为76%。通过沟通，按时长3h进行考虑。

3.1.4 投资环境分析

该项目要从经济、法律、政策、技术等方面进行详细分析。刚果目前政局不稳，社会稳定性较差，营商环境差，通货膨胀率居高不下，政府融资困难，赋税繁重。但是，刚果的电力市场前景大、发展空间大、光资源条件极佳。因此，进入该国别展开投资活动，需做好充分准备，对风险有足够的应对措施。

3.2 光储柴规模配置

3.2.1 柴发规模

现矿山在电网停电期间，采用柴发发电，单价为33美分，费用较高，减负载（配置1.8MW＊7，按不停电负载需求至少运行3台）运行。采用光储柴一体化方案后，不改变现有柴发方案，柴发规模保持不变，仅使用条件修订为：极端工况光储、电网均失电情况下，柴发作为后备启动。

图9 规模二电量平衡图（一期55MWp+15MW/61.12mWh，二期185MWp）

3.2.2 储能规模

国内规范对于风光储一体化项目储能配置原则为：风光储联合发电系统的容量配比应以电网不同调控模式（平滑功率输出、跟踪计划出力、系统削峰填谷等模式）要求为目标，经技术经济综合比较后最终确定。矿山项目对于储能作用需求为柴发替代，规模为15MW/45mWh。

由于储能配合光伏使用，每天最多只能完成一个充放循环，按现阶段储能投资进行测算，储能度电成本约为32美分，大于售电电价15美分，无法形成合理收益，因此，储能规模配置中不考虑时移规模。

考虑电池的初始循环效率为95.6%，放电深度为99%，系统直流转交流效率为97%，并网点在第九年末电池可用电量为45mWh，电池的初始配置量为61.12mWh。

3.2.3 光伏规模

根据不同的边界设定，光伏规模取值不同。

边界一：考虑到与电力公司对接耗时较长，可能影响工期，按电量就地平衡测算，光伏发电优先自发自用，不考虑盈余电力上网，光伏最大弃光率不超过5%，测算规模为41MWp。按此规模下矿山典型日负荷及光伏出力曲线详见图5。

图5 矿山典型日负荷及光伏出力曲线（41MWp）

边界二：光伏发电优先自发自用，考虑盈余电力上网，光伏最大弃光率不超过5%，且满足现有主变容量不过载，测算规模为55MWp。按此规模下矿山典型日负荷及光伏出力曲线详见图6。

图6 矿山典型日负荷及光伏出力曲线（55MWp）

边界三：光伏出力按弱光期均满足储能容量测算，测算规模为18MWp。按此规模下矿山典型日负荷及光伏出力曲线详见图7。

图7 矿山典型日负荷及光伏出力曲线（55MWp）

电量平衡计算：三种边界下，光伏规模不同，储能规模一致。其中，边界二考虑与电力公司沟通顺畅，利用矿山空余场地建设单独的光伏站，二期建设光伏站规模为185MWp。分别进行电量平衡计算详见图8～图10。

图8 规模一电量平衡图（55MWp+15MW/61.12mWh）

图10 规模三电量平衡图（18MWp+15MW/61.12mWh）

3.3 光储柴项目对矿山本体项目影响分析

3.3.1 项目开采年限影响分析

矿山签订合同模式若为固定产量、固定年限，采用光储柴一体化项目后，供电可靠性提高及电量、产能提升，因此开采年限将缩短。开采年限缩短意味着资金早日回笼，对项目有利。

矿山签订合同模式若为不固定产量，仅固定年限，采用光储柴一体化项目后，供电可靠性提高及电量、产能提升，而开采年限不缩短。产能提升意味着项目的经济效益更优，对项目十分有利。该部分的影响需具体项目具体分析。

3.3.2 供电可靠性影响分析

以年均停电小时数及供电可靠率作为供电可靠性指标进行量化分析，项目投产前后供电可靠性对比结果见表2。从中可以看出，该项目投产后矿山供电可靠率将提高11.2%，供电可靠性大大提升。

表2 项目投产前后供电可靠性对比结果

3.3.3 项目间接收益影响分析

无论矿山本体采用何种合同模式，供电可靠性提高及电量提升，对其均将产生较为可观的经济收益。在进行经济评价时，若由矿山业主进行项目投资，由光储柴一体化项目带来的间接收益，应给予量化考量。

3.4 经济评价

三种方案的经济评价指标详见表3。

表3 三种方案经济评价指标表

从表3可知，无论采用哪种方案，全投资内部收益率均高于20%，方案一为最优选择，项目具有较好的投资回报。

4.结论

本文基于增量思维，针对刚果某矿山电力现有供应方案痛点，因地制宜利用矿区空余场地装设光伏设施。光伏发电优先满足自发自用，盈余电力上网，同时，配置储能设施用于柴发替代，形成光储柴一体化电力解决方案。该方案不仅可以实现“源网荷储”友好互动，提高矿山供电可靠性并达到期望供电水平，大幅提升矿山产能，创造可观经济效益，同时还可实现对太阳能、空余场地综合利用，缓解刚果电网供电压力，具有良好的社会示范效益。通过该项目的实践，可为中资企业后续在刚果进行矿山项目开发提供思路模板，并为后续与刚果电力公司联合开发更多联合发电项目打下坚实基础。