當(dāng)前，對于風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電，我們并不陌生。但由于風(fēng)、光資源的隨機性和波動性，通常情況下，它們需要與水電、火電等其他電源一起，并入大電網(wǎng)集中供電。
然而，在有著“鄂北門戶”之稱的湖北省廣水市，一個100%使用風(fēng)、光新能源供電的新型電力系統(tǒng)已見雛形。
一個月前，這一新型電力系統(tǒng)已啟動送電程序。不久之后，當(dāng)?shù)毓╇妳^(qū)域內(nèi)超過20萬人將可用上100%風(fēng)、光新能源獨立發(fā)電。
像這種縣域規(guī)模以100%風(fēng)、光作為電源的真實電力系統(tǒng)還沒有先例。項目全部建成后，將成為世界上首個可長期獨立運行，能實現(xiàn)100%新能源獨立供電的示范工程。
打造100%新能源新型電力系統(tǒng)，有何重大意義?這一新型電力系統(tǒng)有什么特點，又實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破?記者近日采訪了項目有關(guān)負(fù)責(zé)同志，帶您一起探訪世界首個縣域100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程。
1 既是實用的現(xiàn)實電網(wǎng)，又是具有未來電網(wǎng)特征的試驗平臺實現(xiàn)風(fēng)、光資源就地消納與平衡
湖北省廣水市十里街道寶林寺村。十幾個山頭的向陽坡上，分散著占地700多畝的太陽能光伏發(fā)電場，一百多萬塊光伏板在陽光下熠熠生輝。
約20公里開外，廣水李店鎮(zhèn)姚店村附近的山頭上，矗立著十余座風(fēng)力發(fā)電機，長達70米的風(fēng)機葉片“呼呼”地轉(zhuǎn)著。
這是寶林風(fēng)光一體化發(fā)電站，也是世界首個縣域級100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程的重要電源之一。
據(jù)介紹，廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程，是圍繞新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、服務(wù)“雙碳”目標(biāo)打造的國家電網(wǎng)“十大示范項目”之一，于11月19日啟動送電程序。新能源裝機容量總計244兆瓦，包含英姿寨、牛脊山、蓮花村3座風(fēng)電場和寶林風(fēng)光一體化發(fā)電站，其中風(fēng)電裝機194兆瓦、光伏裝機50兆瓦。供電面積418平方公里，覆蓋廣水市主要商業(yè)、工業(yè)和居民用戶，供區(qū)人口超過20萬，最大負(fù)荷61兆瓦。
“廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)就是以新能源供電為主體、與大電網(wǎng)柔性互聯(lián)、源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動、面向未來的電網(wǎng)新形態(tài)。”國網(wǎng)湖北省電力有限公司科技創(chuàng)新部副主任王偉告訴記者。簡單來講，它首先使用的是100%風(fēng)電、光電新能源作為供電電源;其次，它既可以獨立運行，用廣水本地的風(fēng)、光資源來為廣水供電，也可以與大電網(wǎng)互聯(lián)，當(dāng)本地發(fā)電量富余時把多余的電送向大電網(wǎng)，當(dāng)本地發(fā)電量不夠時從大電網(wǎng)取電;再次，其電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)以及儲能側(cè)之間可實現(xiàn)靈活互動，即使新能源發(fā)電出現(xiàn)劇烈波動，也能迅速反應(yīng)，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。
可以說，它既是一個能確保風(fēng)、光新能源發(fā)電發(fā)得出、用得上的實用的現(xiàn)實電網(wǎng)，也是一個開放的具有未來電網(wǎng)特征的試驗平臺。而這也正是打造這一新型電力系統(tǒng)的意義所在。
實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革。據(jù)介紹，隨著“雙碳”進程的深入推進，能源供給結(jié)構(gòu)深度調(diào)整。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，到2030年，我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電裝機規(guī)模將超過煤電，成為第一大電源。
然而，由于電能無法大量儲存，風(fēng)、光發(fā)電面臨著消納難題。以廣水所在的隨州市為例，得益于地緣優(yōu)勢，其風(fēng)、光資源十分豐富，現(xiàn)有新能源裝機是本地最大負(fù)荷的2.7倍，但外送卡口問題嚴(yán)重，消納問題突出。“通常情況下，風(fēng)電、光電的消納有兩種途徑，一是就地消納，二是外送。”王偉介紹，未來，隨著各地新能源發(fā)展的進一步加速，本地?zé)o法消納的新能源外送的空間也將被逐步壓縮，消納問題也會隨之加劇。
