李富春，楊海林，黨楠，劉飛，馮斌，田旭，張祥成

1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司；2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

0 引言

國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，青海省以其獨(dú)特的資源優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢，將迎來新能源跨越式發(fā)展。由于水電調(diào)節(jié)類型較為單一、能力日趨飽和，新能源更大規(guī)模開發(fā)對調(diào)節(jié)電源的需求也將更加迫切［1-5］。天然氣發(fā)電（簡稱氣電）具有調(diào)峰能力強(qiáng)、調(diào)峰速度快、建設(shè)周期短、單位投資低、受限制條件少等優(yōu)點(diǎn)；新能源發(fā)電，尤其是光電和風(fēng)電，具有清潔可再生、建設(shè)周期短、運(yùn)行成本低、地域限制少等特點(diǎn)。青海省擁有豐富的天然氣和新能源資源，在該省構(gòu)建以新能源發(fā)電為主、氣電調(diào)峰為輔、儲能電池聯(lián)合調(diào)峰的融合一體化發(fā)展模式，將為中國新型能源體系發(fā)展提供重要示范指引［6-9］。

傳統(tǒng)氣電的調(diào)峰主要是參與需求側(cè)的負(fù)荷調(diào)峰，大多位于長三角、珠三角等區(qū)域；對于氣電參與新能源發(fā)電供應(yīng)側(cè)的調(diào)峰，目前尚無實(shí)踐案例，但已有相關(guān)文獻(xiàn)開始研究氣電與新能源融合發(fā)展問題。文獻(xiàn)［10］提出在中國電力需求持續(xù)增長和可再生能源發(fā)電快速增長的背景下，氣電發(fā)展定位和規(guī)劃需要進(jìn)一步明確，氣電與可再生能源融合發(fā)展的路徑需要進(jìn)一步優(yōu)化；文獻(xiàn)［11］以氣電與風(fēng)電、光伏發(fā)電融合為切合點(diǎn)，分析了可再生能源自身間歇性、隨機(jī)性和波動性帶來的供能不穩(wěn)定性問題，以及天然氣靈活穩(wěn)定的調(diào)峰保障能力；文獻(xiàn)［12］多維度綜合分析了青海省建設(shè)氣電的比較優(yōu)勢，分別從替代省內(nèi)煤電和打捆外送兩個角度探討了青海氣電和新能源融合發(fā)展模式；文獻(xiàn)［13］研究了不同技術(shù)路線下青海省外送通道電源組織方案，通過多維度綜合評估，最終提出了配置氣電的優(yōu)越性。

綜上所述，目前相關(guān)研究仍較多地聚焦于氣電與新能源融合的發(fā)展思路和建設(shè)模式探討，對于氣電與新能源、儲能電池融合后一體化運(yùn)行方式尚未有涉獵研究。隨著各類電力融合項(xiàng)目的逐步推進(jìn)，有必要對氣電與儲能、新能源聯(lián)合運(yùn)行情況進(jìn)行分析，為光氣儲一體化項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)和調(diào)度運(yùn)行提供參考。

本文以青海省海西地區(qū)某光氣儲一體化項(xiàng)目（光伏裝機(jī)6 000 MW、氣電裝機(jī)2 000 MW、電池儲能裝機(jī)200 MW、儲能時長2 h）為例，通過分析光伏出力特性和氣電、儲能電池調(diào)節(jié)特性，對比氣電不同調(diào)峰方式、氣電與儲能電池聯(lián)合運(yùn)行調(diào)峰方式，基于全年8 760 h 生產(chǎn)模擬結(jié)果，綜合模擬并研究分析光氣儲一體化項(xiàng)目的運(yùn)行情況。

