基于自主调峰的工业园区绿色供电方案研究

罗 咏，陈 旭，熊 力

(1.水电水利规划设计总院，北京100120；2.水电水利规划设计总院有限公司，北京100120；3.湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北武汉430040)

0 引 言

国家提出要在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，并加强可再生能源电力消纳责任权重的评价考核，将其纳入地方经济社会发展考核体系。内蒙古自治区响应国家号召，在新能源开发方面建立了多元化的并网机制，优先支持市场化项目，保障工业园区绿色供电项目高质量建设，推进有新增负荷的园区绿色供电项目建设[1]。

1 项目概况

1.1 项目背景

2021年2月，国务院印发关于《加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，提出要以节能环保、清洁生产、清洁能源等为重点率先突破，做好与农业、制造业、服务业和信息技术的融合发展。2022年3月4日，内蒙古自治区人民政府办公厅印发了《关于推动全区风电光伏新能源产业高质量发展的意见》，优先支持全额自发自用和不占用电网调峰空间的市场化并网消纳项目。工业园区绿色供电项目是基于园区新增负荷用能水平和负荷特性配置一定规模的市场化新能源项目[2]，坚持自我消纳、自主调峰的原则，以提高终端用能的新能源电力比重。本文以内蒙古自治区兴安盟经济技术开发区内某工业绿色供电项目为例，开展园区绿色供电方案研究。

兴安盟经济技术开发区建设绿色供电项目符合现代能源经济的发展方向，符合新型电力系统的发展趋势，对于推进经济技术开发区节能减排[3]，对兴安盟双碳目标的实现具有重要意义。项目建成后可充分利用当地的可再生能源资源，通过多种能源综合利用[4]，提高清洁能源消纳比例及能源综合利用效率，最终实现园区低碳绿色用能，具有重大的示范意义。

1.2 项目建设条件

1.2.1 项目场址条件

项目位于兴安盟经济技术开发区园区，采用风电为园区进行绿色供电[5]，并配置了一定规模的电化学储能装置实现自主调峰[6]，风电场址位于兴安盟乌兰浩特市境内，避开了草原保护区、基本农田、林地、生态红线等各类限制性因素。

1.2.2 风能资源条件

项目所以地乌兰浩特市整体风资源较好，本阶段收集到拟规划项目附近测风塔测风数据，该测风塔海拔高度377 m，最高测风高度120 m。从测风高度代表性来看，测风塔的最高测风层为120 m，而本次推荐机型轮毂高度为110 m，测风塔实测高度可以涵盖轮毂高度，测风高度代表性较好。通过对风电场场址区内测风塔数据的基本要素分析，场址区风能资源分布特点和特性如下：

(1)风能资源条件较好。本风电场平均轮毂高度处空气密度约1.188 kg/m3。测风塔110 m预装轮毂高度代表年平均风速分别为7.27 m/s，风功率密度分别为412 W/m2。

(2)风向较为稳定。测风塔轮毂高度风向主要集中在WNW～N，总体以WNW方向为主，主风能集中在WNW～NW，总体以WNW方向为主，主风向与主风能方向基本一致。总体而言，本风电基地场址区域风向集中，主导风向明显，基本以西北偏西风为主。

(3)风速年内变化幅度较大，日内变化幅度较大。测风塔处在3月～5月风速较大，6月～9月风速相对较小。测风塔年内风功率密度变化规律与风速变化规律基本一致。平均风功率密度与平均风速在年内变化幅度较大。各测风塔19∶00～次日5∶00是全天风速相对比较大的时段，其他时段小时平均风速相对较小；风功率密度日变化与风速日变化规律基本一致，均为白天风速相对较小，夜间风速相对较大。

(4)湍流强度偏弱，风切变指数较小。测风塔在100 m处风速为15 m/s时的平均湍流强度为0.092；代表湍流强度为0.138，湍流强度基本呈现随高度增加而降低的规律。同时结合测风塔100 m的有效风速段代表湍流强度曲线基本位于IECB类曲线以下。按照IEC61400-1(2019)标准判断测风塔100 m及以上高度湍流强度属于IECB类等级。测风塔30 m及以上高度拟合风切变指数为0.207，50 m及以上高度拟合风切变指数为0.218。总体来看，本风电场工程场址范围风切变指数处于中等水平，适宜采用常规轮毂高度。

1.2.3 园区电网条件

本项目负荷主要为园区内化工企业、物流公司和电力设备制造企业。兴安盟经济技术开发区220 kV 8连变现有2台180 MV·A主变，总容量360 MV·A，现在负荷110 MW，新增负荷共131.9 MW，总负荷为241.9 MW，八连变具有新能源电站接入的能力，同时220 kV侧也具有良好的间隔扩容条件。

