新能源基地风光储综合开发技术进展

新能源基地风光储综合开发技术进展中国华能集团清洁能源技术研究院郭小江2023年10月 Contents沙戈荒能源基地开发面临挑战目录2大型新能源基地风力发电技术3大型新能源基地光伏发电技术4大型新能源基地综合开发技术 中国华能一、沙戈荒能源基地开发面临挑战CHINAHUANENG我国沙漠、戈壁、荒漠地区具有面积广，占全国陆地总面积的13%。据测算，如果我国荒漠化面积的1%用于新能源发电，其装机容量将超过目前我国新能源发电总装机容量。碳达峰构建新能源为主体碳中和的新型能源系统 中国华能一、沙戈荒能源基地开发面临挑战CHINA HUANENG沙戈荒多处于海拨高度1000m以上，土地较为平坦，风光资源条件优越，但环境恶劣，浮尘日、雷暴日、沙尘暴较多，气温夏季高、冬季低，季节性温差变化大，为新型能源基地的规划、建设和经济开发带来了诸多挑战。赋风光资源好新能源与火电偏远无人年利用小时数高大规模、集约化征地成本低环境特点数值开发建设消纳送出生态治理夏季气温可达50°C冬季气温可达-40°C风速约为5~6m/s挑战风能密度150~300W/m^2 中国华能一、沙戈荒能源基地开发面临挑战CHINAHUANENG“沙戈荒”地区极端灾害性天气频发，特殊的气象条件、地质特性等不利因素对新能源设备的运行提出更高要求。宽温差、沙蚀、磨损、地基承载弱等问题交互产生，使设备方案定制更为复杂地面温度高、昼夜温差大，沙漠边加速设备老化、氧化、变形冷却、暴缘地区夏季最高气温超过40°C露的管路电缆磨损、阻塞堵塞及侵蚀一一风机的叶片和2多大风扬尘，容易形成沙暴浮尘密封性、光伏板能量损失含湿陷性黄士，地基承载力弱基础沉陷影响机组安全运行水源少，气候突变情况多，不宜长消纳送出处于负荷较小地域，日常维期居住护间隔尽可能延长生态修复修复难度较大，植被配置5偏远无人，生态恶劣降水量少低5 中国华能一、沙戈荒能源基地开发面临挑战CHINAHUANENG“沙戈荒”能源基地地域范围广，风光资源分布差异大，涉及新能源发电、配套灵活性资源等多种类型设施汇集系统布局复杂，为保障系统安全、经济、绿色、高效送出，需在时间、空间尺度进行精细化综合规划研究源网协调规划技术新能源容量电力电量外送特性规模新能源占比新能源利用率储能配置容量平衡电网时序规模系统总成本净现值最小化时间尺度精细化绿色高效灵活性资源规划技术供电可靠性送端上网电价多时空尺度灵活性灵活性平衡配置灵活性评估指标100%新能源基地送出安全经济满足灵活性平衡配置系统强度校核提升规划技术主网支撑能力受端落地电价主动支撑能力系统短路比各类调节资源特性规划方案强度校楼系统强度及稳定性专项配置6 中国华能一沙戈荒能源基地开发面临挑战CHINAHUANENG“沙戈荒”能源基地送端系统网架结构薄弱，系统惯性低、抗扰动能力差；新能源发电机组对系统的暂态稳定支撑能力有限，送端系统面临频率、电压失稳风险；基地受到送出曲线、机组调控能力、系统安全稳定性等多重约束，对能源基地的调度控制带来挑战1.15未配备1.15未配备1.10配备配备U/pu1.101.051.05光伏场址1.00(261km²)1.002342345t/st/s(c）塔拉母线电压(d)塔拉切吉A风电母线电压风电场址(1970km²)1.15未配备1.20未配备1.10配备1.15配备ndin1.101.051.001.00至京津冀通道规划场址（自治区方案）鄂尔多斯2452345至中东部通道规划场址（自治区方案）t/st/s(e）塘格木母线电压(①)塘格木切吉B风电母线电压某基地项目规划图安全稳定保障7 Contents沙戈荒能源基地开发面临挑战目录2大型新能源基地风力发电技术3大型新能源基地光伏发电技术4大型新能源基地综合开发技术 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG目前，我国海风产业链逐渐成熟，造价水平已降至10000-12000元/干瓦左右，具备更大规模开发的条件；海上风电正在向深远海、大机型、定制化、整体设计、平价化规模开发迈进16.8%机组■升压站324m3004.9%■海缆■风机基础25.3%2.7%■其他静态■维修2004.4%1.9%3.5%■工资福利■保险1.9%20.4%■材料■其他运维10.8%■利息支出201020132016202020257.4%3MW6 