Study on the Proportion of Energy Storage in a Photovoltaic Desertification Control Demonstration Park in Wuwei City
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摘要:
武威市处于腾格里沙漠边缘地带，新能源是推动治沙的有效途径之一，武威市规划在某地打造光伏治沙示范园区，文章对该园区的光伏电站储能配套比例进行分析与研究，形成相关技术报告，为该光伏治沙示范园区的建设提供技术支撑。
Abstract:Wuwei City is located in the edge of the Tengger Desert, new energy is one of the effective ways to promote desertification control, Wuwei City plans to build a photovoltaic desertification control demonstration park in a certain place, the paper analyzes and studies the proportion of photovoltaic power station energy storage in the park, forms relevant technical reports, and provides power grid support for the construction of the photovoltaic desertification control demonstration park.
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Keywords:
- PV /
- grid /
- supporting energy storage
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0. 引言
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出要推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系。此外，还应加快煤电的灵活性改造，推进抽水蓄能电站的建设，并广泛采用新型储能技术。计划建设9个大型清洁能源基地，其中包括雅鲁藏布江下游水电基地、雅砻江流域、金沙江上下游、黄河上游和几字湾、河西走廊等清洁能源基地。武威市位于河西走廊地区，具有巨大的清洁能源发展潜力。
武威处于腾格里沙漠边缘地带，新能源是推动治沙的有效途径之一。为持续开展防沙治沙，筑牢生态安全屏障，加快优势资源转型发展的步伐，进一步推进新能源建设的进程，优化建设布局，武威市规划在某地打造光伏治沙示范园区，本文对该园区的光伏电站储能配套进行分析与研究。
1. 现状分析
目前，根据《关于甘肃省集中式新能源项目储能配置有关事项的通知》（甘发改能源〔2023〕469号，以下简称469号通知），综合考虑电源的装机容量和储能装机容量，为新能源项目的储能设备提供灵活运行的空间，武威新能源项目配置比为10%、2 h的储能设施，以提高电力系统的调峰能力和新能源项目的利用效率，确保电力系统的安全稳定运行。
2. 上级接入条件分析
2.1 上级电网接纳能力
武威中部地区仅有330 kV及以下电压等级电网，不能满足武威某光伏园区新能源并网需求。武威中部地区现有特高压线路3回，750 kV线路1回，规划建设疆电入渝、陇电入浙特高压线路以及武威地区升压站线路，武威中部地区线路廊道资源较为紧张。因此，为充分利用廊道、电网资源，统筹考虑使用330 kV升压站向上一级电网输送电源。
2.2 光伏接入升压站
根据本次规划地块排布，初步考虑建设15座330 kV汇集/升压站，其中在建9个光伏项目分别接入已规划武威某地1#、2#、3#共3座330 kV升压站，新增规划建设12座330 kV汇集/升压站，单座升压站建设容量为960 MV·A或1440 MV·A，前期升压站变比为330/35 kV，远期升压站变比考虑330/110/35 kV，每个330 kV升压站以1回或2回330 kV线路接入系统，线径型号采用LGJ-2 × 400或LGJ-2 × 630。同时，330 kV送出线路按照集中规划通道的思路在规划二路北侧预留约600 m宽的电力走廊，用于园区330 kV线路送出，这也可以满足附近光伏地块110 kV线路及35 kV线路接入。