1 電源出力與調(diào)節(jié)特性

1.1 光伏出力特性

光伏電站出力主要與該時刻照射到光伏板的太陽能輻射量密切相關(guān)，其出力模型為：

式中：N——光伏電站電池板總數(shù)，塊；——光伏電站第i塊電池板在t時刻的出力，kW；η——光伏電站光電轉(zhuǎn)換效率，%；——光伏電站第i塊電池板在t時刻接收的太陽能輻射量，kW/m2。以海西地區(qū)為例，太陽能輻照強(qiáng)度約600 kW/m2，考慮光電轉(zhuǎn)換效率20%時（不考慮其他因素影響），光伏出力約120 kW/m2。

根據(jù)太陽能和風(fēng)能資源特性，模擬光伏8 760 h出力數(shù)據(jù)，以光伏裝機(jī)Ppv作為基礎(chǔ)值，計算光伏出力標(biāo)幺值，統(tǒng)計光伏電站有效容量系數(shù)λpv，其定義為在該有效容量系數(shù)以下的發(fā)電量占到全年發(fā)電量的比例達(dá)到95%，反映光伏出力分布情況。

按照海西地區(qū)光照資源模擬出力進(jìn)行統(tǒng)計，光伏出力-電量累積特性見圖1?？梢钥闯?，海西地區(qū)光伏出力標(biāo)幺值不超過0.84 的累積電量占比約95.08%，表示光伏出力標(biāo)幺值在0.84 以下的電量占全年發(fā)電量的95%以上，即光伏有效容量系數(shù)為0.84。

圖1 海西地區(qū)光伏出力-電量累計特性

海西地區(qū)光伏逐月電量分布特性見圖2?？梢钥闯?，海西地區(qū)光伏發(fā)電量每年4 月最大，12 月最少。

圖2 海西光伏逐月電量分布特性

海西地區(qū)光伏典型日出力特性見圖3?？梢钥闯?，海西地區(qū)光伏電站日出力比較規(guī)律，晴天大發(fā)時出力呈“饅頭狀”變化，陰雨天呈鋸齒波動，天氣對電站出力影響較大。

圖3 海西光伏典型日出力曲線

1.2 氣電調(diào)節(jié)特性

對于參與調(diào)峰的氣電出力，考慮以系統(tǒng)總氣耗量最小為目標(biāo)函數(shù)：

式中：f(Pi,t)——燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行時的氣耗，m3/h；N——機(jī)組臺數(shù)，臺；Tn——計算周期，h；Ci,start、Ci,close——為i號機(jī)組的啟動、停機(jī)氣耗，m3/h；——i號機(jī)組t時刻啟停機(jī)的0-1 變量，1 表示機(jī)組在t時刻開機(jī)、停機(jī)，0 表示該時刻不發(fā)生啟、停動作；ai、bi、ci——i號機(jī)組的氣耗系數(shù)；xi,t——t時刻i號機(jī)組啟停狀態(tài)的0-1 變量，1 表示開機(jī)，0 表示關(guān)機(jī)；Pi,t——i號機(jī)組t時刻的發(fā)電功率，MW。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，以9HA 型燃?xì)廨啓C(jī)（裝機(jī)容量為640 MW）為例，天然氣發(fā)電特性見表1、表2?？梢钥闯?，燃機(jī)設(shè)計運(yùn)行工況為ISO 額定工況，即環(huán)境溫度15 ℃、絕對大氣壓力101.3 kPa、大氣相對濕度60%，該工況下1 m3天然氣最多可發(fā)電5.75 kW·h，即使出力水平降低至50%，1 m3天然氣也可發(fā)電5 kW·h 以上。考慮青海省3 000 m 左右海拔修正后，1 m3天然氣發(fā)電量略有降低，但幅度不大。