2 工业园区用电分析

兴安盟经济技术开发区位于乌兰浩特市境内，重点打造再生资源清洁精深利用和清洁能源高端装备制造两大示范创新基地。本期工程匹配负荷为开发区新增生产负荷，新增负荷为13.66万kW，年用电量为11.39亿kW·h。本项目新增用电负荷绝大部分为化工企业合成氨与尿酸项目二期工程生产负荷，根据化工负荷典型特性，并结合一期工程投产后的实际负荷情况，考虑二期工程用电负荷为24 h连续生产，正常方式下负荷始终保持在10万kW稳定运行，最大用电负荷约12万kW。每年检修期约15 d，选择新能源出力较小时段进行检修。本项目负荷涉及多家企业，主要用电负荷为化工项目二期工程，用电企业可灵活选择检修时间，为降低用电成本负荷企业将优先选择新能源出力较小的时段，对生产系统进行轮停检修。检修方式下仍可保持园区新增负荷部分电力基本平衡。

3 绿色供电方案研究

3.1 负荷特性分析

兴安盟经济技术开发区园区绿色供电项目用电负荷由公司新能源电站与电网共同承担，新能源所发电量给园区供电，缺额部分从电网购电[7]。园区新增用电负荷的总用电量11.39亿kW·h，生产负荷用电曲线较为稳定。用电负荷及检修情况如表1所示。

表1 用电负荷及检修情况

根据表1中园区新增用电负荷及检修情况，年最大负荷、平均负荷曲线、典型日负荷曲线如图1、2所示。年负荷曲线中，化工公司用电负荷10.71万kW，7月检修15 d，纤维科技有限公司用电负荷0.6万kW，11月检修15 d，因此7月平均负荷较小，11月平均负荷也略小，其他月份基本无变化。典型日负荷曲线中，日最高负荷14万kW，最低负荷12.1万kW，峰谷差1.9万kW，占最大负荷比例约为13.6%。

图1 园区新增用电负荷年特性曲线

图2 园区新增用电负荷典型日特性曲线

3.2 新能源出力特性分析

兴安盟风能资源也较好，图3为各月最大出力和平均出力，图4为四季典型日出力曲线。

图3 风电年出力曲线

图4 风电四季典型日出力曲线

3.3 典型日生产运行模拟

3.3.1 生产运行模拟条件

园区最大用电负荷为13.66万kW，年总消耗电量为11.39亿kW·h。新能源装机由于受土地资源约束，风电装机为16.875万kW，储能按总装机规模的15%/4 h考虑。

3.3.2 运行约束条件

根据《内蒙古自治区工业园区绿色供电项目实施细则(2022年版)》，配置储能规模不低于新能源装机容量的15%/4 h，新能源电力不得向公网送电，不得占用公网调峰资源。

3.3.3 风储荷耦合特性分析

新能源电站、储能系统向工业园区绿色供电项目系统全年8 760 h耦合曲线如图5所示[8]。

图5 风储荷耦合平衡全年8 760 h运行曲线

本项目配置了15%/4 h的储能装置，配合建设的智能控制系统[9]，当新能源出力超过园区最大负荷时刻多余电量部分存入储能系统，部分弃电。到新能源出力较低时，储能系统将存储电量释放，供园区用电负荷，减轻园区从电网购电压力。实现园区用电绿色电能替代，通过储能和弃电，保证新能源不向公网输送电力，不额外增加公网调峰压力[10]。园区用电由新能源电力绿色替代后，缺额部分通过公网购电满足园区用电需求。

春季、冬季典型日中新能源出力较好，储能充满电后，多余电量弃掉，待到新能源出力降低至小于用电负荷时，储能放电，后续新能源出力又升高大于负荷时，新能源继续充电，直至充满后，多余电量弃掉，直到第二天或后续新能源出力降低至小于用电负荷时，储能再放电，通过储能充放电及弃电实现风储系统出力基本跟随园区负荷曲线变化，保证风储荷系统从电网下电基本为稳定值，实现风储系统的自主调峰[11]。夏季、秋季典型日中新能源出力相对较低，通过储能对新能源出力进行削峰填谷，实现风储系统出力基本跟随园区负荷曲线变化，园区从电网下电量也是稳定值，实现风储系统的自主调峰[12]。

经计算项目实施前后风储项目从电网购电峰谷差比例对比如表2所示。

表2 项目实施前后主网供电峰谷差比例对比

综上所述，本项目新能源电量全部由新增负荷消纳。项目实施后，通过储能系统的调节作用以及采取部分弃电措施，实现风储系统出力基本跟随园区负荷曲线变化而变化[13]，从而保证风储荷系统从主网购电电力基本维持在相对稳定值，项目实施后，四季典型日主网供电峰谷差比例相对于项目实施前均有所下降，实现系统自主调峰，不增加主网调峰峰谷差比例[14]。

