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黃興宇:多能互補集成優化分析及實踐

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國儲能網 發布時間:2019-08-14 瀏覽:
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中國儲能網訊:8月9—10日,由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會聯合中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司、西安北大科技園、中國科學院電工研究所儲能技術組、深圳市科陸電子科技股份有限公司等單位聯合主辦“第二屆全國發電側儲能技術與應用高層研討會”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監管部門、行業專家、設計院、新能源發電業主單位、電力公司、系統集成商、項目承包商、投融資機構等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會。  

主辦方邀請到中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司設計總工程師黃興宇就“多能互補集成優化分析及實踐”做主題報告,以下為其報告主要內容。

黃興宇

尊敬的各位領導,各位專家,大家上午好!

由于劉成設總臨時出差,今天由我進行報告。我主要就我院近期開展的多能互補的工作以及在西北地區大電網的開發、研究過程和兩個項目的實施經驗進行分享。 我的報告分為五個部分:

一、多能互補系統建設的必要性。

1、我國能源結構現狀。眾所周知,我國能源結構體系是以煤為主的,煤炭消費占比70%,能源生產不可持續,環境污染嚴重,可再生能源消納困難;同時,二是能源使用效率低單,位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍;此外,設備利用率低:輸電設備<50%,配電設備<30%;三是根據低碳綠色發展的要求,我國政府承諾在2020年非化石能源占一次能源消費比例達到15%,2020年單位GDP二氧化碳排放量較2015年下降18% 。

2、我國能源結構發展趨勢,預計我國2020年、2030年非化石能源占一次能源消費比例達到15%和20%。

3、新能源消納型式以“電” 為主。要提高新能源消納,則需要從生產及消費兩端開展清潔替代。能源生產端實現清潔替代:以太陽能、風能、水能等清潔能源替代化石能源,實現以清潔能源為主導,推動能源可持續發展。能源消費端實現電能替代:以電能替代煤炭、石油等化石能源的直接消費,重點是“以電代煤,以電代油,清潔發電”。

4、根據清潔能源的特性及消納需求,新的能源模式應運而生。目前,我國仍是以煤電為主的電源結構,水電、抽水蓄能、氣電、光熱等靈活調節電源占比仍然非常低,這是我國出現棄風和棄光問題的主要原因之一。而2020年和2030年我國的非化石能源發電裝機總量和比例將進一步增加,亟待一種新的能源開發形式來解決棄電問題。

在國家層面,也在嘗試新型的多種能源集成互補的清潔能源利用形式,國家能源局在2016年出臺了《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》等文件,在能源生產端開展風光水火儲多能互補系統示范,在能源消費端開展終端一體化集成供能系統示范。旨在通過示范項目的實施,在多種能源之間相互補充,構成豐富的功能結構體系,達到了1+1大于2的效果。多能互補集成優化項目主要從這幾個方面考慮,一個是按需定制,根據需求來確定體量已經開發規模。二是因地制宜,生產中要結合能源稟賦情況。第三個是智能友好,在能源需求方面要個性化,還要滿足整體需求。第四個是經濟合理,利用現有政策同時探索一個新模式。

在終端一體化集成供能系統中,根據電力、燃氣、熱力、供冷符合,新興產業園、城鎮需求以及能源利用和垃圾資源回收的情況,結合所在區域的太陽能、風能以及燃氣等能源形式的稟賦情況,運用冷熱電三聯供以及分布式可再生能源,包括智能微網,結合大電網同時滿足用戶需求。

在風光水火儲多能互補系統中,需要把風光水光熱等等幾種能源組合起來,提升能源系統消納可再生能源發電能力和綜合效應。

目前,終端一體化項目需要重點關注和研究的事這幾個方面:一個是系統優化集成規劃和設計技術開發。二是能源信息技術與互聯網的深度融合。三是充電站車網協同技術開發。四是先進儲能技術的開發以及應用。五是智能電網及微電網技術。六是終端一體化集成優化調度和控制技術。第七個是多能協同綜合能源耦合技術。也是目前示范項目在開發,包括設計過程當中以后需要進一步深入研究和開發的內容。

在電源側,也需要在以下幾個方面開展重點研究:一個是儲能模型優化以及模擬算法研究。第二是風光水火儲多能互補系統規劃技術。第三是發電靈活性改造與調峰電源配置優化技術。第四是大型儲能電源及虛擬電廠技術。第五是風光水火儲多能互補系統優化調度、控制技術。

