内蒙古电网压缩储能容量计算研究

内蒙古电网压缩储能容量计算研究

内蒙古面积大，能源和能源丰富。风能装置和风能装置位于全国省级电网的第一位。风电最大出力435万千瓦,占电网最大供电负荷的31.6%。目前,蒙西地区开展前期工作的风电容量1000万千瓦(包括国家同意的百万千瓦风电基地容量340万千瓦),已通过国家和自治区核准在建的风电容量281万千瓦,预计2011年底接入内蒙古电网运行的风电容量将达到1000万千瓦,2015年预计将达到2000万千瓦,光伏发电容量将达到100万千瓦。照目前的计划,“十二五”期间只有呼抽水蓄能电站120万千瓦机组可以投运。根据中国电科院的分析研究成果,2015年蒙西电网销纳风电能力只有1200万千瓦,与国家规划的蒙西风电发展目标存在较大的差距。所以建设抽水蓄能、大规模压缩空气储能电站或者钠硫电池、飞轮储能等分布式储能系统来消纳大量的风电势在必行。1风电/光伏消纳能力与负荷水平的关系内蒙古自治区地域辽阔,风电和光伏资源都非常丰富。这时电网的调峰能力可能成为大规模风电/光伏并网的技术瓶颈。一般而言,电网调峰能力主要受到网内常规机组最小技术出力及系统备用容量的限制,在内蒙古电网,风电的调峰主要靠火电机组来完成,很不经济。另一方面,电网负荷水平、电网结构、储能能力、外送能力也是大规模风电/光伏接入系统的主要约束因素。实际运行中,电网的负荷和运行方式每时每刻都是变化的,因此,可用于平衡风电/光伏功率波动的电网调峰容量对于电网不同时刻的负荷水平、不同运行方式都是不同的。本文采用系统生产模拟的方法来研究水平年的电网风电/光伏消纳能力。使用电力生产模拟的方法来分析研究水平年的电网的风电/光伏消纳,是模拟研究每个时刻接纳风电/光伏的电量,通过负荷曲线制定开机计划得出每个时间阶段的风电/光伏消纳空间,结合风电/光伏规划给出的理论风电出力,进而得出研究水平年的在规划风电/光伏容量下的风电/光伏所发的电量和弃风电量。图1给出了生产模拟计算风电/光伏消纳空间的示意图。图1(a)中红色曲线为负荷,蓝色曲线为开机方式设定的最大出力,绿色曲线为开机方式中设定的最小出力,根据设定的开机方式,机组的出力能够满足当天负荷运行的需要;图1(b)给出了风电/光伏消纳空间的示意图,蓝色曲线为负荷与设定机组开机方式下最小出力之间的差值,这个空间是能够消纳风电/光伏且不用机组起停的空间,当风电/光伏出力在这个空间内时,则系统可以完全消纳所有的风电/光伏,反之,如果风电出力超出了该条蓝线,则会出现弃风/弃光,这时就需要大规模储能来消纳这部分出力。2大规模储能系统的组成及特点随着风电/光伏产业的迅猛发展,给电网控制、运行、分析带来了越来越多的问题。而储能技术在很大程度上可以解决新能源发电的随机性、间歇性等问题,通过储能与新能源的协调,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效减小新能源发电对电网电压、频率、以及电能质量的影响,使大规模风电/光伏发电稳定、可靠地并入电网。风力资源具有间歇性和不确定性,另外风力较大的后半夜又是电网用电负荷的低谷,因此,虽然近年在国家政策的支持下风电光伏产业发展势头迅猛,但同样给电网的稳定运行带来了一系列的问题,大规模储能技术的应用,可以有效的使风电场输出更加平滑并帮助电网消峰填谷。目前,电能存储方式主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等。另外根据规模也可以分为集中储能、分布式储能和分散储能,如表1所示。由表1可知要想大规模的储存风电只能采用集中储能方式,为了适合内蒙古自治区的特点本文将重点介绍压缩空气储能。压缩空气蓄能是利用电网负荷低谷时的过剩电量,由电动机带动空气压缩机,将空气压入密闭大容量地下洞穴,压缩空气的过程是将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气气压势能,蓄能时通过联轴器将电动机/发电机和压气机耦合,与燃气轮机解耦合。