內蒙古自治區巴彥淖爾市工業園區風光儲一體化項目容量配比研究

摘要：為探究風光儲一體化項目各部分的最佳容量配比，以內蒙古自治區巴彥淖爾市某工業園區為例，基于園區新增負荷和風能、太陽能資源，計算得出風電和光伏發電的全年逐時及逐月典型日的輸出功率曲線，然后在滿足園區新增負荷用電需求的條件下，得出風電和光伏發電容量配比方案。鑒于風電和光伏發電的間歇性和波動性，引入儲能以平滑輸出功率曲線，實現了風光聯合發電的發電量曲線與園區新增負荷用電量曲線的變化趨勢相匹配。為提高園區的綠電替代率并降低風光聯合發電棄電量，通過分析不同容量配比對風光聯合發電消納和綠電替代率的影響，得到最佳容量配比方案。可為內蒙古自治區工業園區風光儲一體化項目提供一種有效的容量配比計算方法，有助于優化項目運行效率并推動綠色能源的廣泛應用。

關鍵詞：風光儲一體化；風電；光伏發電；儲能；綠電替代率；容量配比；棄電量；新能源消納

中圖分類號：TM614/TM615文獻標志碼：A

0引言

內蒙古自治區作為重要的可再生能源供給和能源消耗大省，為保障工業園區綠色供電項目高質量建設，該省推進園區新增負荷綠色供電項目。這類項目旨在實現新能源裝機規模要與新增負荷規模相匹配，并確保新能源發電量全部由新增負荷全額消納，避免向電網反送電[1-3]。鑒于新能源發電的間歇性和波動性，引入儲能設備是平滑新能源輸出功率曲線的關鍵。因此，研究風光儲一體化項目的容量配比，對園區新增負荷綠色供電項目至關重要。

本文以內蒙古自治區巴彥淖爾市某工業園區為例，探討其風光儲容量匹配特性。該工業園區重點發展的3大支柱產業為：冶金及其下游產業、氯堿化工循環經濟產業、新型煤化工產業，并配套發展商貿物流、裝備制造、環保型建材及戰略性新興產業。目前，園區內已有30家化工、金屬加工等高耗能企業，預計新增負荷為60 MW，全年用電量達到150000 MWh，且園區無自備電廠。對比分析該園區風光儲一體化項目中各部分在不同容量配比下的年發電量、與園區新增負荷用電曲線的一致性、園區綠電（本文中的綠電均指風光聯合發電）替代率和年棄電量等關鍵指標，以期為類似項目提供參考和指導。

1風光儲容量配比原則

本研究綜合考慮風電和光伏發電的特性（風電的發電量多、隨機性強，光伏發電的輸出功率曲線穩定、可預測性強），再結合儲能可平滑風光聯合發電輸出功率曲線的功能，以達到風光儲一體化項目日輸出功率曲線與園區新增負荷日曲線趨勢保持一致，實現電網購電與風光聯合發電互補，發揮輔助調峰作用，便于電網的運行調控。園區內新增負荷項目與電網連接，風光儲一體化項目輸出功率不能滿足園區新增負荷需求時，電網將提供必要的支持，以確保園區新增負荷安能夠全穩定運行[4-6]。

因此，結合當地的風能和太陽能資源特性，計算典型日的風電、光伏發電及風光聯合發電的輸出功率。典型日的選取基于逐月選取的原則，以確保典型日的風光聯合發電的輸出功率曲線與園區新增負荷曲線趨勢基本一致。典型日（即標準差最小日）D，的計算式7為：

式中：N為1個月中每天風電、光伏發電、風光聯合發電三者之一的輸出功率數據點數；X，為1個月中第j天第i個時段風電、光伏發電或風光聯合發電三者之一的輸出功率值，kW;X為1個月中各時段風電、光伏發電或風光聯合發電三者之一的輸出功率的平均值；M為1個月的總天數，天。

2風光儲容量配比計算

基于巴彥淖爾市當地風能、太陽能資源情況，模擬計算出風電和光伏發電全年8760 h的逐時輸出功率數據，并與園區負荷曲線進行匹配。在風光聯合發電的發電量基本滿足園區新增負荷大部分用電量的前提下，使逐日或逐時的風光聯合發電輸出功率曲線與園區負荷曲線趨勢最大程度保持一致。在此基礎上，通過配置一定規模的儲能設備，盡可能減少園區的棄電量，從而最大化提升園區的綠電替代率。

2.1風電規劃方案

根據已收集的測風數據，分析得出風電擬建設場地的100 m高度年平均風速為8.4 m/s，風功率密度為416 W/m2。本文采用單機容量為5MW、風輪直徑為182 m的WTG 182-5000風電機組進行模擬分析，為便于風光儲容量配比計算，風電以10 MW作為基礎單位裝機容量。經模擬計算，10 MW風電全年發電量為33940 MWh，等效利用小時數為3394 h。