在國家能源局關于公布首批多能互補集成優化示范項目中,我院非常榮幸了參與了這幾個項目。針對終端一體化集成供能示范工程,推行有利于提高系統效率的電價、熱價、氣價等新的價格形成機制。實施峰谷價格、季節價格、可中斷價格、高可靠性價格、兩部制價格等科學價格制度,具體價格政策及水平由國家及地方價格主管部門按權限確定。符合條件的項目可按程序申請可再生電價附加補貼,各省、區、市可結合當地實際情況,通過初投資補貼或貼息、開設專項債券等方式給予相關項目具體支持政策。針對風光水火儲多能互補示范工程,在市場化價格形成前,實施有利于發揮各類型電源調節性能的電價、氣價及輔助服務價格機制。經國家認定的多能互補集成優化示范項目優先使用國家能源規劃確定的各省、區、市火電裝機容量、可再生能源發展規模及補貼等總量指標額度。多能互補示范項目就地消納后的富余電量,可優先參與跨省區電力輸送消納。國家出臺了一系列政策推進多能互補集成優化,據了解,新疆自治區也在開展后續電力輔助服務政策的研究。

會議現場

二、多能互補系統主要調節手段。提升電力系統調節和消納能力的主要措施:一個是電源側,水電、抽蓄、燃氣電站、蓄能措施、光熱電站,火電靈活性改造。二是在電網側,需加強電網薄弱環節;增加跨省跨區網絡互濟能力;增強電力調度的靈活性,加強區域資源調劑優化。三是在負荷側加強電力需求側管理。鼓勵可中斷負荷、電動汽車、用戶側儲能等措施參與調峰,推動電能替代。

幾種調峰的形式,一個是抽蓄電站,優勢是調峰速度快,調峰能力強,調峰容量大,且單位千瓦投資較低,劣勢是水電的調峰能力除了受天然徑流的影響,還受下游灌溉、供水、防洪等綜合利用任務的影響;日調節抽蓄電站不能適應風電和光伏連續的大出力運行;建設地點受限,我國西北部地區棄風棄光嚴重,急需抽蓄調峰,但地區水資源貧乏,不適宜建設抽蓄電站。

常規火電優勢:調峰容量大,調峰能力強,建設成本低。劣勢:1、降出力調峰,煤耗增加,為新能源調峰,會增加火電機組的發電成本;2、啟停調峰,影響設備的壽命,用油量大、成本高,另外調峰速度慢,運行人員操作復雜。3、不夠清潔。

燃氣機組,優勢是調峰能力強,調峰容量大,建設不受地區限制,較為清潔。劣勢是降出力運行時,單位發電量能耗比煤電還大,另外我國天然氣較為貧瘠,運行成本高,經濟性差。

光熱電站調峰,優勢:光熱電站沒有燃煤機組鍋爐穩燃的要求,調峰深度更深,可達80%;光熱機組調峰能力的爬坡速度比常規火電機組更快;與常規火電相比,光熱電站啟動時間短,啟動僅耗費少量熱量及電量,啟停成本更低。劣勢:光熱電站受太陽直輻射量的要求,建設地區受限;相比其他能源形式,現階段光熱電站建設成本高,技術復雜。

儲能電站調峰,能量型:利用其削峰填谷功能,在風電、光伏大發時段儲能,在低谷時段發電。功率型:利用其調頻功能,在風光出力不受限時,可以平滑出力曲線。優勢:調峰速度快,響應快,建設周期短,不受地區限制。劣勢:尚無電價政策,建設成本高,調峰容量受限,電池壽命短。

網側措施主要考慮跨省聯合調度,需要解決的問題是:完善電力市場機制,打破省間電力交易壁壘,實現跨省跨區聯絡線路的靈活調度,發掘電網互濟互補潛力,提高新能源消納能力。現階段受限于機制體制等因素,省間的市場融合需要一段磨合期。我國電力消納集中在中東部地區,通過跨省區的電力外送,可以把西北區域富集的電力輸送向負荷密集區,在新能源消納過程當中,需要重點解決跨區間的協調等問題。

在負荷側措施主要是需求側響應,堅持需求側與供給側并重,逐步完善價格機制,引導電力、天然氣用戶自主參與調峰、錯峰,增強需求響應能力。以智能電網、能源微網、電動汽車和儲能等技術為支撐,發展分布式能源網絡,增強用戶參與能源供應和平衡調節的靈活性和適應能力。積極推行合同能源管理、綜合節能服務等市場化機制和新型商業模式。需求側響應采用自愿參與,給予鼓勵政策,包括電價政策帶來的平均電費的降低,以及激勵政策給予的補貼等。