2.3 送出线路电压等级经济性对比分析
在建和规划的光伏地块为10万kW、20万kW、30万kW、40万kW、60万kW、100万kW的装机容量。为节约廊道资源，武威某光伏项目汇集接入，根据国家电网有限公司《国网基建部关于印发输变电工程多维立体参考价（2023年版）的通知》（基建技经号〔2023〕18号），得出架空线路通用设计方案工程概算参考价，考虑用35 kV与110 kV 2个电压等级并入330 kV升压站，做方案一和方案二经济性对比分析。从表1可以看出，方案一（110 kV）与方案二（35 kV）线路相比，虽然方案一的单位造价较方案二更高，但使用110 kV线路接入330 kV升压站时，所接间隔为14回，与使用35 kV线路接入330 kV升压站相比间隔减少了93回，总投资减少了6062万元。
表 1 线路电压等级经济性对比表方案 名称 项目/万kW 规格/mm2 间隔回数/回 单价/万元 投资/万元 与方案一投资
差额/万元方案一 110 kV线路 地块10 单回架设段线路（1 × 300） 1 98 98 0 地块20 单回架设段线路（2 × 300） 1 132 132 地块30 单回架设段线路（2 × 240） 2 102 204 地块40 单回架设段线路（2 × 300） 2 132 264 地块60 单回架设段线路（2 × 300 ） 3 132 396 地块100 单回架设段线路（2 × 300 ） 5 132 660 投资合计 14 - 1912 方案二 35 kV线路 地块10 单回架设段线路（150） 5 70 350 6062 地块20 单回架设段线路（240 ） 7 72 504 地块30 单回架设段线路（240 ） 10 72 720 地块40 单回架设段线路（150） 19 70 1330 地块60 单回架设段线路（240 ） 20 72 1440 地块100 单回架设段线路（150 ） 46 70 3220 投资合计 107 - 7914 注：在后期建设中，35、110 kV线路长度一致，故本次不做长度比较。 综上，110 kV线路出线比35 kV出线更为经济，再结合出线电压等级、线路间隔数、造价、廊道资源等情况综合考虑，得出应以110 kV电压等级接入升压站为主。
3. 储能配套比例研究分析
3.1 储能配比相关要求
根据469号通知对各地区储能配置的基本要求，此次配套储能其目的是为了提升光伏接纳能力，提高电网安全性、稳定性。本方案主要考虑以下几点原则：（1）实现电源结构调整，促进可再生能源的消纳，优化新能源并网特性；（2）整体规划采用分片集中布置，兼顾电网调度需求，避免长距离输送，减轻电网输电压力，也有利于调度计量；（3）优先考虑配置集中储能电站，为区域内电站提供调峰调频服务，降低辅助服务分摊考核；（4）参与辅助服务市场，提高新能源电站一次调频能力，提升可再生能源利用效率，助力网源协同友好发展[1]。
3.2 各类储能对比分析
储能种类繁多，在不同的场景下，每种储能方式都具有各自的优势和不足，如表2所示[2]。
表 2 不同储能方式对比分析储能类型 额定功率 放电时间 优势 劣势 应用场景 抽水蓄能 100～2000 MW 4 ～10 h 容量大，寿命长，运行成本低 响应慢，能量密度低，总投资较高，地理资源限制 电力系统调峰 飞轮储能 5 kW～10 MW 1～30 s 寿命长，环境友好，比功率大 能量密度低，充放电时间短 UPS，轨道交通 压缩空气储能 100～300 MW 1～20 h 容量大，寿命长，工作时间长 响应慢，效率较低，建站条件苛刻 电力系统调峰 超级电容储能 0.01～5 MW 1～30 s 响应快，比功率高 成本高，比能量低 电能质量控制 超导储能 0.1～100 MW 1～300 s 响应快，比功率高 成本高，环境受限 抑制振荡，输配电稳定 铅蓄电池 1～50 kW 1 min～1 h 成本低，技术成熟 寿命短，能量密度低，不宜大功率放电 UPS 液流储能 1 kW～1 MW h级 成本低，功率与容量定制性强 能量密度低，初始投资成本高 新能源消纳，电力系统调峰，调频 钠流储能 1 kW～2 MW 1 min～1 h 成本低，快充性能优 寿命短，能量密度低，商业化程度低 新能源消纳，电力系统调峰，调频 锂离子
