基于自主調峰的工業園區綠色供電方案研究

羅 詠，陳 旭，熊 力

(1.水電水利規劃設計總院，北京100120；2.水電水利規劃設計總院有限公司，北京100120；3.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北武漢430040)

0 引 言

國家提出要在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，并加強可再生能源電力消納責任權重的評價考核，將其納入地方經濟社會發展考核體系。內蒙古自治區響應國家號召，在新能源開發方面建立了多元化的并網機制，優先支持市場化項目，保障工業園區綠色供電項目高質量建設，推進有新增負荷的園區綠色供電項目建設[1]。

1 項目概況

1.1 項目背景

2021年2月，國務院印發關于《加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，提出要以節能環保、清潔生產、清潔能源等為重點率先突破，做好與農業、制造業、服務業和信息技術的融合發展。2022年3月4日，內蒙古自治區人民政府辦公廳印發了《關于推動全區風電光伏新能源產業高質量發展的意見》，優先支持全額自發自用和不占用電網調峰空間的市場化并網消納項目。工業園區綠色供電項目是基于園區新增負荷用能水平和負荷特性配置一定規模的市場化新能源項目[2]，堅持自我消納、自主調峰的原則，以提高終端用能的新能源電力比重。本文以內蒙古自治區興安盟經濟技術開發區內某工業綠色供電項目為例，開展園區綠色供電方案研究。

興安盟經濟技術開發區建設綠色供電項目符合現代能源經濟的發展方向，符合新型電力系統的發展趨勢，對于推進經濟技術開發區節能減排[3]，對興安盟雙碳目標的實現具有重要意義。項目建成后可充分利用當地的可再生能源資源，通過多種能源綜合利用[4]，提高清潔能源消納比例及能源綜合利用效率，最終實現園區低碳綠色用能，具有重大的示范意義。

1.2 項目建設條件

1.2.1 項目場址條件

項目位于興安盟經濟技術開發區園區，采用風電為園區進行綠色供電[5]，并配置了一定規模的電化學儲能裝置實現自主調峰[6]，風電場址位于興安盟烏蘭浩特市境內，避開了草原保護區、基本農田、林地、生態紅線等各類限制性因素。

1.2.2 風能資源條件

項目所以地烏蘭浩特市整體風資源較好，本階段收集到擬規劃項目附近測風塔測風數據，該測風塔海拔高度377 m，最高測風高度120 m。從測風高度代表性來看，測風塔的最高測風層為120 m，而本次推薦機型輪轂高度為110 m，測風塔實測高度可以涵蓋輪轂高度，測風高度代表性較好。通過對風電場場址區內測風塔數據的基本要素分析，場址區風能資源分布特點和特性如下：

(1)風能資源條件較好。本風電場平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測風塔110 m預裝輪轂高度代表年平均風速分別為7.27 m/s，風功率密度分別為412 W/m2。

(2)風向較為穩定。測風塔輪轂高度風向主要集中在WNW～N，總體以WNW方向為主，主風能集中在WNW～NW，總體以WNW方向為主，主風向與主風能方向基本一致。總體而言，本風電基地場址區域風向集中，主導風向明顯，基本以西北偏西風為主。

(3)風速年內變化幅度較大，日內變化幅度較大。測風塔處在3月～5月風速較大，6月～9月風速相對較小。測風塔年內風功率密度變化規律與風速變化規律基本一致。平均風功率密度與平均風速在年內變化幅度較大。各測風塔19∶00～次日5∶00是全天風速相對比較大的時段，其他時段小時平均風速相對較小；風功率密度日變化與風速日變化規律基本一致，均為白天風速相對較小，夜間風速相對較大。

(4)湍流強度偏弱，風切變指數較小。測風塔在100 m處風速為15 m/s時的平均湍流強度為0.092；代表湍流強度為0.138，湍流強度基本呈現隨高度增加而降低的規律。同時結合測風塔100 m的有效風速段代表湍流強度曲線基本位于IECB類曲線以下。按照IEC61400-1(2019)標準判斷測風塔100 m及以上高度湍流強度屬于IECB類等級。測風塔30 m及以上高度擬合風切變指數為0.207，50 m及以上高度擬合風切變指數為0.218。總體來看，本風電場工程場址范圍風切變指數處于中等水平，適宜采用常規輪轂高度。

1.2.3 園區電網條件

本項目負荷主要為園區內化工企業、物流公司和電力設備制造企業。興安盟經濟技術開發區220 kV 8連變現有2臺180 MV·A主變，總容量360 MV·A，現在負荷110 MW，新增負荷共131.9 MW，總負荷為241.9 MW，八連變具有新能源電站接入的能力，同時220 kV側也具有良好的間隔擴容條件。