MW8MW12MW1520MW海上风电全生命周期成本构成风电机组大型化趋势省份风资源条件发电量水平平价上网造价范围（元/kW）当前造价水平（元/kW）当前度电成本（元/kWh）山东7-7.6m/s2900-320010675-1174511500-12500约0.33江苏7.2-8m/s3000-340010560-1204011500-12500约0.32浙北7.2-7.8m/s3000-330011345-1253011600-12800约0.33浙南8.2-9.1m/s3300-380012800-1330012500-13500约0.32福建9-11m/s3800-420013050-1454513000-14000约0.31粤东8.5-9.5m/s3600-400014340-1606013000-14000约0.31粤西7.3-8.1m/s3000-340011790-1349012000-13500约0.34海南7.1-7.8m/s3000-340011278-1235312000-13500约0.3410 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG我国10MW级海上风电机组完成批量商业化运营（国内已发布最高容量达18MW），海上施工工艺滚动更新升级，基本掌握海上大容量输电关键技术自主研发各类大吨±400kV高压直流漂浮式风电机组示范位打桩船、吊装船、运海缆运行良好，±500kV项目陆续投运，开启技术输船装备海缆通过型式试验验证送代自主研发多式样完整掌握工频交流、基础，适应沿海不同低频交流、柔性直流输电地质、不同水深条件等各项关键技术11 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINA HUANENG我国西北地区风电开发面临机组环境适应性要求高、机组大型化难度大、并网运维成本高三大难题，避免，吸需提高风电机组可靠性和环境适应性环境适应技术难点机组大型化技术难点并网运维技术难点300m13-15M传统钢制木200m塔筒100m成本激增201020152025沙粒磨损、散热故障、地基承载弱对支撑结构稳定性要求提升新能源比例高，电力系统安全稳定性风险高发电量显污染前著下降880污染后oboforeJuly11前缘沙蚀和表面污染导致功率和可靠性下降超长柔性叶片变形扫塔机舱增大、增重沙漠海洋，对机组稳定运行和运维管理要求高12 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINA HUANENG高适应的定制化面向未来的大型化软硬一体的智慧化智能感知、全景监测、故障预警和提高机组环境适应性，性能更优机组大型化可以显著降本增效运维决策提高机组可靠性，降低故障率超前布局2024年技术发展程度提升智慧运维水平，减少人工维护外裸件防侵蚀内置件防沙尘+182系列+192系列200系列245系列风大0.23沙大土地地基加强/桩基础沙化提高基础稳定性0.17提升雷电流雷暴卸载能力多15温差大辐三182-4.65 182-5.2 182-5.8 182-6.25环境适应控制射强外裸件防老化192-5.5192-6.0 192-6.25 192-6.7200-6.25 200-6.7 200-7.15 200-7.5 200-7.7246-9.0 246-10.013 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINA HUANENG通过机理分析、可靠设计、多级测试、深度感知保证定制化风机经济、安全、稳定和智能的设计目标通过5大关键技术创新实现风机高适应定制，保证机组不出现叶片侵蚀、扫塔及倒塔事件先进传感120米级避扫塔抗沙蚀低沙敏长柔叶片边缘计算趋势预测海18MW机组材料测试上技术反哺陆上03126m叶片部件测试.