中國儲能網訊：作為推動經濟社會發(fā)展的重要動力，能源一直是科技創(chuàng)新的重要領域。2014年，隨著“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略的提出，我國能源轉型進入了新的歷史階段。其中，推動能源技術革命，成為我國發(fā)展新質生產力、實現“雙碳”目標的重要驅動力。
過去十年，新能源裝機容量及發(fā)電量大漲是我國能源革命取得的最顯著成果。
隨著我國風光總裝機容量突破10億千瓦，未來如何做好新能源的消納利用，是能源轉型過程中的又一道必答題，也是新型電力系統建設的關鍵。
作為“風的故鄉(xiāng)、光的海洋”，依托于冀北清潔能源基地和張家口可再生能源示范區(qū)內的多種要素資源，張家口積極推動源網荷儲協同互動發(fā)展，并在新型電力系統建設方面先行先試，探索出了多元化的技術路徑，為我國能源轉型提供了技術樣本。
探索源網荷儲協同互動，讓綠電更“穩(wěn)定”
穩(wěn)定，是我國新型電力系統建設的大前提。
為支撐適應大規(guī)模新能源和分布式電源友好并網，加快前瞻性電網核心技術攻關是當前新型電力系統建設的首要任務。
截至目前，我國已經探索出不少適應新型電力系統的電網技術，如新能源發(fā)電并網及主動支撐技術、電力系統仿真分析及安全高效運行技術、交直流混合配電網靈活規(guī)劃運行技術、構網型儲能技術，以及源網荷儲一體化和多能互補集成設計及運行技術。
具備多項區(qū)位優(yōu)勢的張家口成為承接這些新技術的“試驗場”。
位于我國“三北”地區(qū)交匯處的張家口，是“一帶一路”中蒙俄經濟走廊的重要節(jié)點城市，處于我國九大清潔能源基地之一的冀北清潔能源基地。2015年7月，經國務院批復同意，張家口可再生能源示范區(qū)成為我國唯一一個國家級可再生能源示范區(qū)。
近年來，冀北清潔能源基地的風光裝機容量屢創(chuàng)新高。截至2023年年底，該基地的新能源總裝機容量突破5000萬千瓦，冀北電網全年新能源發(fā)電量達820億千瓦時，同比增長14.7%，新能源發(fā)電量已占冀北電網電源發(fā)電總量的51%，冀北電網在全國率先實現新能源裝機和發(fā)電量占比過半“雙主體”。
眾所周知，以風光為主的新能源發(fā)電具有間歇性和波動性，這也是新型電力系統建設過程中繞不過的坎兒。
過去，電網系統調控主要采取源隨荷動的模式，其問題在于當用電負荷突然增高時，一旦電源發(fā)電能力不足，便會出現供需不平衡以致嚴重影響電網的安全運行。因此，在新能源發(fā)電側增加儲能，讓源隨荷動向源網荷儲協同互動轉型成為新型電力系統建設的關鍵。
目前，已在張家口可再生能源示范區(qū)投運的國家風光儲輸示范工程便是源網荷儲協同互動的代表。
作為國家科技支撐計劃重大項目、河北省重點產業(yè)支撐項目、國家電網堅強智能電網首批試點工程，國家風光儲輸示范工程采用了世界首創(chuàng)的風光儲輸聯合發(fā)電技術，即通過風、光、儲的七種組合發(fā)電方式，與平滑出力、跟蹤計劃、系統調頻、削峰填谷四種功能結合，實現多組態(tài)、多功能、可調節(jié)、可調度的聯合發(fā)電運行方式。簡單來說，就是當風電、光伏發(fā)電富余時，將無法并網的電能進行存儲；當風電、光伏發(fā)電出力不足時，儲能系統再釋放出儲存的電能。
當下，儲能因具備靈活調節(jié)、快速響應、主動支撐等優(yōu)勢，已經成為新型電力系統不可或缺的組成部分。
中國工程院院士黃其勵曾表示，儲能既可布局在大電源、大電網的關鍵節(jié)點，也可作為分布式智能電網、綜合智慧能源系統的關鍵裝備之一，在新型電力系統“保供應”和“保安全”中發(fā)揮重要作用。
目前，國網冀北張家口風光儲輸新能源有限公司還與中國電科院合作建成了儲能系統并離網特性檢測平臺。據悉，該平臺具備兆瓦級儲能系統并網運行特性的實證能力和500千瓦以下儲能系統離網運行特性的測試與實證能力。截至目前，已完成陜西合容電氣公司調頻用超級電容儲能、北京普能世紀公司第三代全釩液流儲能性能測試與實證運行。同時，通過自主搭建鋰電池安全試驗環(huán)境，完成了國內首次磷酸鐵鋰電池簇級熱失控試驗。
針對風光發(fā)電具有間歇性這一特點，國網冀北張家口風光儲輸新能源有限公司的工作人員表示，風光儲輸“四位一體”聯合發(fā)電控制和調度模式可以將新能源發(fā)電出力10分鐘的平均波動率由30%降低至小于5%?！巴瑫r該工程擁有國內首個多尺度、全天候、高精度風光聯合功率預測系統，可實現風光聯合功率預測偏差小于10%”。