2 工業園區用電分析

興安盟經濟技術開發區位于烏蘭浩特市境內，重點打造再生資源清潔精深利用和清潔能源高端裝備制造兩大示范創新基地。本期工程匹配負荷為開發區新增生產負荷，新增負荷為13.66萬kW，年用電量為11.39億kW·h。本項目新增用電負荷絕大部分為化工企業合成氨與尿酸項目二期工程生產負荷，根據化工負荷典型特性，并結合一期工程投產后的實際負荷情況，考慮二期工程用電負荷為24 h連續生產，正常方式下負荷始終保持在10萬kW穩定運行，最大用電負荷約12萬kW。每年檢修期約15 d，選擇新能源出力較小時段進行檢修。本項目負荷涉及多家企業，主要用電負荷為化工項目二期工程，用電企業可靈活選擇檢修時間，為降低用電成本負荷企業將優先選擇新能源出力較小的時段，對生產系統進行輪停檢修。檢修方式下仍可保持園區新增負荷部分電力基本平衡。

3 綠色供電方案研究

3.1 負荷特性分析

興安盟經濟技術開發區園區綠色供電項目用電負荷由公司新能源電站與電網共同承擔，新能源所發電量給園區供電，缺額部分從電網購電[7]。園區新增用電負荷的總用電量11.39億kW·h，生產負荷用電曲線較為穩定。用電負荷及檢修情況如表1所示。

表1 用電負荷及檢修情況

根據表1中園區新增用電負荷及檢修情況，年最大負荷、平均負荷曲線、典型日負荷曲線如圖1、2所示。年負荷曲線中，化工公司用電負荷10.71萬kW，7月檢修15 d，纖維科技有限公司用電負荷0.6萬kW，11月檢修15 d，因此7月平均負荷較小，11月平均負荷也略小，其他月份基本無變化。典型日負荷曲線中，日最高負荷14萬kW，最低負荷12.1萬kW，峰谷差1.9萬kW，占最大負荷比例約為13.6%。

圖1 園區新增用電負荷年特性曲線

圖2 園區新增用電負荷典型日特性曲線

3.2 新能源出力特性分析

興安盟風能資源也較好，圖3為各月最大出力和平均出力，圖4為四季典型日出力曲線。

圖3 風電年出力曲線

圖4 風電四季典型日出力曲線

3.3 典型日生產運行模擬

3.3.1 生產運行模擬條件

園區最大用電負荷為13.66萬kW，年總消耗電量為11.39億kW·h。新能源裝機由于受土地資源約束，風電裝機為16.875萬kW，儲能按總裝機規模的15%/4 h考慮。

3.3.2 運行約束條件

根據《內蒙古自治區工業園區綠色供電項目實施細則(2022年版)》，配置儲能規模不低于新能源裝機容量的15%/4 h，新能源電力不得向公網送電，不得占用公網調峰資源。

3.3.3 風儲荷耦合特性分析

新能源電站、儲能系統向工業園區綠色供電項目系統全年8 760 h耦合曲線如圖5所示[8]。

圖5 風儲荷耦合平衡全年8 760 h運行曲線

本項目配置了15%/4 h的儲能裝置，配合建設的智能控制系統[9]，當新能源出力超過園區最大負荷時刻多余電量部分存入儲能系統，部分棄電。到新能源出力較低時，儲能系統將存儲電量釋放，供園區用電負荷，減輕園區從電網購電壓力。實現園區用電綠色電能替代，通過儲能和棄電，保證新能源不向公網輸送電力，不額外增加公網調峰壓力[10]。園區用電由新能源電力綠色替代后，缺額部分通過公網購電滿足園區用電需求。

春季、冬季典型日中新能源出力較好，儲能充滿電后，多余電量棄掉，待到新能源出力降低至小于用電負荷時，儲能放電，后續新能源出力又升高大于負荷時，新能源繼續充電，直至充滿后，多余電量棄掉，直到第二天或后續新能源出力降低至小于用電負荷時，儲能再放電，通過儲能充放電及棄電實現風儲系統出力基本跟隨園區負荷曲線變化，保證風儲荷系統從電網下電基本為穩定值，實現風儲系統的自主調峰[11]。夏季、秋季典型日中新能源出力相對較低，通過儲能對新能源出力進行削峰填谷，實現風儲系統出力基本跟隨園區負荷曲線變化，園區從電網下電量也是穩定值，實現風儲系統的自主調峰[12]。

經計算項目實施前后風儲項目從電網購電峰谷差比例對比如表2所示。

表2 項目實施前后主網供電峰谷差比例對比

綜上所述，本項目新能源電量全部由新增負荷消納。項目實施后，通過儲能系統的調節作用以及采取部分棄電措施，實現風儲系統出力基本跟隨園區負荷曲線變化而變化[13]，從而保證風儲荷系統從主網購電電力基本維持在相對穩定值，項目實施后，四季典型日主網供電峰谷差比例相對于項目實施前均有所下降，實現系統自主調峰，不增加主網調峰峰谷差比例[14]。