轻量化、高可靠、防沙散热的机舱系统下线整机测试150m叶片02可靠设计FMEA法在研多级测试概率设计多场优化防盐雾01颤振涡激140米以上高稳定装配式钢混塔筒基础可靠设计耦合振动结构失效机理分析基于电压源控制的构网型井网技术经济、安全、稳定、智能通用性智能传感、监控和运维技术14 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG研制高效翼型及其气动设计方法，机组年发电量提升1-3%；采用预弯优化设计、前缘铺层优化设计等技术，加装高耐磨防沙尘保护膜，实现叶片在风沙环境的高可靠性，高效翼型族开发叶片避扫塔技术前缘保护技术爱型协同优化设计集质平台修学科性能分析损块每学科性能评结表计算目标美型三Minmx)(=8目标函数15 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG研发具有构网能力的大型风电机组电压源型并网控制技术，在惯量主动响应、极弱电网稳定运行、振荡抑制、故障穿越支撑等方面具有优势，适用于能源富集地区沙戈荒大基地弱交流网并网环境。变流器弱网稳定性提升机理变流器有源阻尼控制变流器主动支撑控制策略VCMCR-0.4下楼虚拟惯性控制模块下垂控制模块临界稳定14=2,7is-KDMrefASCR18010re压生成参考电1,=8L,无功功率-电压SCRV-12下垂控制模块模块L,=10L,Mrerc,OrefUref1001OHzZHOO1弱网下具备自主组网主动支撑基于双内环稳定性提升的有源新能源单机与场站主动电压变流器的能力阻尼法提升强网稳定性频率支撑控制方法16 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINA HUANENG对比当前6~7MW陆上主力风电机型，定制化风机造价预计减少15~20%，建设成本下降5~10%，年发电量提升7~10%，维护成本下降10~20%，度电成本降至0.15~0.2元/度。330m都成绿色主机厂项目单位定制化对比10MW级大风机机组造价！15~20%100MW方案方案高功率密度中速传动轻量化结构件机组含塔筒售价从当前2000元/装机容量MW10040004000千瓦降到1600~1700元/千瓦140米以上钢混塔功率MW26.710149%台数50597400133%机位数减少33%建设成本|5~10%叶片长度m5795120126%分体吊装吊车吨位降低风场造价预估从当前4500元预制装配式桩基础千瓦降到3800~3900元/千瓦叶轮直径m115195246D=246m126%轮毂高度m80110140127%≥140m120米级低沙敏叶片年发电17~10%年平均风速m/s7.507.7814%机位少尾流影响降低发电量从当前3100小时提升到利用小时h29403087330017%环境适应设计控制3300~3500小时度电成本元/度0.280.1750.15114%机位数减少33%维护成本10~20%表中电量均按75%折减（考虑尾流）。环境适应设计整场可利用率从当前96%提升定制化方案由于机位减少33%，尾流折减会更小，实际发智能控制运维电量会更高。到98%以上177 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG风电机组呈现着大容量、高效率特征，20MW级将达260米以上。但传统单叶轮风机难以突破CP为0.480.49的极限，受限于结构极限，增大风轮尺寸技术路径难以为继，函需针对新型风力发电形式开展研究探索水平轴风电机组垂直轴风电机组单风轮新技术并列双风轮串列双风轮并列多风轮升力型阻力型重量/成本增加运输难度大高空风电机组其它形式风电机组浓缩型地面发电型装置空中发电型装置涡度发电机喇叭型风力发电机施工/运维要求高效率瓶颈突出18 中国华能二、大型新能源基地风力发电技术CHINAHUANENG采用串列式双风轮风电机组技术路线，利用前后风轮协同，吸收第一个风轮后气流的剩余能量，实现风能梯级利用，显著提高风能利用系数和系统综合利用率。以300MW海上风电场为例，5.2MW×58台，