经耦合分析，由于本项目配置了15%/4 h的储能装置，配合建设的智能控制系统[15]，可随新能源出力波动，实现自主调峰，且分析时，考虑了多余电量弃电，不向电网反送电。

4 项目接入方案及消纳分析

4.1 接入方案

根据本项目建设规划和规模，综合考虑新能源电站以220 kV电压等级接入220 kV八连变。本方案中风电场至八连220 kV线路采用LGJ-300，线路极限输送容量约240 MV·A，满足新能源装机规模的输送需求。

4.2 消纳分析

为分析园区电量及新能源接纳能力，对园区电量进行分析计算：

本项目风电装机规模168.75 MW，年发电量合计5.40亿kW·h，储能配置为新能源装机规模15%/4 h，即25.3 MW/101.2 MW·h。

经过对新能源出力及负荷8 760 h特性数据进行对比统计分析，新能源出力超过园区负荷小时数为952 h，该952 h新能源累计总发电量为1.202亿kW·h，其中园区负荷端消耗电量1.122亿kW·h，多余发电量约为0.081亿kW·h。若不配置储能，该部分电量需要全部弃掉，弃电率为1.50%。

配置15%/4 h储能装置后，储能按最佳状态工作，当新能源出力超过园区负荷时，储能开始充电，若储能充满或者新能源出力下降低于园区负荷时则停止充电；当新能源出力低于园区负荷时，储能开始放电，若储能存储电量全部放完或者新能源出力增大超过园区负荷时，则停止放电，经对新能源出力及负荷8 760 h特性数据进行统计分析计算，储能投运后可削峰填谷的电量累计为0.027亿kW·h，则配置储能后实际弃电量为0.053亿kW·h，弃电率为0.99%，相对于不配置储能的情况，新能源弃电率下降了0.51%。园区绿色替代电量为5.347亿kW·h，绿色替代电量占园区总电量需求比例为46.94%。

即本项目风电装机规模168.75 MW，通过配置15%/4 h的储能，并考虑0.99%的弃电率，可满足新能源电量不上网，新能源实现自主调峰，不额外增加电网调峰压力，同时园区绿电替代比例达到46.94%。

该项目用电负荷以化工负荷为主，负荷特性为24小时不间断连续生产。根据全年8 760 h风光荷储耦合分析结果，该项目新能源弃电率为0.99%。该项目风电建设成本较低，可达到4.5元/W，考虑弃电后项目资本金内部收益率仍可达到15.17%。考虑到兴安盟经济技术开发区近年来发展势头良好，负荷增长仍有较大空间。随着园区内新用电项目落地，消纳条件可进一步改善。基于以上分析，评估认为该项目的新能源配置规模是基本合理的[16]。

5 结论与建议

综上所述，通过对兴安盟经济技术开发区内工业园区的新增负荷情况进行了分析研究，结合负荷特性开展基于自主调峰的工业园区绿色供电方案研究，主要结论如下：

(1)项目所在地风能资源丰富，年有效风速的持续时间长。通过对风电场场址区内测风塔数据的基本要素分析，场址区风能资源条件较好，平均轮毂高度处空气密度约1.188 kg/m3。测风塔110 m预装轮毂高度代表年平均风速分别为7.27 m/s，风功率密度分别为412 W/m2。风向集中，主导风向明显，风速年内变化幅度较大，日内变化幅度较大。湍流强度偏弱，风切变指数较小，适宜采用常规轮毂高度。

(2)项目新增负荷为13.66万kW，年用电量为11.39亿kW·h，负荷等级包信二级和三级，主要用电负荷为化工项目负荷，用电企业可灵活选择检修时间，为降低用电成本负荷企业将优先选择新能源出力较小的时段，对生产系统进行轮停检修。检修方式下仍可保持园区新增负荷部分电力基本平衡。

(3)项目风电装机为16.875万kW，储能按总装机规模的15%/4 h考虑，配合建设的智能控制系统，可随新能源出力波动，实现自主调峰，且分析时，考虑了多余电量弃电，不向电网反送电，并开展了全年8 760 h的风储荷耦合特性分析，通过储能系统的调节作用以及采取部分弃电措施，实现风储系统出力基本跟随园区负荷曲线变化而变化，从而保证风储荷系统从主网购电电力基本维持在相对稳定值，项目实施后，四季典型日主网供电峰谷差比例相对于项目实施前均有所下降，实现系统自主调峰，不增加主网调峰峰谷差比例。