經耦合分析，由于本項目配置了15%/4 h的儲能裝置，配合建設的智能控制系統[15]，可隨新能源出力波動，實現自主調峰，且分析時，考慮了多余電量棄電，不向電網反送電。

4 項目接入方案及消納分析

4.1 接入方案

根據本項目建設規劃和規模，綜合考慮新能源電站以220 kV電壓等級接入220 kV八連變。本方案中風電場至八連220 kV線路采用LGJ-300，線路極限輸送容量約240 MV·A，滿足新能源裝機規模的輸送需求。

4.2 消納分析

為分析園區電量及新能源接納能力，對園區電量進行分析計算：

本項目風電裝機規模168.75 MW，年發電量合計5.40億kW·h，儲能配置為新能源裝機規模15%/4 h，即25.3 MW/101.2 MW·h。

經過對新能源出力及負荷8 760 h特性數據進行對比統計分析，新能源出力超過園區負荷小時數為952 h，該952 h新能源累計總發電量為1.202億kW·h，其中園區負荷端消耗電量1.122億kW·h，多余發電量約為0.081億kW·h。若不配置儲能，該部分電量需要全部棄掉，棄電率為1.50%。

配置15%/4 h儲能裝置后，儲能按最佳狀態工作，當新能源出力超過園區負荷時，儲能開始充電，若儲能充滿或者新能源出力下降低于園區負荷時則停止充電；當新能源出力低于園區負荷時，儲能開始放電，若儲能存儲電量全部放完或者新能源出力增大超過園區負荷時，則停止放電，經對新能源出力及負荷8 760 h特性數據進行統計分析計算，儲能投運后可削峰填谷的電量累計為0.027億kW·h，則配置儲能后實際棄電量為0.053億kW·h，棄電率為0.99%，相對于不配置儲能的情況，新能源棄電率下降了0.51%。園區綠色替代電量為5.347億kW·h，綠色替代電量占園區總電量需求比例為46.94%。

即本項目風電裝機規模168.75 MW，通過配置15%/4 h的儲能，并考慮0.99%的棄電率，可滿足新能源電量不上網，新能源實現自主調峰，不額外增加電網調峰壓力，同時園區綠電替代比例達到46.94%。

該項目用電負荷以化工負荷為主，負荷特性為24小時不間斷連續生產。根據全年8 760 h風光荷儲耦合分析結果，該項目新能源棄電率為0.99%。該項目風電建設成本較低，可達到4.5元/W，考慮棄電后項目資本金內部收益率仍可達到15.17%。考慮到興安盟經濟技術開發區近年來發展勢頭良好，負荷增長仍有較大空間。隨著園區內新用電項目落地，消納條件可進一步改善。基于以上分析，評估認為該項目的新能源配置規模是基本合理的[16]。

5 結論與建議

綜上所述，通過對興安盟經濟技術開發區內工業園區的新增負荷情況進行了分析研究，結合負荷特性開展基于自主調峰的工業園區綠色供電方案研究，主要結論如下：

(1)項目所在地風能資源豐富，年有效風速的持續時間長。通過對風電場場址區內測風塔數據的基本要素分析，場址區風能資源條件較好，平均輪轂高度處空氣密度約1.188 kg/m3。測風塔110 m預裝輪轂高度代表年平均風速分別為7.27 m/s，風功率密度分別為412 W/m2。風向集中，主導風向明顯，風速年內變化幅度較大，日內變化幅度較大。湍流強度偏弱，風切變指數較小，適宜采用常規輪轂高度。

(2)項目新增負荷為13.66萬kW，年用電量為11.39億kW·h，負荷等級包信二級和三級，主要用電負荷為化工項目負荷，用電企業可靈活選擇檢修時間，為降低用電成本負荷企業將優先選擇新能源出力較小的時段，對生產系統進行輪停檢修。檢修方式下仍可保持園區新增負荷部分電力基本平衡。

(3)項目風電裝機為16.875萬kW，儲能按總裝機規模的15%/4 h考慮，配合建設的智能控制系統，可隨新能源出力波動，實現自主調峰，且分析時，考慮了多余電量棄電，不向電網反送電，并開展了全年8 760 h的風儲荷耦合特性分析，通過儲能系統的調節作用以及采取部分棄電措施，實現風儲系統出力基本跟隨園區負荷曲線變化而變化，從而保證風儲荷系統從主網購電電力基本維持在相對穩定值，項目實施后，四季典型日主網供電峰谷差比例相對于項目實施前均有所下降，實現系統自主調峰，不增加主網調峰峰谷差比例。