2.2光伏發電規劃方案

根據Solorgis公司提供的太陽輻射數據，擬選光伏場區的全球水平的輻射（GHI）量為1718kWh/m2，直接正常輻射（DNI）量為1808.2 kWh/m2，散射輻射（DIF）量為706.4 kWh/m2。本文采用額定功率為545 W的雙玻光伏組件進行模擬分析，為便于風光儲容量配比計算，光伏發電以10 MW作為基礎單位裝機容量。經模擬計算，10 MW光伏發電首年發電量為17810 MWh，等效利用小時數為1781 h。

2.3風光聯合發電輸出功率計算

根據式（1），對10 MW裝機容量的風電和10 MW裝機容量的光伏發電的逐時輸出功率曲線，疊加計算全年各月中風光聯合發電輸出功率得到典型日，所得的典型日將作為后續風光儲容量配比計算的基礎，然后得到風光聯合發電全年各月的典型日輸出功率曲線，如圖1所示。

2.4儲能規劃方案

在發電側增加儲能系統，可以顯著提升風光聯合發電的利用率，并在快速調頻響應、削峰填谷、平滑輸出功率等方面發揮重要作用。同時，將該儲能系統納入電網統一調度，還可將儲能系統作為穩定、可調度的重要電源支撐點。這對于工業園區的綠電替代或零碳工程具有重大意義。

目前，儲能技術主要分為電化學儲能、物理儲能及抽水蓄能等方式。在發電側，電化學儲能因其具有能量密度較大，體積較小、響應速度較快等優勢，是主流的儲能方式。隨著儲能技術的發展，電化學儲能的成本也逐漸降低。

本文選擇磷酸鐵鋰電池作為儲能電池，設計選取的電芯參數為容量280 Ah、電壓3.2 V。經系統集成后，設置單個儲能子陣的容量為3.75MWh。為保證儲能系統效率及使用壽命，將最大充放電深度設置為95%。儲能系統在各時間間隔內的最大充電功率P，ma計算式8為：

式中：Q？為風光儲一體化系統開始運行時儲能電池可用電量，kWh;Q為開始運行時儲能電池剩余電量，kWh系統電池存電狀態（SOC）;c為儲能容量比；k為儲能充放電速率常數；△t為時間間隔；Qmax為儲能電池總容量，kWh;αc為儲能電池最大充電速率，A/Ah;N？為儲能系統中儲能電池總數，塊；Imax為儲能電池最大充電電流，A;Vnom為儲能電池額定電壓，V;e為自然常數；n？，為儲能電池的充電效率。

儲能系統在各時間間隔內的最大放電功率Pdmax的計算式為：

式中：ηb.a為儲能電池的放電效率，%。

2.5風光儲一體化結構及控制策略

在風光儲一體化項目的項目中，電網作為支撐能夠為園區提供更加穩定的電力供應。將電網直接作為交流側供電設備，當風光聯合發電無法滿足園區新增負荷時，以電網電力進行補充。風光儲一體化項目的結構示意圖如圖2所示。

風光儲一體化項目運行時，根據園區新增負荷情況、風光聯合發電輸出功率及儲能系統的SOC的情況共同進行控制。如果風光聯合發電的發電量超出用電負荷用電量且SOC已滿，則進行棄電；如果SOC已降至最低限制時仍存在負荷用電量缺口，則電網將提供必要的電力支撐。風光儲一體化項目的控制策略示意圖如圖3所示。

2.6典型日園區負荷

根據園區新增負荷用電特性，可得到全年負荷需求數據，并計算出逐月典型日的負荷情況，如圖4所示。

2.7風光儲一體化項目容量配比計算

風電和光伏發電的容量配比是基于典型日風光聯合發電輸出功率曲線與典型日園區負荷曲線接近，且園區綠電替代率最大化的原則進行計算。通過風光聯合發電輸出功率與園區新增負荷逐時匹配后，發現園區實際綠電用電量相對較少，而棄電量較多。因此，為提升園區綠電替代率，需增加儲能系統以提高綠電替代率。根據內蒙古自治區市場化項目配置儲能的政策要求，所有新能源發電項目都應按照最低儲能配置要求進行設計，即儲能容量配置為新能源裝機規模的15%（持續放電時間為4h）1。

考慮到園區總負荷較小，同時風電及光伏發電擬選建設場地資源條件較好，在風光儲一體化項目的容量配比計算中，需設置風電及光伏發電各自裝機容量的上、下限，以確保在滿足園區基本用電需求的條件下棄電量盡可能小。初始計算的風電、光伏發電裝機容量及儲能系統的SOC如表1所示。

通過分析計算，設計3種風電和光伏發電容量配比方案，對比配置儲能前后3個方案的棄電量及綠電替代率的變化情況，詳細對比如表2所示。

3計算結果分析

3.1方案1

方案1的具體配置為：風電裝機容量為10MW、光伏發電裝機容量為40 MW，儲能系統配置為7.5MW/30MWh。經計算，方案1的年發電量達到105190 MWh;配置儲能系統后，年棄電量顯著降低，由26270 MWh下降為14239 MWh;園區綠電替代率得到有效提升，由52.61%提升至60.63%。通過對風光聯合發電的年逐時發電量曲線與園區新增負荷年用電量曲線對比分析，得出儲能系統的年充電量為7940 MWh、年放電量為7174 MWh。方案1風光儲一體化項目各部分電量曲線及儲能充放電曲線如圖5所示。

