近年來，我國新能源并網(wǎng)裝機(jī)和消納總量高增長。截至2015年底，我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)128.3GW，全國風(fēng)電發(fā)電量為185.1TWh，裝機(jī)總量居世界第一，但是嚴(yán)重的棄風(fēng)問題制約著我國從世界大風(fēng)電裝機(jī)國邁向世界最大風(fēng)電利用國。風(fēng)力資源最豐富的“三北”地區(qū)也是棄風(fēng)最為嚴(yán)重的地區(qū)，以吉省為代表，棄風(fēng)率連年超過30%，風(fēng)電消納問題引起社會(huì)的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)階段國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)圍繞棄風(fēng)題，基于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，從機(jī)理上深入探討，分問題產(chǎn)生的根源，致力于找出科學(xué)的解決途徑。

國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院(以簡稱“國網(wǎng)吉林電科院”)經(jīng)過多年在新能源領(lǐng)域中不懈努力，已經(jīng)建立了一支“風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)一網(wǎng)源協(xié)技術(shù)一風(fēng)電消納技術(shù)”閉環(huán)式科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，人才優(yōu)明顯，技術(shù)實(shí)力雄厚，具有良好的試驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。前擁有一個(gè)中心，兩個(gè)省級(jí)工程實(shí)驗(yàn)室，即吉林省風(fēng)并網(wǎng)技術(shù)研究與檢測中心、吉林省風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)及消能力研究工程實(shí)驗(yàn)室和大電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)室。近三年，網(wǎng)吉林電科院在新能源技術(shù)領(lǐng)域中先后承擔(dān)了國網(wǎng)司、吉林省科技廳和工信廳等相關(guān)科技項(xiàng)目34項(xiàng)，究成果全部達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平及以上，并建設(shè)了多個(gè)范工程進(jìn)行推廣應(yīng)用，在風(fēng)電消納方面取得了諸多實(shí)經(jīng)驗(yàn)。

我國“三北”地區(qū)棄風(fēng)的主要原因

分析我國“三北地區(qū)”棄風(fēng)問題產(chǎn)生的根源，要表現(xiàn)在低負(fù)荷、供熱期電網(wǎng)向下調(diào)峰能力不足和電外送能力弱。

“三北”地區(qū)新能源裝機(jī)與負(fù)荷呈逆相關(guān)，負(fù)占全國總負(fù)荷的36%，但風(fēng)電裝機(jī)占了全國的70%，電滲透率高達(dá)70%，其中，蒙東的風(fēng)電滲透率已經(jīng)超100%。而山東、江蘇的風(fēng)電裝機(jī)總量也很大，但基本實(shí)了全額消納。因此，低負(fù)荷是制約風(fēng)電消納的根本原因。

冬季供熱是“三北”地區(qū)的固有特點(diǎn)，以吉林為例。吉林省電源結(jié)構(gòu)以火電為主，達(dá)到省調(diào)直調(diào)裝的75.5%，供熱機(jī)組又占了火電機(jī)組的總裝機(jī)的92%為保證冬季采暖，供熱機(jī)組“以熱定電”，不能深度峰，調(diào)峰能力僅為20%左右。而整個(gè)東北區(qū)域抽水蓄等靈活調(diào)節(jié)電源占比只有1.5%。負(fù)荷低谷時(shí)，電網(wǎng)下調(diào)峰異常艱難，恰逢風(fēng)電需求大，造成了大量的風(fēng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，東北地區(qū)90%以上的棄風(fēng)電量發(fā)生在供期，負(fù)荷低谷棄風(fēng)電量又占總棄風(fēng)的80%基于以上兩點(diǎn)，風(fēng)電消納對(duì)電網(wǎng)外送提出了更高求。然而，目前國內(nèi)的電網(wǎng)仍不能滿足“三北”的風(fēng)電送。截至2015年底，東北電網(wǎng)新能源裝機(jī)已達(dá)25.5GW電力富余20GW以上，跨區(qū)外送華北地區(qū)的輸電能力有3GW，電網(wǎng)外送能力較弱。

風(fēng)電消納的解決措施和儲(chǔ)能的需求分析

對(duì)“三北”地區(qū)棄風(fēng)問題產(chǎn)生的根源，解決“北”地區(qū)風(fēng)電消納的有效措施可概括為以下三個(gè)方面即提高火電機(jī)組的電源調(diào)節(jié)能力，加快推進(jìn)抽蓄電站設(shè);積極推進(jìn)“三北”電網(wǎng)的特高壓直流外送通道設(shè)，加強(qiáng)送受端交流電網(wǎng)建設(shè)，保證跨區(qū)直流能夠大率運(yùn)行;推進(jìn)煤改電供熱等電能替代，推廣風(fēng)電供暖同時(shí)加強(qiáng)需求側(cè)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)峰。

