车晟 张继 唐宪友 王强
中广核太阳能开发有限公司 北京 100070
摘要
针对“光伏-熔盐电加热储能发电”一体化项目开发设计，目前基于项目经验选取的储能系统关键设定参数，存在不确定性多、偏差大等问题。本文提出的基于典型年气象数据逐时测算方法，实现模型的量化搭建和计算，从经济性优化角度测算电加热器功率选型和储能容量设计。通过搭建青海省海西州典型场址项目方案分析，验证了方法的可行性，并得出系统设计关键参数。
关键词：光伏-熔盐电加热储能发电，一体化项目，电加热器功率，储能规模
1 引言
随着国家能源局印发《关于报送“十四五”电力源网荷储一体化和多能互补工作方案的通知》的下达，就“碳达峰”、“碳中和”目标下推动电力源、网、荷、储一体化和多能互补发布给出指导意见。近期百万、千万千瓦级“风光储输”多能互补综合能源基地在国内各地纷纷启动。
光伏发电受太阳辐照波动影响，存在发电并网不稳定的问题，同时带来电网消纳、弃电等问题。随着“新能源一体化”作为新的能源方案被提出，如何规划、匹配成为亟待研究的技术。
关于储能配合大型光伏电站的容量配置策略，国内、国外已开展相关研究。文献[1]采用频谱分析测算方法对可再生能源输出功率储能进行优化配置测算，但缺乏工程项目中需考虑的项目运行期及造价因素等。文献[2-3]通过分析在运新能源电站的历史数据，总结微网电站的发电波动分布规律，从平抑效果、优化成本目标出发，求解储能系统容量配置方案。文献[4]提出基于并网输出功率的平抑效果最佳原则，计算一阶低通滤波器的时间常数，基于此时间常数来确定储能系统功率和容量的配置。文献[5]分析用电负荷的特征性曲线，结合峰谷电价机制，以光伏发电最大上网电量和收益最大为目标，构建了商业化光伏电站储能系统的容量优化及配置方法。
在新能源一体化项目规划设计过程中，需要分析自有弃电对电加热熔盐储能需求，作为后续整体储能电站的测算基础。本方案提出基于项目场址典型年数据逐时输出，通过量化模型、比较输出，形成电加热器功率选型和系统储能容量的优化配置方法。其中参照项目区域限电比例，确定光伏弃电功率数值，进而得到逐时弃电功率，通过比较储能系统投资增加额度和发电收益额度，得到最优设计方案。基于搭建模型，分析青海省海西州3个1000MW级光伏项目弃电储能配置方案，证明了方法的有效性。
2 光伏-储能发电一体化项目储能模型搭建
储能主要涉及“电加热器功率选择”和“储能规模设计”2个关键参数，主要会影响光伏弃电的回收消纳比率、储能系统投资和储能系统利用率，进而影响项目的整体经济效益。
2.1 光伏弃电量化模型
获取项目场址的典型年气象数据TMY，搭建项目的光伏模型，包括项目总装机容量、项目容配比等参数，通过计算可得到项目的逐时上网电功率，结合项目地区的年度弃光率可得到项目的逐时弃电功率。光伏弃电的主要原因为同一地区的所有光伏电站瞬时上网电量超过了输电线路的上限，基于此背景原因，可假设电站的瞬时功率超过一个数值后，区域电网即达到弃电边界值。
.jpg)
3 算例分析
3.1 光伏弃电量分析
搭建青海省海西州光伏弃电储能项目模型，选取3个项目场址：格尔木、德令哈、冷湖搭建项目测算模型。分析在青海光照资源条件下的光伏弃电储能关键影响因素及趋势性。
模型关键输入参数：
1）光伏布置角度按照纬度角。
2）弃电率8%（选取值参考全国新能源消纳监测预警中心数据，青海省2020年度光伏上网年度弃电率8%[6]），限电因素为可上网发电功率超出输电线路限定值，在光伏电站运行中体现在发电功率最高的8%时间段产生弃电。
3）光伏发电项目总装机容量设计为1000MW。
4）光伏的项目容配比1.2，缓解光伏波动性问题，让光伏电力输出更平滑；但容配比提高带来的光伏电力增加导致更多的弃光。
5）储热发电系统效率设置为35%。
年度太阳能斜面辐照在格尔木、德令哈、冷湖地区分别为2215kWh/m2，1972kWh/m2和2043kWh/m2，通过SAM软件（2020.11.29版本）基准模型计算，得到年交流侧可上网电量为20.90亿度、18.77亿度和19.70亿度。按照8%的弃电量，其弃电量分别为1.672亿度、1.502亿度和1.576亿度。通过迭代计算，找到“弃电峰值功率值”，累加年度内高于“弃电峰值功率值”的发电量数值与弃电量数值相同。可测算出3个场址对应的弃电功率起始值为752MW，736MW，752MW，在此数值上的光伏发电量占交流侧可上网电量的8%。
Fig.6 Investment and income analysis of TES amount in two project site
分析数据趋势发现，青海地区项目光照条件较好，其电加热器功率和储热容量都高于吉林地区。好的光照资源会产生较高的弃电功率和弃电量，因此在光照良好地区光伏电站需配套较大功率加热器和大容量储能。
4 结论
本文针对大型商业化光伏-储能一体化电站项目，分析光伏弃电情况，搭建配套储能电加热器功率和储热容量的量化测算数学方法。测算结果表明：
1）本文测算方法可解决项目规划阶段通过经验估算电加热选型和储热容量选型方法存在不准确、误差大的问题，实现设备参数的量化选取。
2）从数据上分析，气象条件（太阳辐照）相近区域的电加热器和储热容量参数接近。光照好地区的项目需配置更高功率的电加热器和更大容量的储能装置，以实现更优的经济性。
本文通过项目场址典型年气象数据逐时发电量和弃电量测算，对比设备参数变化带来的成本变化和收益变化，从经济性优化角度，提出了电加热器功率和储热容量的量化计算方法，为新能源一体化项目储能系统优化设计提供了可行性思路。
参考文献
[1] 王成山,于波,肖峻,等.平滑可再生能源发电系统输出波动的储能系统容量优化方法[J].中国电机工程学报, 2012, 32(16): 1-8.
[2] 曾旭,席林.微电网储能系统优化配置研究[J].电器与能效管理技术, 2016(14): 52-55, 91.
[3] Kargarian A, Hug G. Optimal sizing of energy storage systems: a combination of hourly and intrahour time perspectives[J]. IET Generation Transmission & Distribution, 2016, 10(3): 594-600.
[4] Liang L, Li J, Dong H. An optimal energy storage capacity calculation method for 100MW wind farm[C]//International Conference on Power System Technology, Hangzhou, 2010: 1-4.
[5] 茆美琴,金鹏,张榴晨,等.工业用光伏微网运行策略优化与经济性分析[J].电工技术学报, 2014,29(2): 35-45.
[6] 2020年四季度全国新能源电力消纳评估分析. 全国新能源消纳监测预警中心.
[7] 国家能源局西北监管局关于征求《青海省电力辅助服务市场运营规则》（征求意见稿）