與此同時，由于風(fēng)、光發(fā)電具有隨機性和波動性，使得其出力不如火電、水電穩(wěn)定，現(xiàn)有電網(wǎng)如果高比例使用風(fēng)光發(fā)電，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行將帶來前所未有的考驗。
“如果風(fēng)光新能源發(fā)出的電用不上，那發(fā)電就沒有意義了。”王偉說，國網(wǎng)湖北省電力有限公司在這一背景下開展廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程，致力于解決新能源消納難題、研究新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，形成“就地平衡為主，與主網(wǎng)互動為輔”的未來電網(wǎng)新形態(tài)。中國電建集團湖北工程有限公司負(fù)責(zé)項目設(shè)計。
“2020年初確定研究方向，2020年11月正式立項，成功研發(fā)了自同步電壓源、高壓大容量能量路由器等8項核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備。近期投用后，不僅可以實現(xiàn)廣水當(dāng)?shù)仫L(fēng)、光資源的就地消納與平衡，而且也是構(gòu)建未來電網(wǎng)的一塊‘試驗田’。”國網(wǎng)湖北省電力有限公司科技創(chuàng)新部科技處處長陳孝明說。
2 源、網(wǎng)、荷、儲靈活互動提升區(qū)域電網(wǎng)柔性互聯(lián)水平
在采訪時，說起廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)，國網(wǎng)湖北省電力有限公司科技創(chuàng)新部科技處專責(zé)劉巨說的最多的是“靈活”二字。
據(jù)介紹，廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)是一個獨立的電網(wǎng)系統(tǒng)，可以完全獨立運行。但它與大電網(wǎng)之間，并非完全“一別兩寬”，而是可以實現(xiàn)靈活的柔性互動。
“傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電出力可控，負(fù)荷變化相對有規(guī)律，電力電量平衡比較容易。而由于風(fēng)、光‘看天吃飯’，廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)不確定性比較多，一旦發(fā)生極端事故，大電網(wǎng)可以兜底保障。”劉巨告訴記者，示范工程區(qū)域電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間相連，離不開一個關(guān)鍵設(shè)備——能量路由器。
如同我們家中使用的WiFi網(wǎng)絡(luò)路由器，當(dāng)能量路由器開啟時，示范工程區(qū)域電網(wǎng)就與大電網(wǎng)“牽手”;關(guān)閉時，則與大電網(wǎng)“分手”。
“能量路由器就像是一個閥門。”劉巨說，值得注意的是，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)從電源側(cè)經(jīng)輸電、變電、配電流入負(fù)荷端，電壓等級由高到低、潮流單向不同，借助能量路由器，示范工程區(qū)域電網(wǎng)不僅可以從大電網(wǎng)取電，當(dāng)本地風(fēng)電、光電有富余時還可以反向向大電網(wǎng)送電，實現(xiàn)與大電網(wǎng)之間的柔性互聯(lián)。
國網(wǎng)湖北電科院新型電力系統(tǒng)研究中心專責(zé)葉暢介紹，能量路由器的功能不止于此，它有7個端口，每個端口都可獨立控制運行，可以接入大電網(wǎng)，也可以接入當(dāng)?shù)胤植际斤L(fēng)、光電源，還可以接入負(fù)荷端、儲能端，實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲的靈活互動，多電壓等級供區(qū)的靈活組網(wǎng)。
據(jù)了解，在高比例新能源新型電力系統(tǒng)中，通常在不同電壓等級間會有大量光電、風(fēng)電接入，而且電動汽車、儲能等廣泛分布，潮流方向和大小復(fù)雜多變，對組網(wǎng)方式等提出新的要求。“作為我國首臺多端口高壓大容量能量路由器，它可以用來探索新型電力系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和關(guān)鍵互聯(lián)裝備。”劉巨告訴記者。
最近，湖北電科院系統(tǒng)調(diào)試人員完成了廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)送電后的儲能充放電功率及時長試驗，驗證了相關(guān)功能的可靠性。
儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)必不可少的組成部分。據(jù)了解，示范區(qū)負(fù)荷日最大波動幅值為38MW，波動率為76%;風(fēng)、光發(fā)電出力日最大波動幅值為139MW，波動率為86%。這就需要儲能來平抑新能源出力波動，保障供電的安全穩(wěn)定。
