沙戈荒新能源基地运行面临的挑战及研究进展

国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 沙戈荒新能源基地运行面临的 挑战及研究进展 王伟胜总工程师/教高 中国电力科学研究院有限公司 2023年10月济南 沙戈荒新能源基地运行挑战 C 主要高效消纳技术研究进展 内容 稳定运行技术研究进展 四结语 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战 口《“十四五”可再生能源发展规划》提出沙戈荒地区风光基地化规模化开发、中东南部分布式就近开发、东部沿海海上风电集群开发的发展模式 口2022年3月，国家发展改革委、国家能源局发布《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏 基地规划布局方案》，要求到2030年，规划建设大型风光基地总装机达4.55亿千瓦 口截至今年4月，第一批9705万千瓦基地项目已全面开工，项目并网工作积极推进，力争于今年年底前全部建成井网投产，第二批基地项目陆续开工建设，第三批基地项目清单已印发实施 宁夏腾格里沙漠“沙戈荒”新能源基地蒙西库布其沙漠光伏治沙项目施工现场 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战 挑战一：高效消纳与可靠供电问题 口沙戈荒新能源基地以特高压直流外送为主要消纳形式，受高比例新能源出力随机波动性强、灵活调节资源不足等因素影响，新能源与直流通道利用率难以得到保障，需要从资源特性出发，考虑消纳、经济、安全多约束，开展沙戈荒新能源基地风光配比和调节资源的协调优化配置。 资源源直流利用小时数≥4500h储 风电互补光伏?新能源利用利用率≥95% ·风光出力豆补，储能类型 出力序列构建·基地最大出力≥0.8p.u.储能装机荷容量 新能源消纳直流运行方式 建设成本调节资源特性 燃摄电源 光伏装机 4 直 调节资源 规模荷 风电装机流容量 重流调节频次受端电网调峰需求 直流爬坡能力本地负需求 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战 挑战二：送端集中式大基地系统安全稳定问题 口随着高比例新能源接入系统，送端电网同步特性持续弱化，局部地区短路比降低，新能源并网存在宽频振荡及暂态过电压等安全稳定问题，导致新能源脱网、设备损坏、弃风弃光增加等严重后果，影响 了新能源的跨区送出与消纳 河北沽源风电经广东南澳风电经张北新能源经柔张北新能源经柔直德国北海风电经 串补送出系统柔直送出系统直送出系统送出系统桑直送出系统 1.3 (4-9Hz)(30Hz)(4456Hz)(58Hz)(250~350Hz) 1.2 1.1 OHz10HzV0-Hz10Hz10'Hz0.8 0.7 美国明尼苏达风电 美国德州风电经 上海南汇风电经 新疆哈密风电经交 张北新能源经 张北新能原经 经串补送出系统 串补送出系统 柔直送出系统 流电网送出系统 柔直送出系统 柔南送出系统 0.5 0.8 (10-13H2)(20Hz)(20-30Hz)(25/75H2)(650-900Hz)(3410-4250H2)04 0.10.20.30.40.50.70.80.9 送端系统宽频振荡问题送端系统暂态过电压问题 沙戈荒新能源基地运行挑战 C 主要高效消纳技术研究进展 内容 稳定运行技术研究进展 四结语 》二、高效消纳技术研究进展 1.资源精细化评估 口采用物理与统计相结合的资源模拟方法。模拟了历史30余年的风速、辐照强度网格化数据，考虑士地属性、资源储量、地形地貌等因素，评估了沙戈荒地区的风光资源技术可开发量 地形资料 海温资料-F(Xaeo F演式 再分析资租观测资书松地系数 WRF-CFDDA模式 _(H,+2H,+H,)(H,+28,+H,) 8D, _(H,+2H,+H,)(H,+2R,+H,) 8D 统计分析 RTENTE18YEEBPE 风能/太阳能资源分布太阳能资源技术可开发区域风能资源技术可开发区域 风光资源模拟及可开发性分析西北风光资源技术可开发情况评估结果 》二、高效消纳技术研究进展 2.