“双碳”目标下基于抽水蓄能的多能互补发电系统设计与研究

鹿 优，杨 帆

（1．国家电网有限公司技术学院分公司，山东省泰安市 271000；2．山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东省泰安市 271000）

0 引言

中国在联合国大会上庄严承诺“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”。“双碳”[1]目标既彰显了推动构建人类命运共同体的责任担当，也体现了实现可持续发展的内在要求。“双碳”目标是加快生态文明建设和实现高质量发展的重要抓手，“十四五”时期是碳达峰的窗口期和关键期，提高清洁能源[2]占比，降低化石能源消耗，是减少碳排放的关键，要构建以“绿色低碳、安全可靠、广泛互联、高效互动、智能开放”为特征的新型电力系统[3]，建设一批多能互补[4]的清洁能源基地，进一步提升电力系统对清洁能源的消纳能力，持续压减电力系统的二氧化碳排放量。

1 设计思路分析

1.1 形势与问题分析

“双碳”目标下，清洁能源发电将坚持分布式和集中式并举，加快发展东中部分布式能源[5]，着力提升风电、光伏发电规模。清洁能源发电装机规模在2025年、2030年、2035年预计将分别达到10.3亿、16.5亿、24.5亿kW，发电量占比将升至18%、22%、31%，逐渐成为电力供应主体。清洁能源发电的跨越式增长也为电力系统安全可靠运行带来巨大挑战。风电、光伏发电的出力具有反调峰[6]特性，大规模并网使系统调峰调频调压矛盾突出，电网调控的难度明显增大。清洁能源发电出力的不确定性、波动性、间歇性和随机性将影响负荷高峰期电力供应，电力系统调峰需求与日俱增。抽水蓄能电站[7]作为电力系统中的一种特殊电源，在电网中承担顶峰填谷、调频调相、黑启动、事故备用等任务，具有可靠性强、容量大、启停速度快、无污染等特点，应充分发挥抽水蓄能电站的调节作用，与清洁能源发电共同形成稳定的输出，实现多能互补，提升清洁能源发电的经济性和综合效益。

1.2 研究现状和总体思路

关于多能互补的研究，文献[8]阐述了清洁能源的发展、特点以及多种能源互补技术的工作原理，并提出这种能源利用方式的控制策略及应用前景。文献[9]基于对多种清洁能源的应用发展现况调研以及现有抽水蓄能电站理念，提出了一个多能互补发电体系的理念，并对该系统做出了评价，讨论了可靠性。文献[10]提出了风电、光伏发电与抽水蓄能电站联合运行的基本结构，探讨了一个小型试点项目的选址规划、建设规模，模拟了联合运行的模式，论证了该模式的可行性和推广价值。由此可见，目前对于风电、光伏和抽水蓄能的联合运行已有一定的研究，但没有契合清洁能源的发展趋势和需求做出进一步探讨，缺乏对多能互补发电系统工作模式数据化、图形化的分析研判。本文将结合能源发展的新形势和新要求，提出一种基于抽水蓄能的多能互补发电系统，并将系统输出设为恒定，且具备一定调节能力，以降低清洁能源并网对电力系统的影响和电网调控运行的难度，明确系统输出的数学模型，以案例推演系统运行数据，以图形分析系统工作模式，验证设计的可行性，为“双碳”目标下清洁能源的大规模开发利用提供导向。

2 多能互补发电系统结构与作用分析

2.1 系统构架及运行方式

多能互补发电系统结构如图1所示，由风力电站、光伏电站、控制器、储能电站[11]、抽水蓄能电站按照一定联接方式构成，在清洁能源发电体系中引入抽水蓄能电站，旨在发挥其顶峰填谷作用，平抑清洁能源发电出力，将原本间歇、波动的风电、光伏电源通过抽水蓄能转化为可调、可控的稳定电源，实现系统能够根据负荷需求，向电网的输出功率保持恒定。多能互补发电系统运行方式为：该系统中的风力电站、光伏电站分别将风能、太阳能转化为电能，控制器将清洁能源发电合计为联合出力并进行评估，如果联合出力小于系统输出功率，启动抽水蓄能电站发电机组补足系统输出功率；如果联合出力大于系统输出功率，在储能电站的配合下，将多余的出力作为抽水蓄能电站抽水机组的入力，将电能转化为水的势能加以储存。此外，本系统中的抽水蓄能电站还可以作为电网调控的重要资源，直接按照上级调度中心指令，参与电网调节，所以抽水机组的入力既可以由清洁能源发电提供，也可以由负荷低谷期的电网输入。

图1 多能互补发电系统结构Figure 1 Multi-energy complementary power generation system structure

2.2 系统优势分析

该系统消纳风能、太阳能，转化为电能，储存为电化学能和水的势能，整体向电网输送稳定电能，实现多能互补，将显著增强电力系统对清洁能源的消纳能力，一定程度上降低弃风弃光率[12]。风电、光伏发电可作为抽水蓄能电站黑启动或厂用电备用电源，电化学储能能够极大缩短抽水蓄能的工况转换时间，大幅提升响应速度，所以该系统具有较高可靠性、灵敏度以及较强的综合调节能力，能够提高并网和供电的可靠性。此外，抽水蓄能和通过逆变器的电化学储能均能够独立输出无功，满足电网的电压与功率补偿需求。

