中國儲能網(wǎng)訊:我國幅員遼闊,在“老少邊貧”地區(qū),一方面由于地廣人稀,負荷小,僅僅靠傳統(tǒng)電網(wǎng)長距離延伸投資大、回報低,運維難度大,經(jīng)濟性差;另一方面,這些地區(qū)易受地質(zhì)災(zāi)害(如山體滑坡、雷擊、大風、冰雪)影響,大電網(wǎng)長距離供電可靠性低,往往不具有韌性。這些邊遠地區(qū)新能源資源比較充沛,但依賴本地風光資源時,供電穩(wěn)定性受天氣影響較大,還存在專業(yè)運維人員不足、故障響應(yīng)慢等問題。農(nóng)村電力系統(tǒng)在面對自然災(zāi)害、技術(shù)故障、氣候波動等各種內(nèi)外部擾動因素時,能否有效抵御沖擊、迅速恢復并維持基本電力供應(yīng)功能,并具備適應(yīng)長遠發(fā)展的能力,是檢驗新型農(nóng)村電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的重要維度。
因此,如何建設(shè)與當?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)的新型農(nóng)村電力系統(tǒng),幫助當?shù)匕l(fā)展經(jīng)濟、改善當?shù)厝嗣裆睿钱斍班l(xiāng)村全面振興、實現(xiàn)共同富裕需要解決的實際問題。建設(shè)可靠性高、經(jīng)濟性好、可持續(xù)發(fā)展的具有韌性的新型農(nóng)村電力系統(tǒng),需要針對這些地區(qū)地理環(huán)境復雜、人口分散、運維困難等特點,采取因地制宜、經(jīng)濟可行、技術(shù)適配的策略,重點提升電網(wǎng)的抗災(zāi)能力、自愈能力和可持續(xù)性。在國家政策引導與地方探索推動下,部分邊遠省份在典型農(nóng)村地區(qū)開展“源網(wǎng)荷儲一體化”協(xié)同示范,嘗試構(gòu)建可自治、可恢復、可協(xié)同的新型農(nóng)村電力系統(tǒng),為農(nóng)村電力系統(tǒng)韌性研究提供了實踐基礎(chǔ)。
內(nèi)蒙古額濟納旗韌性新型農(nóng)村電力系統(tǒng)
內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗位于阿拉善盟西部邊緣地帶,是典型的邊遠戈壁荒漠地區(qū),地廣人稀,基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,長期以來能源供應(yīng)嚴重依賴外部輸電線路支撐,地區(qū)電網(wǎng)與蒙西主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)僅通過單回220千伏線路(434千米)長距離供電,每年由于線路發(fā)生故障或檢修,全旗停電頻繁,供電可靠性較低。尤其在極端自然條件頻發(fā)的背景下,如強風、沙塵暴、暴雪等,供電中斷風險尤為突出。如果要再建一條輸電線路形成雙回供電,400多公里線路投資需要數(shù)億元,嚴重制約當?shù)厣鐣l(fā)展與生態(tài)建設(shè)。
為提升區(qū)域能源供應(yīng)的韌性水平、打破傳統(tǒng)“靠大電網(wǎng)輸送”的單一路徑思維,構(gòu)建具備獨立運行能力和可再生能源自平衡特性的新型縣域電網(wǎng)成為迫切需求。