表1 9HA 型燃機(jī)發(fā)電特性（ISO 工況）

表2 9HA 型燃機(jī)發(fā)電特性（高海拔修正）

由于高海拔地區(qū)空氣密度低，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣量雖然體積不變，但單位體積含氧量相對較少，導(dǎo)致最大出力受限，氣電將出現(xiàn)30%受阻容量，即最大出力僅為裝機(jī)的70%左右。以9HA 型燃機(jī)為例，一套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組裝機(jī)640 MW，青海省高海拔地區(qū)最大出力僅460 MW。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，天然氣發(fā)電調(diào)節(jié)特性見表3。可以看出，燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰性能良好，最小技術(shù)出力按氮氧化物排放不超標(biāo)限制最低可到30%，還可以靈活啟停調(diào)峰，調(diào)節(jié)速度快，燃?xì)鉄釕B(tài)啟動至100%負(fù)荷時間小于30 min，蒸汽輪機(jī)啟動至100%負(fù)荷時間不超過1 h，最短開機(jī)和停機(jī)時間均小于30 min。

表3 青海省氣電調(diào)節(jié)特性

1.3 儲能電池調(diào)節(jié)特性

儲能電池具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點(diǎn)，有運(yùn)行靈活性，可以平滑風(fēng)能、太陽能等新能源輸出功率的波動性，是間歇性可再生能源發(fā)電設(shè)備必要的補(bǔ)充。近年來，儲能電池得到國家相關(guān)政策支持，得到快速發(fā)展。儲能電池在系統(tǒng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、提供備用、電壓支撐、黑啟動等功能，但主要發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻作用［14-18］。

電池儲能參與調(diào)節(jié)主要與功率和容量密切相關(guān)，出力平衡和電池能量約束如下：

上述約束中，公式（4）要求儲能充電功率在設(shè)備最大和最小充電功率范圍以內(nèi)，公式（5）要求儲能放電功率在設(shè)備最大和最小放電功率以內(nèi)，公式（6）要求儲能電量狀態(tài)在儲能最大和最小容量范圍以內(nèi)。

典型鋰離子電池儲能主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表4?？梢钥闯觯硐牍r下，目前廣泛使用的磷酸鐵鋰和三元鋰電池能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90% ～ 95%，循環(huán)次數(shù)約3 000 ～ 5 000 次，使用壽命達(dá)到10 a 左右，啟動時間和響應(yīng)速度均為毫秒級。

表4 典型鋰離子電池儲能主要技術(shù)參數(shù)

2 氣電運(yùn)行方式分析

氣電調(diào)峰方式主要有啟停調(diào)峰和降出力調(diào)峰兩種，兩者存在一定差別。

2.1 啟停調(diào)峰

氣電啟停調(diào)峰運(yùn)行方式示意見圖4?？梢钥闯觯瑲怆妴⑼Ｕ{(diào)峰主要表現(xiàn)為：白天光伏出力較大的時段，氣電停機(jī)，為光伏調(diào)峰；晚上光伏不發(fā)電時段，氣電開機(jī)增加出力，滿足系統(tǒng)需求。

圖4 氣電啟停調(diào)峰示意圖

2.2 降出力調(diào)峰

氣電降出力調(diào)峰示意見圖5?？梢钥闯?，氣電降出力調(diào)峰主要表現(xiàn)為：白天光伏出力較大的時段，氣電降低出力運(yùn)行，受環(huán)保排放要求限制，最低可降低出力至30%；晚上光伏出力為零時段，氣電增加出力，滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。

圖5 氣電降出力調(diào)峰示意圖

2.3 調(diào)峰方式比較

氣電啟停調(diào)峰與降出力調(diào)峰比較結(jié)果見表5。可以看出：氣電按啟停調(diào)峰時，可以最大程度接納新能源，但啟停次數(shù)較多，若按最小出力30% 運(yùn)行，新能源年棄電量將增加約7×108kW·h；系統(tǒng)考慮最優(yōu)運(yùn)行目標(biāo)，在新能源發(fā)電較多場景，依靠儲能能夠搬移電量解決電力保供問題時，氣電可以全天不開機(jī)，造成氣電年發(fā)電量反而減少約6×108kW·h。實(shí)際上，氣電在日內(nèi)啟停調(diào)峰時段一般為11:00—17:00，停機(jī)調(diào)峰時段僅為6 h 左右，氣電在8 h 以內(nèi)為熱態(tài)啟動，對燃汽輪機(jī)不會太大影響。因此，從綜合效益角度出發(fā)，建議氣電調(diào)峰方式盡量按啟停調(diào)峰考慮。