為進一步提升新能源功率預測精度水平，2022年，國網冀北電力開發(fā)并應用了風光儲基地數字孿生三維可視化展示與輔助決策平臺，可實現狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、尾流偏航優(yōu)化、缺陷自動預警等功能。
“風光儲基地數字孿生三維可視化展示與輔助決策平臺像是智慧的大腦，足不出戶就可以運籌帷幄，實現基于海量信息的新能源功率預測。截至目前，可實現日前預測精度風電達到85%，光伏發(fā)電達到90%；風電第四小時預測精度不低于90%，光伏發(fā)電第四小時預測精度不低于95%?！眹W冀北張家口風光儲輸新能源有限公司的工作人員說道。
國家風光儲輸示范工程的亮點不僅體現在技術創(chuàng)新上，還體現在模式創(chuàng)新上。
國網冀北電力的工作人員告訴記者，大多數新能源場站采用“大規(guī)模集中式開發(fā)，高電壓遠距離送出”的典型發(fā)展模式，低慣量、過電壓、寬頻振蕩等問題突出，成為制約新能源消納、危及系統穩(wěn)定的主要因素。為解決這一問題，2022年，國家風光儲輸示范基地啟用“新能源＋儲能＋調相機”的發(fā)展模式，這也是全國首家應用該模式的新能源基地，對于探索新型電力系統的電源構建方案具有重大意義。
在業(yè)內，調相機被稱為電網安全穩(wěn)定運行的“穩(wěn)定器”，可以有效解決區(qū)域新能源送出能力不足等問題。據了解，調相機系統是介于發(fā)電機和電動機間，能夠不發(fā)出、不吸收有功的一種特殊電機，可根據系統需要，自動在電網電壓波動時調節(jié)無功輸出，不僅可為風光儲輸示范工程提供足夠的短路容量支撐，還可在既有基礎上，直接提升風光儲輸新能源送出同時率30%以上，大幅提升新能源外送能力。截至5月中旬，冀北電網累計投產調相機24臺，總容量61萬千瓦，提升新能源送出能力129.5萬千瓦。
建設“柔性”通道，讓綠電外送更暢通
提升新能源消納，是新型電力系統建設的另一個重點。
十年前，張家口也曾面臨綠電消納能力不足的困境。根據《河北省張家口市可再生能源示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，2014年張家口的可再生能源電力裝機總容量約700萬千瓦，但區(qū)域內電網最大負荷僅為185萬千瓦，可再生能源對外輸送能力不足400萬千瓦，可再生能源發(fā)電受限。
張家口的綠電消納問題并非個例，過去十年間，不少可再生能源送出省（市）或區(qū)域都曾有過類似的問題。因此，加快建設電力外送通道是保障綠電“送得出”的關鍵。
國家能源局在2023年發(fā)布的《關于加強新型電力系統穩(wěn)定工作的指導意見（征求意見稿）》中就指出，要協同推進大型新能源基地、調節(jié)支撐電源和外送通道開發(fā)建設，保障外送電力的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
為此，作為京津冀地區(qū)的電力輸送通道節(jié)點，張家口將擴建超高壓輸變電工程、增建特高壓輸變電工程，以及完善可再生能源電力跨省跨區(qū)輸送通道提上日程。
目前，張家口陸續(xù)建成張北—雄安1000千伏特高壓交流通道、張北±500千伏柔性直流通道和張南、萬全、沽源3個500千伏變電站。
其中，創(chuàng)造了12項世界第一的張北柔性直流電網試驗示范工程（以下簡稱“張北柔直工程”）成為能源技術創(chuàng)新的集大成者，2022年北京奧運場館實現100%清潔用能也源于其在背后的助力。
據了解，張北柔直工程是世界首個四端環(huán)形柔性直流電網，它不僅是世界首個±500千伏柔性直流電網工程，也是當時世界上電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流工程，能夠有效解決張北可再生能源的送出與消納問題，促進大型能源基地集約化開發(fā)和清潔能源高效利用。
2020年6月29日，張北柔直工程正式投運，共新建中都、康巴諾爾、阜康和延慶4座換流站，額定電壓±500千伏，額定輸電能力450萬千瓦，輸電線路長666千米。其中，中都、康巴諾爾換流站為送電端，接入新能源，阜康站為調節(jié)端，接入抽水蓄能，延慶站為接收端，接入首都負荷中心。
那么，張北柔直工程何以獲得12項世界第一？