3.2方案2

方案2的具體配置為：風電裝機容量為15MW、光伏發電裝機容量為30 MW，儲能系統

配置為6.75MW/27MWh。經計算，方案2的年發電量達到104350 MWh;配置儲能系統后，年棄電量顯著降低，由19394 MWh下降為10719 MWh;園區綠電替代率得到有效提升，由56.64%提升至62.42%。通過對風光聯合發電的年逐時發電量曲線與園區新增負荷年用電量曲線對比分析，得出儲能系統的年充電量為7034MWh、年放電量為6370 MWh。方案2風光儲一體化項目各部分電量曲線如圖6所示。

3.3方案3

方案3的具體配置為：風電裝機容量為20MW、光伏發電裝機容量為20 MW，儲能系統配置為6MW/24MWh。經計算，方案3的年發電量達到103510 MWh;配置儲能系統后，年棄電量顯著降低，由16957 MWh下降為9979MWh;園區綠電替代率得到有效提升，由57.70%提升至62.35%。通過對風光聯合發電的年逐時發電量曲線與園區新增負荷年用電量曲線對比分析，得出儲能系統的年充電量為6139MWh、年放電量為5564 MWh。方案3風光儲一體化項目各部分電量曲線如圖7所示。

通過增加儲能系統，3種方案均實現了風光聯合發電消納的顯著提升，提升幅度在3%～8%之間。3種方案的風光聯合發電的發電量曲線與園區新增負荷用電量曲線展現出良好的一致性，均實現了59%以上的綠電替代率。其中，方案2和方案3中綠電替代率最高，分別為62.42%和62.35%。盡管方案3的總裝機容量小于方案2的，但其在項目投資成本上具有明顯優勢。此外，方案3的風光聯合發電消納達到了90%以上，表現最佳。綜合考慮，方案3為風光儲一體化項目容量配比最優方案。

4結論

本研究以內蒙古自治區巴彥淖爾市某工業園區為研究對象，對園區風光儲一體化項目中各部分的容量配比進行了深入研究，對比了該項目在不同容量配比下的年發電量、與園區新增負荷用電量曲線的一致性、園區綠電替代率和年棄電量等關鍵指標，得出以下結論：

1）風光儲一體化項目需要對風能和太陽能資源進行詳盡分析，包括收集園區內的測風數據、太陽輻射數據，并準確計算風光聯合發電的輸出功率曲線；同時，必須結合園區負荷的用電特性，計算園區負荷曲線；并綜合考慮逐月典型日的風光聯合發電的輸出功率曲線與園區負荷曲線相匹配。

2）需分析園區負荷曲線的特點，綜合考慮風電輸出功率的不穩定性及光伏發電在特定時段的穩定性后，綜合計算風光聯合發電的容量配比，并合理配置儲能系統的容量，從而提高儲能的利用效率，降低風光聯合發電的棄電量，并盡量減少電網購電量，從而降低園區的用電成本。

3）增加儲能系統后，可顯著提升風光聯合發電消納。

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RESEARCH ON CAPACITY RATIO OF WIND-PV-STORAGEINTEGRATED PROJECT IN BAYANNUR CITY INDUSTRIALPARK OF INNER MONGOLIA AUTONOMOUS REGION

LiDongmei1，Liu Zhiqiang2，Qiu Yinfeng1，Wei Che1

（1.CNOOC Research Institute Ltd.，Beijing 100029，China;

2.China Resources Power Holdings Co.，Ltd.NorthBranch，Hohhot 010020，China）

Abstract：To investigate the optimal capacity ratio for various parts of a wind-PV-storage integrated project，this paper takes an industrial park in BayannurCity，Inner Mongolia Autonomous Region as a case study.Based on the new load added to the industrial park and its wind energy and solar energy resources，calculatedthe hourly throughout the year and the typical daily output power curves for each month for wind power and PVpowergeneration.Then，a capacity ratio plan for wind and PV power generation is obtained under the conditionof meeting the electricity demand for the new load added to the industrial park.In light of the intermittency andvolatility of wind power and PV power generation，energy storage are introduced to smooth the output powercurves，ensuring that the power generation capacity curve of the wind-PV joint power generation matchesthe change trend of the industrial park's load electricity consumption curve.To enhance the green electricitysubstitution rate of the industrial park and reduce the amount of abandoned wind-PV joint power generation，analyzed the impact of different capacity ratios on the consumption of wind-PV joint power generation and thegreen electricity substitution rate，and identified the best solution.This study offers an effective capacity ratiocalculation method for wind-PV-storage integrated projects in industrial parks in the Inner Mongolia AutonomousRegion，which is conducive to optimizing the operational efficiency of the projects and promoting the widespreadapplication of green energy.

Keywords：wind-PV-storageintegration;windpower;PV power generation;energystorage;greenpowerreplacement;capacityratio;abandonedelectricity;new energy utilization