表5 海西光氣儲一體化項(xiàng)目氣電調(diào)峰方式比較

3 氣電與儲能聯(lián)合運(yùn)行分析

3.1 聯(lián)合運(yùn)行分析

氣電具備旋轉(zhuǎn)慣量，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供無功電壓支撐，但啟停需要耗氣，在不同負(fù)荷下運(yùn)行氣耗也不一樣，出力越低，氣耗越大，儲能調(diào)節(jié)速度更快，響應(yīng)更為靈活，但基本沒有旋轉(zhuǎn)慣量。因此，氣電與電池儲能各有優(yōu)缺點(diǎn)，兩者聯(lián)合運(yùn)行將為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)慣量、快速響應(yīng)、季節(jié)性調(diào)峰等綜合調(diào)峰能力，解決氣電和儲能電池單一調(diào)峰所導(dǎo)致的功能性缺失問題。從調(diào)峰角度來看，氣電與儲能主要有3種聯(lián)合運(yùn)行方式。

3.1.1 方式一：提高氣電運(yùn)行效率

根據(jù)表1 燃機(jī)出力特性，氣電在降低30%出力運(yùn)行時效率由61.3%降至47.3%，降低了14 個百分點(diǎn)。儲能電池該時段可儲電，氣電持續(xù)保持高出力運(yùn)行；在氣電原本低功率運(yùn)行時段儲能電池放電，氣電可停機(jī)不發(fā)電，從而提高氣電運(yùn)行效率，節(jié)約氣耗。儲能參與調(diào)節(jié)前后，典型日運(yùn)行模擬結(jié)果見圖6：在10:00—11:00 氣電為光伏調(diào)峰降出力運(yùn)行（見圖6a），該時段若電池儲能儲電，氣電可維持高功率運(yùn)行；而在17:00—18:00，氣電需啟動逐步提升功率滿足負(fù)荷需求（見圖6b），該時段若儲能放電，可以減少氣電低功率運(yùn)行時間，從而節(jié)省氣耗，降低運(yùn)行成本。

圖6 海西光氣儲一體化項(xiàng)目氣電與儲能聯(lián)合運(yùn)行方式一

3.1.2 方式二：減少氣電啟停次數(shù)

原本氣電在晚上高峰時段頂峰，需增加開機(jī)運(yùn)行（如由1 臺開機(jī)增加為2 臺開機(jī)），儲能電池參與調(diào)峰后，可在該時段放電，減少氣電啟停次數(shù)。儲能電池參與調(diào)節(jié)前后，典型日運(yùn)行模擬結(jié)果見圖7：10:00—11:00 氣電為光伏調(diào)峰降出力運(yùn)行（見圖7a），該時段若電池儲能儲電，氣電可維持高功率運(yùn)行；而19:00—21:00 氣電需增加開機(jī)滿足高峰負(fù)荷時段需求（見圖7b），該時段若儲能放電，可以減少氣電開機(jī)容量，從而優(yōu)化開機(jī)容量，節(jié)省氣耗。

圖7 海西一體化項(xiàng)目氣電與儲能聯(lián)合運(yùn)行方式二

3.1.3 方式三：減少配套光伏棄電

氣電按系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)，如降出力至30%運(yùn)行為光伏調(diào)峰，儲能電池該時段存儲原本光伏的棄電，晚上時段發(fā)出，促進(jìn)光伏消納，提高新能源利用率。儲能參與調(diào)節(jié)前后，典型日運(yùn)行模擬結(jié)果見圖8。10:00—11:00 氣電為光伏調(diào)峰降出力運(yùn)行（見圖8a），該時段仍有棄電，電池儲能可儲電；而19:00—20:00儲能放電（見圖8b），可以減少系統(tǒng)燃料消耗，降低運(yùn)行成本。