相較傳統交流和直流輸電技術，柔性直流輸電是一種以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制（PWM）技術為基礎的新型輸電技術，該輸電技術具有可向無源網絡供電、不會出現換相失敗、換流站間無需通信以及易于構成多端直流系統等優(yōu)點。與傳統方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網的增容改造等方面具有較強的技術優(yōu)勢，是改變大電網發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇。
國網冀北電力有限公司超高壓分公司的相關負責人告訴記者，張北柔直工程突破了柔性直流組網、容量提升與可靠性提升等三大技術難題，并實現了五項技術創(chuàng)新突破?！霸谙到y控制上，打造了世界上首個基于直流電網的多維度、多要素的控制保護系統；在開斷能力上，研制出世界上最高電壓等級、最高開斷能力的直流斷路器；在換流容量上，研制出世界上最高電壓等級、最大換流容量柔性直流換流閥；在耗能裝置上，研制出世界上最大容量交流耗能裝置；最后，在器件功率上，研制出世界上最大功率的全控可關斷器件”。
截至5月15日，張北柔直工程累計向京津冀地區(qū)輸送綠電突破300億千瓦時，約等于820萬戶家庭一年的用電量，累計節(jié)約標準煤1050萬噸。
全方位提升新能源消納能力
科技創(chuàng)新在推動能源變革的同時，還帶動了產業(yè)轉型升級以及綠電交易機制的創(chuàng)新。
隨著張家口新能源規(guī)?；_發(fā)成效顯著，《關于促進新能源產業(yè)高質量發(fā)展的實施辦法》《張家口市關于支持新能源產業(yè)發(fā)展優(yōu)惠政策》等文件相繼出臺，吸引了一大批裝備制造業(yè)落地，其中明陽智慧、金風科技、億華通等約29家新能源高端裝備制造企業(yè)在張家口可再生能源示范區(qū)落地生根，涵蓋風機、塔筒、葉片、光伏組件上下游產業(yè)，形成了智能風機、高效光伏組件、氫燃料電池發(fā)動機等多個產業(yè)鏈條。
同時，依托于海量的綠電供應，近年來，冀北地區(qū)形成了大數據中心產業(yè)集群，打造了“新能源+數據平臺”新樣板。
作為京津冀算力樞紐節(jié)點城市，目前，張家口吸引了阿里、騰訊、秦淮等一批大數據企業(yè)落戶。
“目前，官廳湖大數據產業(yè)基地已通過‘四方交易’機制購買綠色清潔能源，提升綠色能源使用占比?！鼻鼗磾祿購d湖大數據產業(yè)基地負責人表達了使用清潔能源的強烈需求。他口中“四方交易”機制由國網冀北電力首創(chuàng)。這一機制保障了北京冬奧會場館實現百分之百綠電供應。
北京冬奧會雖已落幕，但“四方交易”這一機制還在持續(xù)發(fā)揮作用。在“四方交易”機制基礎上，國網冀北電力暢通了新能源交易機制和渠道，讓域內有使用綠電需求的企業(yè)和產業(yè)都用上了新能源。
冀北電力交易中心結合市場主體綠色電力生產消費需求，在冬奧綠電交易與認證的引領示范下，優(yōu)化交易組織時序，優(yōu)先組織年度、月度綠電分時段交易，簡化業(yè)務流程，市場準入、交易組織與結算全流程線上辦理、緊密銜接；同時，在電力市場運營中融入互聯網電商思維，推出了“電商式”購電服務平臺——基于e－交易App的電力零售商城，為售電公司提供套餐展示和簽約服務，也為零售用戶提供信息查詢、篩選比價、下單簽約等一站式服務，提高了零售用戶購買綠電的便捷度。截至今年4月底，張家口大數據累計用電量達17.54億千瓦時，同比增長28.37%。
科技創(chuàng)新離不開人才助力，目前，借助京津冀地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢，張家口正在加速構建京津冀人才一體化發(fā)展的“先遣隊”，不斷加強與京津冀的人才交流。
以產聚才、以才興產。未來，為滿足京津冀地區(qū)負荷發(fā)展需求，張家口將持續(xù)推動以可再生能源為主體的新型電力系統建設，進一步提升新能源送出能力。
根據《張家口可再生能源示范區(qū)“十四五”發(fā)展實施方案》，預計到2025年，示范區(qū)的可再生能源裝機容量將達到4300 萬千瓦以上，利用率達到95%以上，年替代化石能源2100萬噸以上標準煤；可再生能源消費量占終端能源消費總量比例達到45%，70%的電力消費來自可再生能源，形成以可再生能源為主的綠色能源生產消費體系。