新能源资源特性挖掘 口基于风光资源网格化模拟数据集，构建了风光资源空间互补特性挖掘模型，优化新能源开发布局方案 在降低新能源开发成本和特高压外送工程建设成本的同时，提升新能源调控运行友好性 甘肃1200 新能系-1741万风电-541万 1000光伏-1200万 缆路限生 老院+新熊源 800 万千瓦 600 200 06:0009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:0009:00 不同区域风电出力典型曲线最佳互补方案下的新能源典型出力曲线 》二、高效消纳技术研究进展 3.新能源基地电源规划 口建立了基于8760h时序生产模拟的新能源基地电源优化配置模型，以发电清洁性或投资经济性为优化目标，考虑风/光资源特性、新能源电量占比与利用率约束、各类电源与储能调节约束、直流利用小时数与运行约束、受端电网调峰与供电需求等，实现风/光配比与储能容量的合理优化配置 边界条件全年8760h序列新能源基地规划计算模型输出结果风电新能源发电量最大风光容量配比不同目标储能配置容量 计划外送，投资成本最小场景 已有带规电源装机通道直流送电曲线 光伏 多类型电源系统运行约束：直流容量、直流调节频次、直流爬坡能力、直流利用小时约束 曼端负荷电源运行约束：常规电源运行、储能运行约束 发电清洁性约束：新能源发电量占比、新能源利用率新能源出力约束 风、光、水、火、储等电源 》二、高效消纳技术研究进展 4.规划工具研发 口基于“新能源电力系统生产模拟平台”研发了新能源电力系统规划软件，具备新能源与常规电源、储 能/火电灵活性改造/可调节负荷等灵活调节资源容量协调优化配置功能，可为政府能源主管部门、各级电网公司、发电集团、电力设计院等提供工具和技术支撑 政府能源 新能源电力系统规划与配置软件主管部门电网公司 新能源发展规划新能源消纳能力评估 新型储能发展规划系统运行方式优化 相关政策制定新能漂井网时序优化 电力市场规划电力保供分析 发电集团 夫介电力设计院 新能源电力系统规划软件 新能源开发建设项目可研设计 新型循能开发建设项目技术咨询 多能互补基地规划建设科学技术研究 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证1—一送受端互联电网案例 口针对通过特高压直流互联的送-受端电网开展仿真分析，考虑新能源外送电量占比约束与直流运行等约束，以新能源与储能总投资成本最小为目标，对送端新能源与储能容量进行优化配置。 案例基本参数 负荷 用电量 1304亿kWh 最大负荷 2263万kW 常规电源新能源储能 直流 联络线 负荷 装机容量及资源参 数 火电装机新能源特高压直流电源 2300万kW 风电资源小时数 2261h 容量 1600万kW 成本 光伏资源小时数 1422h最低利用小时数6500 价格 送端 受端 成本参数 新能源 风电装机成本光伏装机成本 6000元/kW4500元/kW 储能 逆变器成本 电池容量成本 500元/kW2000元/kWh 送-受端互联电网示意图电量占比场景设置 案例场景新能源发电量占比 场景一25% 场景二50% 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证1一送受端互联电网案例（续1） 口在不配置储能时，为满足直流外送最低6500h、新能源外送电量25%和50%约束，新能源装机占比 需达到42%和66%，利用率分别为89.2%和77.3% 口通过配置储能回收新能源弃电，并优化新能源装机，与不配置储能相比，可分别提升新能源利用率 6.5和7.6个百分点，节约总投资成本3%和7% 新能源电量新能源利用率新能源装机新能源装机占 储能装机 储能容量 储能时长 新能源与储能 占比场景 /% /万kW 比/% /万kW /万kWh /h 投资成本/亿元 不含储能 89.2 1651 42 / / / 980 5% 含储能95.71500381445824950 不含储能77.3 4521 66 / / 2493 含储能84.9 3839 59 376 1748 4.6 2327 新能源与储能容量优化配置结果 2 50% 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证1—送受端互联电网案例（续2） 口测算了不同储能单位容量成本下储能配置的变化情况，随着储能成本的降低，配置的储能容量和时长 不断增加，在新能源外送电量占比25%情况下储能时长最大约7h，在电量占比50%场景下储能时长 最大约10h。 