当电网负荷用电高峰时,可以将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧,导入燃气轮机作功发电,把势能再次转换为电能满足系统高峰时的用电需求。利用压缩空气燃烧驱动燃气轮机发电,燃气轮机、燃烧室以及加热器等即发电子系统,发电时电动/发电机与燃气轮机耦合,与压气机解耦合。CAES概念被分为燃气轮机的压缩与膨胀循环过程,压缩周期能独立的操作,该过程将空气压缩储存,在燃气轮机燃烧过程中压缩空气被释放,通过加热膨胀产生巨大的输出功。燃气轮机满负荷发出的功率在压缩空气的帮助下相比于没有压缩机工作时,出力是以前的2.5倍。这样就更加体现了提高压缩空气压力的必要性,同时安装更高压力的膨胀器对提高压缩空气储能电站的效率十分必要。压缩空气储能的两大优势使其成为一种重要的储能手段。首先,压缩空气储能在规模上仅次于抽水蓄能,如德国一座电站的规模达到290兆瓦。其次,技术成熟,已经实现大规模商业化应用。之所以说其技术成熟,主要是由于压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术。只不过,压缩空气储能的原理是将燃气轮机的压缩机和透平分开,在储能时,用电能将空气压缩并存于储气室中;在释能时,高压空气从储气室释放,进入燃烧室膨胀做功发电。“实际就是让压缩机和透平分时工作,从而起到调峰的作用。”压缩空气储能的响应时间和抽水蓄能也接近,启动时间约5～10分钟,比电池、电容、飞轮储能响应时间慢。但容量更大,单机容量在100～300兆瓦,小型的也可做到10兆瓦。另外压缩空气储能还可以耦合风力发电系统,在用电低谷,风电厂的多余电力压缩并储存压缩空气;在用电高峰,压缩空气燃烧并进入燃气透平发电。采用压缩空气储能—风能耦合的系统可将风电在电网中供电的比例提高至80%,远高于传统40%的上限。此次分析中将假设压缩空气电站的效率为65%,年满发小时数是2000小时。压缩空气储能释放电能可以节省燃气轮机40%的成本。3计算分析的结果3.1外送充填岩相机电2015年,整个蒙西电网火电机组装机将为43112.2MW,风电机组装机将为20000MW,最大供电负荷为31500MW,外送华北为3900MW,光伏装机1000MW。新建已经投运的抽水蓄能电站1200MW的效率为75%,即抽四放三,年满发利用小时数为2000h;研究中设定抽蓄电站的效率为75%,火电机组的平均调峰能力为30%,供热机组调峰能力为20%,缩空气电站的效率为65%,一般情况下,压缩空气充电时间为8～12个小时,出力时间为6小时,压缩空气电站年满发利用小时数为2000h。3.2电力生产模拟方法根据现有的调度十五分钟一个点电力负荷和风功率出力曲线预测模拟出到2015年的电力负荷和风功率出力曲线。使用电力生产模拟的方法分别对弃风量为0.05%和弃风量为5%进行计算,表2给出了计算结果。需要指出的是,进行生产模拟消纳风电/光伏研究,只考虑电量的实时平衡的理想情况,没有考虑电压以及网架约束,研究结果偏于乐观,如果考虑这些约束则接纳情况将系统弃风电量将会增加,因此本研究计算的储能装机容量结果有可能偏于乐观。4发展分布式电源产业“十二五”末预计风电容量将达到2000万千瓦。光伏发电容量将达到100万千瓦。蒙西电网消纳风电的能力成为一个刻不容缓的问题,由上述计算结果可知在弃风5%的情况下要想消纳2000万千瓦风电100万千瓦光伏,必须建设300万的压缩空气储能电站来进行削峰填谷。而要想全部消纳所有的分布式电源必须建造420万左右的压缩空气储能电站。另外电网消纳风电能力一个重要的因素是电网的供电负荷,建议“十二五”期间采取引进负荷与风电共同发