以上三個(gè)措施都需要打破現(xiàn)有的電力生產(chǎn)和消耗時(shí)平衡，而儲(chǔ)能技術(shù)具有多能轉(zhuǎn)換和能量時(shí)移的特點(diǎn)是協(xié)調(diào)電源和負(fù)荷的有效手段。儲(chǔ)能技術(shù)既包括熱儲(chǔ)等廣義儲(chǔ)能，也包括電化學(xué)儲(chǔ)能，如鏗電池、液流電等。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)可在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用電多個(gè)節(jié)中應(yīng)用，其可協(xié)調(diào)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，提高組的深度調(diào)峰能力，可為送受端電網(wǎng)提供快速功率釋和支撐，提高特高壓直流輸電的穩(wěn)定性，可作為可控荷參與電網(wǎng)調(diào)峰，提升負(fù)荷的可調(diào)度性。因此，大規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠多維角度為風(fēng)電消納提供負(fù)荷空間，是決棄風(fēng)的的必然需求。

儲(chǔ)能的多環(huán)節(jié)應(yīng)用提升風(fēng)電消納的機(jī)理

蓄熱式電鍋爐作為一種廣義的儲(chǔ)能系統(tǒng)，協(xié)調(diào)電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，為消納風(fēng)電提負(fù)荷空間。該項(xiàng)技術(shù)在北歐地區(qū)的應(yīng)用最為成熟，丹最為典型。隨著國家政策的支持，“三北”地區(qū)多家電廠開展蓄熱式電鍋爐融合機(jī)組進(jìn)行靈活性改造項(xiàng)目利用電鍋爐解禍熱電機(jī)組的“以熱定電”模式，配置電鍋爐容量決定了其機(jī)組深度調(diào)峰的能力。負(fù)荷低谷段，降低熱電機(jī)組出力，由此損失的供熱量由配置的鍋爐運(yùn)行補(bǔ)充，多余的熱量存入蓄熱罐，在熱負(fù)荷高期釋放。火電機(jī)組靈活性改造后一方面實(shí)現(xiàn)了熱電機(jī)的深度調(diào)峰，另一方面實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷時(shí)移，大大增加了電消納的負(fù)荷空間。

利用棄風(fēng)電量進(jìn)行電供熱是解決“三北”地區(qū)風(fēng)問題的有效手段。夜間負(fù)荷低谷時(shí)段，利用谷電電或者協(xié)定的棄風(fēng)電價(jià)對(duì)蓄熱式電鍋爐加熱，一方面向熱管網(wǎng)提供熱負(fù)荷，另一方面將多余熱能儲(chǔ)存至蓄罐中，以滿足次日電價(jià)高峰期的熱負(fù)荷要求。然而電爐的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)受機(jī)械部件制約，調(diào)節(jié)速率與風(fēng)功快速波動(dòng)不匹配，無法實(shí)現(xiàn)最大限度的消納風(fēng)電。電學(xué)儲(chǔ)能具有電能雙向流動(dòng)，有功、無功的靈活調(diào)節(jié)等點(diǎn)，其協(xié)調(diào)電鍋爐能夠改善其調(diào)節(jié)靈活性，具備跟蹤風(fēng)功率的能力，提高風(fēng)電供熱的經(jīng)濟(jì)性。

為了解決東北地區(qū)窩電問題，提高新能源外送消能力，2017年新建扎魯特一山東青州士800kV特高壓流輸電及其配套工程，該工程投運(yùn)后最大可外送出力10OOOMW，但該工程投運(yùn)后，全省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行性發(fā)生巨大改變，電網(wǎng)事故的構(gòu)成要素更加復(fù)雜。當(dāng)直流線路滿負(fù)荷運(yùn)行發(fā)生單級(jí)或雙極閉鎖后，松白地頻率將瞬間提高1Hz，重要500kV變電站電壓將被迫高至1.22(pu)，為保證電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定，電將會(huì)通過穩(wěn)控裝置切除大量風(fēng)電機(jī)組，嚴(yán)重影響新能的消納，也為電網(wǎng)帶來了巨大沖擊。隨著大功率PCS術(shù)的快速推進(jìn)，大規(guī)模的電池儲(chǔ)能電站若達(dá)到毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，將會(huì)為扎魯特直流的單極或雙極閉鎖提供速功率釋放，提高直流輸電的頻率和電壓穩(wěn)定性，進(jìn)提升風(fēng)電消納能力。

由于用電存在峰谷電價(jià)，通過儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)用電荷的轉(zhuǎn)移，谷充峰放不僅可以增加低谷負(fù)荷促進(jìn)風(fēng)電納，還存在盈利的可能性。若采用儲(chǔ)能分布式并網(wǎng)，中管理，引入負(fù)荷集成商的運(yùn)營模式，可大幅提高負(fù)的調(diào)度性，再結(jié)合風(fēng)電功率預(yù)側(cè)，可顯著提升風(fēng)電的納能力。