2023年,由內(nèi)蒙古電力公司投資建設(shè)的“額濟納旗源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)示范工程”正式建成投運,成為全國首個可在廣域離網(wǎng)狀態(tài)下獨立運行的新能源微電網(wǎng)示范項目,標志著我國邊遠地區(qū)韌性能源系統(tǒng)建設(shè)邁出關(guān)鍵一步。該項目總投資12536萬元,新建1座儲能電站和1套源網(wǎng)荷儲控制管理系統(tǒng),配置25兆瓦/25兆瓦?時磷酸鐵鋰儲能電池系統(tǒng)和7.2兆瓦柴油發(fā)電機系統(tǒng)、微電網(wǎng)控制管理系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、功率預(yù)測與能量管理平臺及相關(guān)輔助設(shè)施,儲能電站設(shè)置2段10千伏母線,分別以電纜形式接入110千伏達來呼布站。該系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制地區(qū)清潔能源用電側(cè)負荷以及新建的儲能電站,可實現(xiàn)并網(wǎng)和離網(wǎng)方式下無縫切換、可靠運行,實現(xiàn)了全年全旗無停電,更好地滿足地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和居民生活用電需求,更大程度地滿足清潔能源接入和消納能力。
項目的建成有效緩解了額濟納旗17年來長期依賴單電源供電的局面,首次實現(xiàn)了“新能源—儲能—應(yīng)急電源”深度協(xié)同運行,在滿足本地電力需求的同時,還具備強大的并網(wǎng)/離網(wǎng)雙模式切換能力。
從技術(shù)構(gòu)成角度看,該項目充分利用額濟納旗豐富的太陽能與風能資源,在區(qū)域微電網(wǎng)框架下構(gòu)建新能源多源并聯(lián)運行架構(gòu),以電化學儲能系統(tǒng)作為動態(tài)穩(wěn)定器和黑啟動核心資源,通過“新能源+儲能+應(yīng)急電源”的控制邏輯構(gòu)建“系統(tǒng)動態(tài)平衡→孤島快速切換→孤島持續(xù)運行”的完整路徑,實現(xiàn)了大電網(wǎng)斷電后系統(tǒng)自主啟動、自主運行、自主恢復的全過程運行能力。在控制策略方面,微電網(wǎng)管理平臺通過接入風光功率預(yù)測系統(tǒng)、儲能荷電狀態(tài)管理系統(tǒng)、快速頻率/電壓響應(yīng)模塊等,實現(xiàn)多源動態(tài)功率協(xié)調(diào)調(diào)度,在保障系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時最大限度利用可再生能源資源。整個系統(tǒng)具備秒級切換能力、毫秒級擾動控制能力和分鐘級系統(tǒng)重構(gòu)能力,極大提升了當?shù)啬茉聪到y(tǒng)的靈活性與抗風險能力。
額濟納旗源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)項目的成功,不僅實現(xiàn)了我國邊遠沙漠地區(qū)能源系統(tǒng)從“脆弱被動”向“自主韌性”轉(zhuǎn)變,也推動形成了適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢的技術(shù)集成路線和運行標準體系。其在高比例新能源接入、多元電源協(xié)同控制、儲能參與黑啟動與穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方面提供了技術(shù)依據(jù);在多層級控制架構(gòu)、調(diào)度機制與政策引導方面形成了初步的體系化經(jīng)驗,具備在其他邊緣型、極端環(huán)境區(qū)域復制的現(xiàn)實可能性。
青海玉樹多能互補韌性電力系統(tǒng)