三、多能互補系統優化分析與研究。結合我院針對大電網以及單體項目研究過程當中,重點介紹一下多能互補系統的確定。多能互補系統與常規電力系統比較起來,新能源占比較大。新能源在具有調節能力電源的配合下,參加電力電量平衡,需要蓄能設備,抽蓄、光熱、儲能等進行能量搬移。

此外,常規電力系統是最大負荷時刻,以電力平衡確定電源裝機,以電量平衡進行校驗。而多能互補則是各種形式電源的發電量在時間曲線上動態變化,需要根據需求先配足電量,再進行校驗分配。大電網多能互補系統的優化目標是全網用電安全性、技術性和經濟性最優,需要從國民經濟角度出發,確定系統的優化目標。

青海省大電網多能互補目標主要關注:1、電源結構好,可再生能源發電裝機占青海電網總裝機容量90%以上。2、發電可靠性高,LOLE低于5h/年。3、新能源消納能力強,棄電率指標小于5%。4、系統經濟性好,2020年不考慮單純儲能電源。5、網源協調好,滿足系統安全穩定運行及直流滿容量送電需要。

生產模擬程序,在常規的多能互補系統方案設計中,我們一般利用生產模擬程序,求解各類具有蓄能性質電源,包括抽蓄、光熱、儲能的開停機計劃、工作位置、儲能和發電策略,以求更好的減少棄電。

大網多能互補系統中的電源模型,在生產模擬中,需要關注系統整體運行的經濟性及可靠性。針對各類電源運行特點,建立數學模型,模擬其響應負荷需求時,每一時刻出力過程。

而小網的多能互補系統則多是站在投資者的角度,需要以項目盈利為主要目的,在滿足國家對能源結構、能源效率、棄電率、排放標準的要求下,系統方案設計以實現最大效益為目標,同時需要采用財務評價方法計算項目的經濟可行性。

四、魯能海西州多能互補工程介紹。最后分享一個單體的多能互補集成優化項目(也是首批示范項目中電源側最大的一個)的實施經驗。項目總裝機70萬千瓦,其中風電40萬千瓦、光伏20萬千瓦、光熱儲能各5萬千瓦,項目位于青海省格爾木,在接入系統方案中將各類型電源匯集至新建330kV匯集站,優化控制后最終接到格爾木南變電站。主要調度模式有:出力調節,全網優化給出出力指令,項目通過儲能和光熱電站的調節能力,響應電網的需求;對外通信,將光熱、儲能、風電、光伏作為一個電站整體,項目內部優化,整體預測出力計劃上報調度中心,調度中心命令僅下達至330kV匯集站;內部調度,330kV匯集站建設綜合能源管控系統和多能互補協調控制系統,對風光熱儲電站的信息實時采集,統一調度。

在項目規模分析過程中,主要考慮海西地區的新能源棄電率達到8.2%,主要以降低棄電率,多種電源組合后對電網造成的調峰壓力最小為優化目標。通過模擬可以看出,通過儲能及光熱調節,項目棄電率可降低至5%,如果提高送出容量,棄電比例還可進一步降低。

最后簡單兩句話介紹一下我們院,我們是最早獲得國家勘察設計綜合甲級資質的單位之一,近年來也致力于儲能及多能互補集成優化領域的系統研究,剛才朱總也介紹過,我們在多能互補方面主要開展了以下幾個方面技術研究工作:多能互補系統優化目標與盈利模式研究、多能互補系統能源轉換節點的模型與參數研究、多能互補系統生產模擬優化算法與模型優化研究、需求側多能互補典型場景技術應用研究、需求側供能系統冷熱源技術應用研究、需求側區域能源綜合利用效率研究、采用儲熱回收棄電及余熱能量的工藝系統研究、新能源發電裝置及電儲能裝置構成的虛擬電廠研究、風光儲多能互補電力系統調度自動化系統設計技術研究、間歇性電源出力特性研究。在儲能領域開展的技術研究工作主要有:接入新能源區域電網特性研究報告、局域電網熱網特性研究、區域電網儲能技術應用研究、局域電網熱網儲能技術應用研究、機械儲能技術研究、儲熱、儲冷技術研究、電池儲能技術研究、儲氫技術研究。最后,西北院在技術水平、地域區位、工程業績、渠道資源等方面均具有優勢,歡迎業界朋友洽談合作,共同促進儲能產業的發展。我的介紹就到這里,謝謝大家!

關鍵字:多能互補 集成優化

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