重點(diǎn)示范工程

華能長春熱電廠(2X300MW)火電機(jī)組靈活造工程是國網(wǎng)吉林電科院最新承擔(dān)的調(diào)試項(xiàng)目。該項(xiàng)配置了320MW的固體蓄熱式電鍋爐進(jìn)行機(jī)組靈活性造，進(jìn)而提高機(jī)組的深度調(diào)峰能力，其拓?fù)鋱D如圖1示。依據(jù)現(xiàn)行的電價(jià)政策，火電機(jī)組改造盈利的關(guān)鍵于其參與深度調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)補(bǔ)貼。以該工程為例，造前供熱期熱電機(jī)組最小技術(shù)出力為320MW，改造機(jī)組出力可降低至0MW，負(fù)荷率為0%。該項(xiàng)目總投為3.55億元，考慮其固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、大修費(fèi)、材料和用電電價(jià)等因素，供熱期內(nèi)當(dāng)機(jī)組參與深度調(diào)峰天為150天時(shí)，調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)大于0.44元/}kWh，項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)盈利。根據(jù)《東北電力輔助服務(wù)市場運(yùn)營規(guī)(試行)》，熱電機(jī)組負(fù)荷率}40%時(shí)，輔助服務(wù)費(fèi)0.4一1元之間。因此，該工程參與輔助調(diào)峰的電價(jià)補(bǔ)平均值為0.88元，有巨大的盈利空間，但這完全依賴政策的持續(xù)性，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 蓄熱式電鍋爐協(xié)調(diào)熱電機(jī)組靈活性改造

“儲(chǔ)能融合可控負(fù)荷提升供熱地區(qū)風(fēng)電就地消能力的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”是國網(wǎng)吉林電科院牽的國家電網(wǎng)公司項(xiàng)目。項(xiàng)目最終成果在中廣核大安潔能源供熱工程進(jìn)行示范應(yīng)用，拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能融合蓄熱式電鍋爐提升風(fēng)電消納模式

移動(dòng)式兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)原理及實(shí)物圖如圖3、圖4所示。其中，風(fēng)電場裝機(jī)容量為200MW,蓄熱式電鍋爐額定率為30MW,鏗電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為1MW0.5MWh儲(chǔ)能協(xié)調(diào)蓄熱式電鍋爐在夜間采用低谷電價(jià)時(shí)段跟風(fēng)電預(yù)測出力、電鍋爐制熱并蓄熱的運(yùn)行模式。通不同熱負(fù)荷需求以及電網(wǎng)運(yùn)行約束下的試驗(yàn)驗(yàn)證，一步掌握風(fēng)電一儲(chǔ)能一蓄熱式電鍋爐聯(lián)合運(yùn)行控制調(diào)度管理等核心技術(shù)，解決風(fēng)電一蓄熱式電鍋爐運(yùn)適配性問題，實(shí)現(xiàn)多種資源的綜合利用。儲(chǔ)能系統(tǒng)置后可增加風(fēng)電消納電量比例6%，有效減少了風(fēng)電風(fēng)量。

圖3 移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

圖4 移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物

結(jié)束語

低負(fù)荷、供熱期電網(wǎng)向下調(diào)峰能力不足和電網(wǎng)外能力弱是我國“三北”地區(qū)棄風(fēng)的根源，儲(chǔ)能技術(shù)在力系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)應(yīng)用已成為解決風(fēng)電棄風(fēng)的有效途徑。

除了儲(chǔ)能的應(yīng)用技術(shù)需要繼續(xù)發(fā)展成熟外，有效的運(yùn)模式、市場機(jī)制和政策支撐也是至關(guān)重要的，形成的議如下。

1)應(yīng)用技術(shù)。探索并實(shí)踐儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)中的多種應(yīng)用發(fā)展模式，如儲(chǔ)能參與需求側(cè)響應(yīng)、電調(diào)頻等多種輔助服務(wù)等，并分析不同應(yīng)用下儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，提出有效的運(yùn)營模式。

2)市場機(jī)制。探索適宜儲(chǔ)能發(fā)展的電價(jià)結(jié)構(gòu)，括其在不同應(yīng)用模式下的補(bǔ)貼方式及其退出機(jī)制，多化投資主體及金融環(huán)境。

3)政策引導(dǎo)。完善并推廣國家現(xiàn)行的激勵(lì)政策為儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)多環(huán)節(jié)中廣泛應(yīng)用提供一個(gè)穩(wěn)定政策環(huán)境，激發(fā)國內(nèi)發(fā)電、電網(wǎng)企業(yè)和用戶的投資情。

作者系：國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院副院長

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