2.3 系统输出功率约束条件

根据上述多能互补发电方式可知，控制器联接着该系统中的发电组件和储能组件，处于系统的核心位置，决定了系统整体的输出，系统的输出功率应符合以下约束条件：

式中：Pout——多能互补系统整体输出功率；

Pwind——风力发电输出功率；

Ppv——光伏发电输出功率；

Phydro——抽水蓄能机组发电输出功率；

Ppump——抽水蓄能机组抽水输入功率；

Pstore——储能电池充电输入功率。

系统输出功率约束条件以表达式的形式概括了多能互补发电系统运行方式，从式（1）中可知，系统输出功率来源于风光联合出力以及抽水蓄能发电机组出力，多余部分用于抽水蓄能以及电池储能，值得注意的是，实际运行过程中抽水蓄能机组发电与抽水通常不会同时进行，所以要研判多能互补发电系统工作模式，需要通过具体实例进行推演。

3 多能互补发电系统运行模拟研究

3.1 试点系统搭建

根据多能互补发电系统构架，搭建试点系统。设定该试点系统中风力电站装机容量为100MW，光伏电站装机容量为50MW，由于系统中抽水蓄能电站和储能电站主要发挥调节作用，所以出于经济性的考虑，抽水蓄能电站和储能电站总体容量应介于风电、光伏发电两者容量的最大值和最小值之间。如果抽水蓄能电站装机容量为60MW，采用4台15MW可逆式水泵水轮机[13]，且单台运行在水泵工况下最大输入功率约为15MW。如果储能电站蓄电池容量为30MW/120MWh，设定根据负荷需求，多能互补发电系统需向电网稳定供电，输出功率恒定为60MW。

3.2 系统工作模式推演

多能互补发电系统的工作模式主要可分为4种，运行数据如表1所示。系统处于模式1时，风电、光伏发电的联合出力小于60MW，不足以支撑系统整体输出功率，为维持60MW的稳定输出，抽水蓄能机组工作于水轮机工况，根据风光联合出力情况，循序启动4台机组发电，利用发电调节，补充输出功率缺口。系统处于模式2时，风电、光伏发电的联合出力满足系统输出功率，但无法达到抽水蓄能机组水泵工况下单台抽水额定功率，则在保证系统稳定输出60MW的同时，剩余电能向储能电池充电。系统处于模式3时，风电、光伏发电的联合出力较高，满足系统输出功率，且达到水泵工况下机组抽水额定功率，根据风光联合出力情况，在储能电池的配合下，循序启动4台机组抽水，将剩余电能大部分转化为水的势能，少部分向储能电池充电。系统处于模式4时，风电、光伏发电的联合出力持续升高，甚至接近满发功率，满足系统输出功率，满足4台机组抽水额定功率，4台机组全部工作在水泵工况下，将多余电能转化为水的势能，剩余电能向储能电池充电。通过上述针对多能互补发电系统工作模式的推演，可见系统能够实现输出恒定功率，增强向电网供电的可靠性。

表1 多能互补系统工作模式Table 1 Multi-energy complementary system working mode

3.3 系统运行过程分析

由于风力、光照强度与地理条件有关，且随时间、天气、季节符合一定变化规律，所以分析系统运行过程要结合实际地域环境。设定搭建的多能互补发电试点系统位于我国西北地区，该地区风能、太阳能储量较为丰富。以24h为研究周期，选取典型的一天，采集多能互补发电试点系统中风电、光伏发电的输出功率并绘制曲线，如图2所示。从图中可以看出，该地区当日夜间风力较大，风电输出功率满足系统输出后会有剩余，黎明以后风力明显减弱，至午后有所回升，持续时间不长，傍晚渐弱，入夜后风力持续增强并保持较高输出功率。光伏发电输出功率由日照强度决定，在日照充足的白天几乎呈现正态分布，夜间无输出。对比以上特点可知，风电、光伏发电在时间上存在较大互补性，一定程度上保障了多能互补发电系统的输出不间断，然而在图2中也可看出，风光联合出力不稳定，存在较大波动，直接并网将对系统产生较大冲击，增加电网调控难度。

图2 风电、光伏发电24h典型变化及风光联合输出功率曲线Figure 2 Typical variation and combined output power curve of wind power and pv power in 24 hours