电池1 kW～3 MW 1 min～1 h 能量密度高，响应速度块 价格偏高 新能源消纳，电力系统调峰，调频，峰谷价差套利 锂离子电池又分为钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等，磷酸铁锂由于其寿命长、安全性好等优点，目前在储能领域中应用最为广泛，是整个风光储微电网系统的核心部分之一。各类锂电池特性对比如表3所示。
表 3 不同类型锂离子电池对比分析项目 钴酸锂电池 锰酸锂电池 磷酸锂铁电池 三元锂电池 电池能量密度/
(Wh·kg–1)180～
240100～150 100～180 180～300 循环寿命/次 500～1000 500～2000 >2000 800～2000 充放电性能 好 较好 一般 好 安全性 差 好 好 较好 低温性能 好 好 差 好 使用寿命/a 1～3 2～6 8～12 8～10 正极材料价格/(万元·t–1) 32 4.2 5.6 19.8 应用场景 消费电池 小动力，储能电池 动力，储能电池 动力，储能电池 3.3 储能配套比例计算
3.3.1 储能容量计算
当储能电池的容量以kW·h为单位表示时，有以下公式
CC=(D×F×PO)/(L×U×Ka)。 (1) 式中：CC为储能电池的总容量，kW·h；D为最长无日照期间用电时数，h；F为储能电池放电效率修正系数，通常取值1.05；PO为由光伏系统提供电能的负载平均功率，kW；L为储能电池的维护系数，通常取值0.8；U为储能电池的放电深度，通常为0.5～0.8；Ka为包括储能装置的放电效率、控制器和逆变器的效率和交流回路的损耗，通常为0.7～0.8。
依照《光伏发电站工程项目用地控制指标》（国土资规〔2015〕11号），同时结合园区在建光伏项目经验，须建设集中储能电站8座，根据相关资料显示，当光伏电站完全投入运行时，该园区一天的光伏发电量将会达到1440万 kW·h。
在本次计算中，取最长无日照期间用电小时数为13 h（结合相关资料得出）[3]，光伏系统给每座变电站提供的电能负载平均功率为1万kW，放电深度、储能装置放电效率均取0.8，代入上述公式，可得储能电池的容量为
CC=(13×1.05×10000)/(0.8×0.8×0.8)=266601.562kW⋅h。 (2) 通过上式可知，每座储能电站的容量为266601.562 kW·h，可满足相关用电需求。
新能源的推进速度较慢有多种原因，一是成本，二是不稳定性。不管是光伏还是风电，不是绝对稳定的。未来，储能将会扮演重要的角色。当前，从各省市下发的文件来看，每个省甚至同省不同市之间对于储能的要求都不一样。储能配套比例计算公式为：
η=De/Ph。 (3) 式中：η为配套储能比例；De为储能电池容量，kW·h；Ph为光伏电站总容量，kW。
在上面计算中已经计算出单座配套储能电站电池的储能容量为266601.562 kW·h，规划终期光伏储能电站建设完成时，该园区一天的发电量将会达到1440万 kW·h，将该数据代入上述公式，求得η为：
η=(266601.562×8)/14400000=14.81%。 (4) 通过上述计算，结合武威某光伏园区的装机容量远期规划，后期该园区光伏电站项目的储能配套比选取15%较为合适。
3.3.2 储能小时数计算
通常情况下，储能小时数的计算，须根据储能设备的输出功率和储能设备的容量来计算。具体的计算公式[4]如下：
H=CC/P负。 (5) 式中：H为负载小时数，h；CC为储能电池的总容量，kW·h；P负为负载功率，kW。
预计该园区的光伏装机容量到达1440万kW，当地负载功率的总容量累计到达7万kW·h，将上述数据代入该公式可知：
H=266601.562/70000=3.81h。 (6) 储能配置时间有2 h和4 h供选取，上述公式计算得出储能时间至少应当为3.81 h，故应当选取4 h储能配置。
综上，结合武威某光伏园区的远期规划，后期该光伏电站项目的储能配套比选取15%、4 h较为合适。
4. 结束语
该光伏电站的建设，积极响应了国家碳达峰、碳中和战略目标，减少化石能源的消耗，用清洁的、可再生的太阳能来发电，对优化能源结构、提高可再生能源利用率起到积极的作用[5]。协调各新能源项目建设进度，科学合理安排项目规划建设时序，紧密协调并推进储能配套建设，加快新型储能调节能力的构建，促进新能源产业高质量发展。共同提高电力消纳水平，加快推动外送通道建设，避免网源项目建设不同步、与消纳能力不匹配而造成的投资浪费。
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表 1 线路电压等级经济性对比表