“示范工程在電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)一共建設(shè)了9座儲能電站，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐和源荷動態(tài)平衡，能有效提升15%至20%的風(fēng)、光資源消納能力。”劉巨介紹，其中，有6座是建立在負(fù)荷側(cè)。
“也就是說，用戶端也可能搖身一變成為供電電源。”葉暢進一步解釋道，那6座儲能電站有1座建于大用戶廠區(qū)內(nèi)，另外5座則位于電動汽車充電站。
廣水市十里工業(yè)園內(nèi)，坐落著三峰透平儲能電站。“這里就相當(dāng)于是一個微電網(wǎng)，既能進行光伏發(fā)電供廠區(qū)自用，也可以將富余電能儲存起來，待示范區(qū)內(nèi)用電高峰、新能源出力不足時放電。”劉巨說，如果該儲能電站在夜間電力低谷時段和下午的平段進行充電，在高峰時段和尖峰時段放電，每月預(yù)計可節(jié)約電費近3萬元。
自發(fā)自用，余量儲存、上網(wǎng)。與三峰透平儲能電站一樣，5座分布式光儲充一體化智能電動汽車電站也是一個微電網(wǎng)，由光伏、儲能和充電樁組成。“一輛電動汽車就是一個儲能裝置。”
據(jù)介紹，未來電網(wǎng)，將有更多分布式儲能涌現(xiàn)，也會有更多電動汽車車主、更多家庭參與到與電網(wǎng)的互動之中。
3 研發(fā)基于云計算和人工智能的協(xié)同控制系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)實時最優(yōu)運行
點擊鼠標(biāo)，打開湖北廣水源網(wǎng)荷儲實時協(xié)同控制系統(tǒng)，進入電源監(jiān)控界面……在國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司地調(diào)機房，湖北電科院系統(tǒng)調(diào)試負(fù)責(zé)人柳丹、胡畔，正在對寶林風(fēng)光一體化發(fā)電站、英姿寨風(fēng)電場等4座新能源電站開展功率靈活調(diào)節(jié)及一次調(diào)頻功能測試。
“源網(wǎng)荷儲實時協(xié)同控制系統(tǒng)是廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)的調(diào)度中心，相當(dāng)于整個示范工程運行的‘大腦’，在新能源出力出現(xiàn)盈虧時，通過儲能進行能量存儲和釋放、需求側(cè)響應(yīng)進行削峰填谷、能量路由器進行潮流雙向控制，實現(xiàn)電力電量平衡，保障100%新能源穩(wěn)定供電。”胡畔告訴記者，其控制策略的精準(zhǔn)性和有效性直接關(guān)系到示范工程的安全穩(wěn)定，是工程能否順利運行的關(guān)鍵。
據(jù)介紹，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行控制依靠日前負(fù)荷預(yù)測和離線安全校核制定次日運行方式，以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定和電力電量平衡。在高比例新能源新型電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電隨機、迅速、大范圍波動，電動汽車、儲能等柔性負(fù)荷無法準(zhǔn)確預(yù)測，多時間尺度電力電量平衡困難，傳統(tǒng)模式難以適應(yīng)。對此，示范工程團隊專門研發(fā)了基于云計算和人工智能技術(shù)的源網(wǎng)荷儲實時協(xié)同控制系統(tǒng)，具有電壓頻率動態(tài)控制、精細(xì)化氣象分析、5分鐘超臨近發(fā)電預(yù)測、源網(wǎng)荷儲調(diào)節(jié)潛力判斷、控制策略推演和源網(wǎng)荷儲實時協(xié)同控制等功能。
該系統(tǒng)可實現(xiàn)對廣水縣域示范區(qū)內(nèi)源、網(wǎng)、荷、儲運行的全景、全過程監(jiān)控，通過多層次運行全過程監(jiān)控，根據(jù)電網(wǎng)最新運行狀態(tài)，調(diào)配電網(wǎng)中源、網(wǎng)、荷、儲各側(cè)資源，實現(xiàn)電網(wǎng)實時最優(yōu)運行。依托這一系統(tǒng)，即便新能源發(fā)電出現(xiàn)劇烈波動，也能迅速反應(yīng)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
“舉個例子，一旦該系統(tǒng)監(jiān)控到新能源發(fā)電出力不足等問題，系統(tǒng)最快可在幾毫秒內(nèi)作出反應(yīng)，源側(cè)實現(xiàn)友好并網(wǎng)、主動支撐，網(wǎng)側(cè)開展潮流優(yōu)化控制，荷側(cè)開展需求響應(yīng)，儲側(cè)則進行快速功率穩(wěn)定控制。”劉巨告訴記者。
不僅如此，示范工程團隊在廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點配備了70多套新型繼電保護裝置，保障快速準(zhǔn)確切除故障。
……
一個示范工程、一系列關(guān)鍵技術(shù)、一種全新模式、一個綠能樣本。“示范工程已進入建成投用倒計時，不久之后，廣水418平方公里范圍內(nèi)將實現(xiàn)全年100%新能源獨立供電時間占比超過70%、全年新能源供電量占比超過80%。”王偉告訴記者。(記者 王珍)
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