青海玉樹藏族自治州平均海拔4200米,地廣人?。ㄈ丝诿芏?.5人/平方公里),是長江、黃河、瀾滄江的源頭生態(tài)保護區(qū)。由于三江源國家自然保護區(qū)禁止大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)和柴油發(fā)電污染,不可能通過建設(shè)大電網(wǎng)和通過柴油發(fā)電機給當?shù)毓╇?。而且柴油發(fā)電機供電成本高達4元/度,冬季運輸困難,需牦牛馱運燃油。而單一光伏系統(tǒng)在連續(xù)陰雪天氣下易癱瘓,牧民冬季被迫遷移。因此,當?shù)卣ㄟ^“光伏+風電+蓄電池+柴油機”的混合電力微電網(wǎng),解決了高寒牧區(qū)供電不穩(wěn)定、生態(tài)保護與能源需求之間的矛盾,成為我國離網(wǎng)地區(qū)多能互補的標桿項目。
項目主要采用轉(zhuǎn)換效率大于21%的光伏組件作為主供電源,夏秋兩季供給電量80%;風電采用低風速永磁風機(啟動風速2.5m/s)冬季補充(占全年發(fā)電35%),蓄電池采用磷酸鐵鋰+鈦酸鋰混合儲能(-35℃工作),短周期調(diào)節(jié)(3天續(xù)航);柴油發(fā)電機采用生物柴油兼容型(僅緊急啟動),屬于黑啟動電源(年運行<50h)。在技術(shù)上創(chuàng)新采用光伏板每日自動旋轉(zhuǎn)除塵(專利角度+微型振動),沙塵暴后發(fā)電量損失<15%?;跉庀笮l(wèi)星的風光功率預(yù)測系統(tǒng),提前72小時調(diào)整儲能策略。實現(xiàn)了負荷分級控制,優(yōu)先保障生態(tài)監(jiān)測站、疫苗冷藏庫(0.01秒級切換)。全年柴油使用量較傳統(tǒng)模式減少98%。所有基礎(chǔ)采用螺旋地樁,草場恢復時可無損拆除。光伏支架離地3米,下方種植耐陰牧草,單位土地產(chǎn)值提升30%。牧民“以工代訓”參與運維,戶均月增收1200—2000元。在應(yīng)急響應(yīng)方面,部署移動式光儲電源車(100kWh),在極端天氣下保障衛(wèi)生院制氧機運行。國家電網(wǎng)以“生態(tài)補償電費”形式回購富余電力(1.2元/度溢價)。
該項目取得良好效益。供電可靠性由原來的55%提高至99.1%,供電成本由原來的4元/千瓦時降低到0.45元/千瓦時(含生態(tài)補償),年減碳200噸/村。玉樹“風光儲柴”混合系統(tǒng)通過“多能互補、生態(tài)優(yōu)先、智慧調(diào)控”三位一體,破解了世界級生態(tài)敏感區(qū)的能源供給難題。其核心價值在于:驗證了極端環(huán)境下多能源協(xié)同的可行性,鈦酸鋰+磷酸鐵鋰混合儲能方案已成行業(yè)標準。實現(xiàn)“保生態(tài)”與“穩(wěn)民生”雙贏,牧民定居率從60%提升至92%。該項目被聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)評為“全球離網(wǎng)能源最佳實踐”,其模式正在尼泊爾、不丹等國推廣。
四川涼山高寒山區(qū)韌性供電解決方案
四川涼山彝族自治州地處橫斷山脈東緣,平均海拔2500—4000米,氣候寒冷、日照充足但冬季積雪嚴重,冬季氣溫-15℃至-20℃,光伏板積雪覆蓋可達30天/年;夏季強紫外線加速設(shè)備老化。村落分散在坡度40°以上的山地,泥石流、凍土塌陷頻發(fā),桿塔傾倒風險高。傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)運維難度極大。傳統(tǒng)電網(wǎng)延伸至海拔3000米以上時,線路損耗達20%—30%,冬季斷線故障率超50%。柴油發(fā)電機供電成本高達3元/度,且運輸困難,冬季封山期燃油需直升機空運。當?shù)赝ㄟ^“光伏+儲能+柴油備用”的微電網(wǎng)模式,結(jié)合高海拔適應(yīng)性設(shè)計,實現(xiàn)了偏遠村落穩(wěn)定供電,成為高寒山區(qū)韌性電網(wǎng)的典型范例。