经抽水蓄能电站调节后，多能互补发电系统24h功率变化曲线如图3所示。按照时间顺序分析系统运行过程，该日1时段至6时段，系统工作于模式3，风光联合出力较高，系统输出后剩余功率用于抽水蓄能和储能充电，其中在1时段、4时段、6时段启动1台机组抽水，在2时段、3时段、5时段启动2台机组抽水；该日7时段，系统工作于模式2，风光联合出力满足系统输出后，剩余功率无法启动抽水，但可以储能充电；该日8时段至11时段，系统工作于模式1，风光联合出力不足以支撑系统输出，启动蓄能机组发电，补足功率缺口，其中，在8时段、11时段启动1台机组发电，在9时段、10时段启动2台机组发电；该日12时段至13时段，系统工作于模式2，光伏出力达到24小时内的峰值，风电出力较低，风光联合出力虽能满足系统输出，但剩余功率仅供储能充电；该日14时段至15时段，系统工作于模式3，光伏出力呈下降趋势，风电有所回升，风光联合出力满足系统输出和抽水的条件，启动1台机组抽水；该日16时段至21时段，系统工作于模式1，风光联合出力出现低谷，系统为保证输出启动蓄能机组发电，其中在17时段至19时段需要3台机组发电；该日22时段至24时段，系统工作于模式3，随着夜间风力加强，风电出力显著升高，系统输出后可在储能电站配合下启动1台机组抽水蓄能。

图3 多能互补发电系统24h功率变化曲线Figure 3 24-hour power variation curve of multi-energy complementary power generation system

根据上述分析和图中功率变化曲线可知，多能互补发电系统中，风光联合出力通过抽水蓄能电站，在储能电站配合下进行内部调节，在24h的周期内“两发两抽”，平抑了风光联合出力的波动，根据符合需求，保持了恒定的输出功率，向电网稳定供电。该系统的构建为清洁能源发电的大规模并网提供了导向。

4 多能互补发电系统效益及构建途径分析

4.1 生态文明建设效益分析

清洁能源发电将是未来电力供应的主体，风能、太阳能均为可再生的自然资源，且储量丰富，多能互补发电系统利用清洁能源发电能够有效降低温室气体以及污染物排放，既符合新型电力系统清洁低碳的特征，也符合生态文明建设要求，构建了一条绿色的能源供应链条，环保效益优良。系统无须外部电源接入，在向电网稳定输出的同时也能满足自身用电需求，实现二氧化碳零排放。由于系统出力稳定，可在大电网中代替部分火电出力，以降低电力系统整体的碳排放，能够作为一种非化石能源发电方式，在逐步代替化石能源发电的进程中发挥示范作用，积极助力“双碳”目标的实现。

4.2 构建途径及电网稳定运行效益分析

为持续提升清洁能源开发规模和利用效率，新型电力系统将呈现出小微型智能电力系统与特大型电力系统并列发展态势。根据能源分布状况，清洁能源在西部、北部持续集约化开发的同时，还将加快东中部分布式开发，其中，风电的海上开发陆续展开，太阳能的发电规模将逐步超过风电，抽水蓄能也在中长期发展规划中提出要因地制宜开展中小蓄能建设。综合上述发展趋势，建设一批多能互补的清洁能源基地符合国民经济和社会发展需要，符合“双碳”目标要求，可通过两种途径构建，一是在现有资源基础上升级改造；二是按照发展规划新建、试点和定型。

第一，在现有资源基础上升级改造。第一种情况，为现有抽水蓄能电站配置风光储等组件。抽水蓄能电站通常选址于海拔差距明显且场地资源充足的地区，为风光资源接入提供良好条件，可在海拔较高的上水库周边部署风力发电系统，利用山体向阳面的采光优势部署光伏发电系统，在厂区周边部署储能电站和控制器，完成线缆敷设和控制系统升级。对于大型抽水蓄能电站，清洁能源发电可作为其水泵工况下的抽水入力，无须从电网购电抽水，清洁能源接入可以提升抽水蓄能工况转换响应速度，综合性能将有较大提升。第二种情况，为现有大型风电、光伏发电基地配置抽水蓄能电站和储能电站。大型清洁能源发电基地主要位于西北和东北各省，本地负荷较低，属于特高压送端[14]区域，在其周围选址建设抽水蓄能电站与储能电站，与当地清洁能源发电联合运行构成多能互补发电系统，可有效减轻清洁能源发电并网对电网的冲击，提高并网率和电网稳定性。

第二，新建分布式多能互补发电系统。沿海地区、近海岛屿的风光等清洁资源丰富，亟待开发，且距离负荷中心较近，可建设中小型多能互补发电系统，由若干小微型多能互补发电系统形成清洁能源发电群落，既能够就近满足本地负荷需求，也可以缓解负荷中心用电需求，通过有功调节和无功补偿，增强电网静态和暂态稳定性，保证电压和频率稳定，保障负荷侧电网安全。

5 结束语

“双碳”目标下，清洁能源将迎来跨越式发展，本文设计了多能互补发电系统的构架，推演了系统工作模式，分析了系统运行过程，论证了该系统能够发挥抽水蓄能的调节能力，在电化学储能的配合下，平抑风电、光伏出力的波动，稳定系统的输出，为构建以可再生能源为主体的能源供应体系提供导向和支撑。此外，可考虑两种极限状态，一是风光出力高，既满足系统对外输出，又满足机组抽水条件，且上水库已蓄满，储能电池已浮充，面临弃风弃光；二是风光出力低，蓄能机组发电补充系统输出，上水库水量不足，储能电池也不足以支持系统输出功率，将无法并网。如何配置多能互补发电系统各部分容量，保证系统稳定运行和经济效益最优，将作为下一步的研究方向。