储能总容量老能时长 250081000012 7储能总容量储能时长 2000 6.8 5.7 68000 9710 8 7.6 15006000 1000 储能容量/万kWh 2351 22162146 1194 2.3 2 储能容量/万kWh 4000 9012 2540 52 858 4 500 582 1.3 1 4274 0002 2.22 2600 2002242404008001200200020022424040080012002000 储能单位容量成本（元/kWh）储能单位容量成本（元/kWh） 新能源外送电量占比25%下储能配置情况新能源外送电量占比50%下储能配置情况 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证1一送受端互联电网案例（续3） 口储能在新能源大发时段充电，有效消纳了弃电，在新能源出力较低时段放电，满足用电需求， 口由于新能源装机占比较高，沙戈荒基地出力随机波动性强，直流调节次数较为频繁，全年日平均调节 次数4.2次，并且每日直流送电曲线具有较为明显的差异性。 25000 20000 15000 10000 5000 功率/MW 0 -5000 -10000 送端常规电源送端新能源一直流联络线功率一送端储能功率 送端连续七日的发电运行曲线 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证2—100%新能源外送基地案例 口针对某100%新能源外送基地，给定不同的风光储容量配置方案，考虑外送通道年利用小时数和受端 电网最低供电能力约束（晚峰19-21点最低400万kW），以基地全年晚峰时段供电缺口最小为目标优化电源运行，分析其供电支撑能力， 案例基本参数及结果主要结论： 无储能场 有储能场景 场景1 场景2 场景3 风电装机（万kW） 1000 1000 1000 1000 光伏装机（万kW） 800 800 800 800 储能装机（万kW） / 400 400 400 储能容量（万kWh） / 800 1000 1200 储能时长（h) 2 2.5 外送通道容量（万kW） 800 800 800 800 外送通道年利用小时数（h） 4500 4500 4500 4500 新能源利用率（%） 83.3 86.7 86.9 87.2 全年晚峰供电不足小时（h） 249 104 590 在不配置储能时，基地全年晚峰供电不足时段 249h; 通过配置储能可以有效提高晚峰供电能力，配 置400万kW*2h和2.5h储能后供电不足时段数 降至104h和59h 由于新能源晚峰供电能力不足，为完全消除供 电缺口，至少需要配置400万kW*3h的储能 》二、高效消纳技术研究进展 案例验证2一一100%新能源外送基地案例（续） 口当配置400万kW*2h储能时，全年最大供电缺口400万kW，平均供电缺口233万kW，配置400万 kW*2.5h储能时，最大供电缺口降至200万kW，平均供电缺口降至126万kW 口储能在午间新能源大发时充电，消纳新能源弃电，在晚高峰无光时段放电满足供电需求， 光伏风电能放电弃电献口一储能充电一外送功率 18储能2.5h10000外送通道达上限 储能2h 15无储能8000 6000 产生弃电 晚高峰供电缺口 (MW)4000 2000 5001000150020002500300035004000 2000 供电缺口（M）-4000储能充电消纳弃电 配置2h和2.5h储能场景全年供电缺口分布情况配置2.5h储能场景下某日发电运行情况 沙戈荒新能源基地运行挑战 C 主要高效消纳技术研究进展 内容 稳定运行技术研究进展 四结语 》三、稳定运行技术研究进展 问题认识：宽频振荡 口与常规同步电源相比，新能源发电通过电力电子装置并网，并网特性涉及到多个控制环路