圖8 海西光氣儲一體化項(xiàng)目氣電與儲能聯(lián)合運(yùn)行方式三

3.2 綜合分析

以一套9HA 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，針對典型日以上3 種聯(lián)合運(yùn)行方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

方式一：氣電最大出力460 MW，為光伏調(diào)峰原本按30%出力運(yùn)行僅140 MW，但該時段儲能啟動儲電，最多可儲存棄電400 MW·h；而氣電可恢復(fù)至340 MW 出力運(yùn)行，氣電效率提升至60%，提高了約13%，可節(jié)約氣耗約2×104m3；再考慮儲能轉(zhuǎn)換效率90%，日節(jié)約燃料成本2.1×104元（氣價按1.15 元/m3測算）。

方式二：氣電晚高峰時段發(fā)電頂峰，啟停一次需耗氣約4×104m3，儲能電池放電代替后，可節(jié)約這部分氣耗4×104m3，日節(jié)約燃料成本4.6×104元（氣價按1.15 元/m3測算）；同時由于減少氣電的啟停次數(shù)，將帶來大修次數(shù)減少,節(jié)約檢修費(fèi)用。

方式三：氣電最大出力460 MW，為光伏調(diào)峰后按30%出力運(yùn)行僅140 MW，光伏棄電約30 ～ 400 MW；該時段儲能電池儲存光伏棄電400 MW·h，考慮儲能轉(zhuǎn)換效率90%，可減少棄電約38×104kW·h，日提高光伏收益8.6×104元（棄電按青海光伏平價0.227 7 元/（kW·h）測算）。

綜合來看，氣電與儲能聯(lián)合運(yùn)行的3 種運(yùn)行方式存在一定差異，方式三減少新能源棄電效益最好，方式二減少氣電啟停損耗次之，方式一減少低負(fù)荷運(yùn)行氣耗效益最小。需要說明的是，新能源參與交易后，電價水平可能有所降低，方式三收益存在一定不確定性。典型日聯(lián)合運(yùn)行效果對比分析見表6。

表6 典型日聯(lián)合運(yùn)行效果對比分析

4 光氣儲一體化運(yùn)行分析

4.1 年發(fā)電量統(tǒng)計

根據(jù)氣電、儲能電池和光伏發(fā)電出力特性分析，以滿足青海省電力負(fù)荷需求為目標(biāo)，對海西地區(qū)光氣儲一體化項(xiàng)目進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算，得出了海西光氣儲一體化項(xiàng)目的發(fā)電量測算結(jié)果，見表7?？梢钥闯?，光伏、氣電和儲能互補(bǔ)運(yùn)行后，該項(xiàng)目全年預(yù)計發(fā)電量約173×108kW·h，其中氣電發(fā)電量約47×108kW·h/a，光伏發(fā)電量約126×108kW·h/a，儲能儲電量約1.25×108kW·h/a，儲能發(fā)電量約1.12×108kW·h/a。

表7 海西光氣儲一體化項(xiàng)目發(fā)電量測算

4.2 月電量分布

海西光氣儲一體化項(xiàng)目融合發(fā)電量逐月分布情況見表8。海西光氣儲一體化項(xiàng)目光伏和氣電逐月發(fā)電量情況以及儲能逐月充放電情況見圖9 和圖10?？梢钥闯觯涸擁?xiàng)目春季光伏發(fā)電量最多；冬季枯水期青海省水電和新能源發(fā)電量減少，電量缺口較大，氣電發(fā)電量增加，11 月—次年1 月發(fā)電量均在7×108kW·h 左右。