方案 名称 项目/万kW 规格/mm2 间隔回数/回 单价/万元 投资/万元 与方案一投资
差额/万元方案一 110 kV线路 地块10 单回架设段线路（1 × 300） 1 98 98 0 地块20 单回架设段线路（2 × 300） 1 132 132 地块30 单回架设段线路（2 × 240） 2 102 204 地块40 单回架设段线路（2 × 300） 2 132 264 地块60 单回架设段线路（2 × 300 ） 3 132 396 地块100 单回架设段线路（2 × 300 ） 5 132 660 投资合计 14 - 1912 方案二 35 kV线路 地块10 单回架设段线路（150） 5 70 350 6062 地块20 单回架设段线路（240 ） 7 72 504 地块30 单回架设段线路（240 ） 10 72 720 地块40 单回架设段线路（150） 19 70 1330 地块60 单回架设段线路（240 ） 20 72 1440 地块100 单回架设段线路（150 ） 46 70 3220 投资合计 107 - 7914 注：在后期建设中，35、110 kV线路长度一致，故本次不做长度比较。 
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表 2 不同储能方式对比分析
储能类型 额定功率 放电时间 优势 劣势 应用场景 抽水蓄能 100～2000 MW 4 ～10 h 容量大，寿命长，运行成本低 响应慢，能量密度低，总投资较高，地理资源限制 电力系统调峰 飞轮储能 5 kW～10 MW 1～30 s 寿命长，环境友好，比功率大 能量密度低，充放电时间短 UPS，轨道交通 压缩空气储能 100～300 MW 1～20 h 容量大，寿命长，工作时间长 响应慢，效率较低，建站条件苛刻 电力系统调峰 超级电容储能 0.01～5 MW 1～30 s 响应快，比功率高 成本高，比能量低 电能质量控制 超导储能 0.1～100 MW 1～300 s 响应快，比功率高 成本高，环境受限 抑制振荡，输配电稳定 铅蓄电池 1～50 kW 1 min～1 h 成本低，技术成熟 寿命短，能量密度低，不宜大功率放电 UPS 液流储能 1 kW～1 MW h级 成本低，功率与容量定制性强 能量密度低，初始投资成本高 新能源消纳，电力系统调峰，调频 钠流储能 1 kW～2 MW 1 min～1 h 成本低，快充性能优 寿命短，能量密度低，商业化程度低 新能源消纳，电力系统调峰，调频 锂离子
电池1 kW～3 MW 1 min～1 h 能量密度高，响应速度块 价格偏高 新能源消纳，电力系统调峰，调频，峰谷价差套利
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表 3 不同类型锂离子电池对比分析
项目 钴酸锂电池 锰酸锂电池 磷酸锂铁电池 三元锂电池 电池能量密度/
(Wh·kg–1)180～
240100～150 100～180 180～300 循环寿命/次 500～1000 500～2000 >2000 800～2000 充放电性能 好 较好 一般 好 安全性 差 好 好 较好 低温性能 好 好 差 好 使用寿命/a 1～3 2～6 8～12 8～10 正极材料价格/(万元·t–1) 32 4.2 5.6 19.8 应用场景 消费电池 小动力，储能电池 动力，储能电池 动力，储能电池
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[1] 陈晓龙,郑杰颖,李仲青,等. 光储联合发电系统不对称故障穿越控制策略[J/OL]. 电力系统及其自动化学报,[2023-09-01].DOI: 10.19635/j.cnki.csu-epsa.001338. [2] 周彦. 光伏治沙:土地荒漠化治理的中国方案[J]. 七彩语文,2023(18):2−5. [3] 何继江. 沙漠中产生的6.5万亩草原:宁夏中卫腾格里沙漠光伏治沙考察侧记[J]. 电气时代,2022(5):6−8,10. [4] 邬邦发. 分布式光伏电站设计中的电气设计技术分析[J]. 农村电气化,2023(9):8−11. [5] 朱少芬. 浅析分布式光伏电源接入电网安全管理[J]. 中国设备工程,2023(24):46−48. doi: 10.3969/j.issn.1671-0711.2023.24.019
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