項目采用抗雪光伏技術(shù),采用雙面發(fā)電組件(背面增益15%)、30°傾角+自動融雪電加熱系統(tǒng)(-10℃啟動)。風電補充,加裝低風速風機(啟動風速3m/s),彌補冬季光伏不足。柴油備用僅用于極端連續(xù)陰雪天氣,年運行時間<200小時。采用耐低溫儲能技術(shù),磷酸鐵鋰電池配備恒溫艙(維持5℃—25℃),-20℃環(huán)境下容量保持率>85%,超級電容應(yīng)對牧民集中用電負荷沖擊(如冬季電暖器同時啟動)。同時,搭配開展高海拔線路適應(yīng)性改造,架空線采用防冰雪導線(JRLX/T-70型),桿塔基礎(chǔ)深度增至3.5米防凍脹。變壓器加裝防凝露加熱裝置,斷路器海拔修正系數(shù)≥1.2。結(jié)合衛(wèi)星云圖與本地氣象站數(shù)據(jù),提前24小時調(diào)整儲能充放電策略。直流微電網(wǎng)架構(gòu)下,短路故障可在200ms內(nèi)隔離。采取抗災(zāi)強化措施,每基桿塔安裝2支避雷針,接地電阻<10Ω(普通地區(qū)4倍標準)。配電柜采用全封閉設(shè)計,電纜溝鋪設(shè)防鼠蟻金屬鎧裝。
通過培訓村民擔任“電力管家”,負責日常除塵、融雪操作,月補貼800元/人。建立“以電養(yǎng)電”機制,光伏收益的30%用于設(shè)備更新基金。儲備移動式光儲電源車(50kWh)可保障衛(wèi)生室、通信基站72小時供電。國家電網(wǎng)“三區(qū)三州”專項投資覆蓋總成本的80%,剩余由村集體分期償還(15年期限)。
項目建成后取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。供電可靠率由改造前的68%提高到改造后的98.7%,綜合電價由原來柴油發(fā)電的3元/千瓦時降到改造后的微電網(wǎng)0.8元/千瓦時,年碳減排由原來的0躍升到改造后的90噸/村,故障恢復時間由原來的7天以上降至現(xiàn)在的4小時以內(nèi)。電力得到保障后,該地區(qū)的冷鏈倉儲、直播電商等新業(yè)態(tài)在村落涌現(xiàn),極大改善了彝族群眾的生產(chǎn)和生活。
涼山高寒山區(qū)韌性供電解決了高寒地區(qū)供電關(guān)鍵技術(shù)中光伏積雪、儲能低溫衰減、設(shè)備絕緣下降的難題;通過“央企讓利+村民勞務(wù)抵償”降低初始投資壓力。涼山高海拔韌性微電網(wǎng)通過“氣候適應(yīng)性設(shè)計+智慧能源管理+社區(qū)共治”,破解了“雪封山、電癱瘓”的歷史難題。這表明:在邊遠高海拔的極端環(huán)境下,技術(shù)方案必須超越常規(guī)標準,而社會組織的創(chuàng)新比硬件投入更能保障長期韌性。
以上幾個典型示范工程說明,我國邊遠地區(qū)在可再生能源高比例接入、電力需求快速增長與極端自然條件不確定性增強的多重背景下,構(gòu)建結(jié)構(gòu)有彈性、功能有持續(xù)性與調(diào)控有靈活性的具有韌性的新型農(nóng)村電力系統(tǒng),破解了大電網(wǎng)遠距離供電在可靠性、經(jīng)濟性、可持續(xù)性等方面存在的難題,不僅能夠保障農(nóng)村能源供需安全的現(xiàn)實需求,更是實現(xiàn)邊遠地區(qū)鄉(xiāng)村全面振興、共同富裕和綠色低碳發(fā)展目標的重要支撐。因此,這不僅需要國家在政策上繼續(xù)加大對邊遠欠發(fā)達農(nóng)村地區(qū)的扶持,而且還要在電力系統(tǒng)的管理架構(gòu)、運維體系和制度等方面進行持續(xù)創(chuàng)新,積極探索適應(yīng)當?shù)貙嶋H的、可持續(xù)發(fā)展的、最經(jīng)濟的運維體系和管理制度,充分調(diào)動當?shù)馗髯遛r(nóng)牧民群眾的積極性和創(chuàng)造性,幫助這些地方建設(shè)和運營好適合當?shù)貙嶋H需要的具有“韌性”的電力系統(tǒng),為實現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興和共同富裕以及“雙碳”目標助力。