表8 海西光氣儲一體化項(xiàng)目發(fā)電量統(tǒng)計 單位：108 kW·h

圖9 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電+6 000 MW 光伏逐月發(fā)電量

圖10 海西光氣儲一體化項(xiàng)目20 MW 儲能逐月儲發(fā)電量統(tǒng)計

另外，儲能調(diào)節(jié)靈活，每月儲發(fā)電量可減少一定棄電，同時配合氣電提高了發(fā)電效率。

4.3 日出力曲線

海西光氣儲一體化項(xiàng)目逐小時平均出力曲線見圖11 ～圖14?？梢钥闯觯喊滋旃夥隽r段，氣電出力相應(yīng)降低，儲能電池進(jìn)行儲電；晚上光伏出力為零，氣電出力增加，儲能電池進(jìn)行放電以滿足系統(tǒng)電力需求；光氣儲一體化項(xiàng)目綜合對外出力曲線與光伏發(fā)電曲線大趨勢相似，但是白天光伏發(fā)電，晚上氣電發(fā)電，可以全時段保證系統(tǒng)電力需求。

圖11 海西光氣儲一體化項(xiàng)目逐小時平均出力統(tǒng)計

圖12 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電逐小時平均出力

圖13 海西光氣儲一體化項(xiàng)目6 000 MW 光伏逐小時平均出力

圖14 海西光氣儲一體化項(xiàng)目200 MW 儲能逐小時平均出力

4.4 出力區(qū)間分析

海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電出力區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果見表9 和圖15、圖16?？梢钥闯觯呵嗪：Ｎ? 000 MW 氣電在1 200 MW 以上的時間達(dá)到3 028 h，該區(qū)間發(fā)電量約42×108kW·h，占全年發(fā)電量約89%；在1 000 MW 以上的時間達(dá)到3 107 h，該區(qū)間發(fā)電量約43×108kW·h，占全年發(fā)電量約91%。因此，氣電除了白天為新能源調(diào)峰出力有所降低或停機(jī)，晚上大部分時段出力較高。

表9 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電出力區(qū)間統(tǒng)計

圖15 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電出力頻率分布

圖16 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電累積電量分布

4.5 啟停次數(shù)統(tǒng)計

海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電啟停統(tǒng)計結(jié)果見表10 和圖17、圖18?？梢钥闯?，該項(xiàng)目2 000 MW 氣電全年不發(fā)電天數(shù)約64 d，發(fā)電天數(shù)約301 d，累計共啟停756 次（3 套機(jī)組合計）。因此，氣電配合新能源調(diào)峰，在有出力的大多數(shù)天數(shù)均為啟停調(diào)峰，一般每臺機(jī)一天啟停一次。

表10 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電啟停統(tǒng)計

圖17 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電發(fā)電天數(shù)分布

圖18 海西光氣儲一體化項(xiàng)目2 000 MW 氣電啟停次數(shù)分布

5 結(jié)論

青海省海西地區(qū)太陽能資源豐富，荒漠化土地資源遼闊，再加上擁有澀北氣電資源，非常適合發(fā)展光氣儲一體化項(xiàng)目，促進(jìn)地區(qū)新能源更大規(guī)模開發(fā)，保障電力供應(yīng)。本文基于光伏出力特性和氣電、儲能電池調(diào)峰特性，對比了氣電不同調(diào)峰方式、氣電與儲能電池聯(lián)合運(yùn)行方式，基于8 760 h 生產(chǎn)模擬結(jié)果分析了光氣儲一體化項(xiàng)目不同時間尺度的運(yùn)行方式，具體結(jié)論如下：

1）氣電和儲能電池聯(lián)合為光伏發(fā)電調(diào)峰，白天光伏發(fā)電出力為主，氣電不發(fā)電或者少發(fā)電，輔以儲能電池儲電，可以減少光伏發(fā)電的棄電量；晚上氣電出力增加，輔以儲能電池放電，可以持續(xù)保障電力需求。

2）為最大限度促進(jìn)新能源消納，氣電運(yùn)行方式以啟停調(diào)峰為主，一般一天啟停一次，白天有6 ～8 h 的停機(jī)，晚上為滿足負(fù)荷需求高功率運(yùn)行，出力大多在90%以上。

3）儲能電池參與調(diào)峰，可在減少新能源棄電的同時，通過優(yōu)化運(yùn)行還可降低氣電低出力運(yùn)行階段的氣耗，減少氣電啟停次數(shù)。