工作人員運維光伏電站。
吊裝風機葉片。
示范電站大門。
當以風能和太陽能為代表的新能源被賦予“第三次工業(yè)革命核心”的重任時，如何克服這兩種“最清潔能源”與生俱來的隨機性、波動性和間歇性，進而實現(xiàn)規(guī)模化并網，便成為一道橫亙在新能源開發(fā)利用之路上的難題。國家電網公司始終致力于破解清潔能源發(fā)展瓶頸，不辱使命，不負重托，采用世界首創(chuàng)的“風光儲輸聯(lián)合發(fā)電”技術路線，在智能電網技術框架下，建成目前世界規(guī)模最大的集風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能及輸電工程“四位一體”的可再生能源項目——風光儲輸示范工程，為破解清潔能源大規(guī)模并網這一世界性難題展開了前沿性探索，取得豐碩成果。
12月11日，我國工業(yè)領域的最高獎項——第四屆中國工業(yè)大獎在北京人民大會堂隆重揭曉，國家風光儲輸示范工程榮獲中國工業(yè)大獎。
7種輸出模式聯(lián)合應用
探索清潔能源發(fā)展新路徑
如何科學合理解決以風電、光伏發(fā)電為代表的新能源大規(guī)模集中并網、集成應用，是一道世界級難題。面對影響新能源大規(guī)模并網的技術瓶頸，公司科研團隊經過長時間前期調研后，最終確定了風光儲輸聯(lián)合優(yōu)化的技術路線，即“風光互補、儲能調節(jié)、智能輸電、平穩(wěn)可控”。
2010年春，張北高原上的冰雪尚未消融，國家風光儲輸示范工程建設便熱火朝天地拉開序幕。國網冀北電力有限公司作為示范工程建設運營單位，不畏嚴寒、攻堅克難，高質量完成工程建設任務。該工程是世界上第一個集“風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、智能輸電”于一體的風光儲輸示范工程。“風光儲輸聯(lián)合優(yōu)化的技術路線屬世界首創(chuàng)，沒有先例可循。我們要用實際行動開辟一條‘清潔中國、領跑世界’的嶄新路徑?！眹W冀北電力風光儲公司總經理馬力說。
公司高度重視示范工程建設，組建了以中國電力科學研究院、國網電力科學研究院等單位牽頭的科研團隊，開展聯(lián)合技術攻關。示范工程分為兩期，按照風電場500兆瓦，光伏電站100兆瓦和儲能裝置70兆瓦設計規(guī)劃，以“風光互補、儲能調節(jié)、智能輸電、平穩(wěn)可控”為攻堅目標，投資近100億元。
由公司自主研發(fā)的風光儲輸聯(lián)合發(fā)電全景檢測與綜合控制系統(tǒng)，是智能電網調度技術支持系統(tǒng)基礎平臺在新能源場站監(jiān)控系統(tǒng)首次應用，能夠實時優(yōu)化協(xié)調風、光、儲各系統(tǒng)運行狀態(tài)，減小風電和光伏發(fā)電功率大幅度、高頻率波動，提高電網接納風電和光伏電源能力，實現(xiàn)風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的全景監(jiān)測與綜合控制。
在示范工程工作多年的國網冀北電力風光儲公司副總工程師劉漢民博士解釋說：“當風電、光伏發(fā)電出力足夠時，可將多余的發(fā)電出力儲存到電池中；一旦風光出力不夠時，儲能系統(tǒng)就可以放出電量。而這一切，都是通過聯(lián)合發(fā)電智能全景優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。它是整個風光儲電站的‘大腦’，可改善風電、光伏出力的波動性和間歇性，使之安全穩(wěn)定地并入電網運行?！?/p>
在控制中心中央大屏幕上，記者直觀地看到，代表風電出力、波動較大的藍色曲線和代表光伏發(fā)電出力的黃色曲線，經代表儲能變化的橙色曲線“填平補齊”后，變成了代表電站實際發(fā)電出力的平滑綠色曲線。
國際能源署可再生能源部負責人保羅·弗蘭克爾在控制中心看到這條綠色曲線圖后表示：“今天的參觀令我印象深刻。國際能源署和中國國家電網公司都在為全球能源清潔化發(fā)展做著自己的努力。我相信，今后我們的合作空間將會更大?！痹谒男闹?，早已有了未來合作的路線圖。
“風、光、儲、風+光、風+儲、光+儲、風+光+儲”，7種組態(tài)時序出力優(yōu)化方法，實現(xiàn)了風儲、光儲和風光儲聯(lián)合等多種發(fā)電運行方式自動組態(tài)、智能優(yōu)化和平滑切換，發(fā)電品質接近常規(guī)電源，不僅滿足了平滑出力、跟蹤計劃、系統(tǒng)調頻、削峰填谷等多樣調度需求，更解決了新能源發(fā)電精細化運行與控制，為大規(guī)模新能源并網及調度提供技術支撐。
積極推動科技成果深度轉化
實現(xiàn)清潔能源發(fā)展水平提升
目前，工程已安全穩(wěn)定運行1857天，通過風、光、儲多組態(tài)聯(lián)合運行模式，累計輸出超過26.24億千瓦時平穩(wěn)可控綠色電能，相當于節(jié)約標準煤104.96萬噸、減排二氧化碳261.6128萬噸。
在“低碳奧運院士行”活動中，中科院院士們一致認為，示范工程的意義并不在于發(fā)了多少電，而在于在無任何工程實例可參考的條件下，探索出一條世界首創(chuàng)的風光儲輸聯(lián)合發(fā)電運行模式，即通過風、光、儲的7種組合發(fā)電方式，與平滑出力、跟蹤計劃、系統(tǒng)調頻、削峰填谷4種功能相結合，實現(xiàn)多組態(tài)、多功能、可調節(jié)、可調度的聯(lián)合發(fā)電運行方式。
示范工程投運以來，以風光儲聯(lián)合發(fā)電互補機制及系統(tǒng)集成為代表的五大關鍵技術突破已取得87項授權專利，累計獲得數(shù)項省部級科技成果獎，部分創(chuàng)新成果達國際領先水平。研發(fā)的風光儲聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)自動發(fā)電控制等7套軟件，并申請軟件著作權；已發(fā)表論文102篇，其中SCI、EI等國內外期刊上收錄論文50篇；編寫了風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化配比技術研究等15本技術報告，顯著增強了我國在國際新能源領域的影響力和話語權。
5年來，風光儲輸聯(lián)合發(fā)電運行及調度模式歷經天氣陰晴、風云變幻無常、極寒暑熱交替等綜合考驗，將難預測、難控制、難調度的風、光資源轉化為優(yōu)質可靠的綠色電能輸入電網。公司依托示范工程，建立了國內首次風光聯(lián)合發(fā)電功率預測數(shù)值天氣預報，實現(xiàn)多尺度全天候風光聯(lián)合功率預測技術；并在國內首次應用云成像技術和裝置開展光伏功率預測，大范圍捕捉方圓云層數(shù)據(jù)信息，有效提升光伏電站超短期功率預測能力。
一系列科技創(chuàng)新，為解決大規(guī)模新能源集中開發(fā)、集成應用的世界性難題提供了我國自己的方案。
示范工程還代表公司參加了“國家十二五創(chuàng)新成就展”，受到了國務院總理李克強、副總理汪洋高度關注，全國人大副委員長沈躍躍等領導也在實地調研中給予高度評價。
如今，示范工程的運營經驗、成果已經為外界所認可借鑒，并推廣應用于美國及我國寧夏、青海多個新能源聯(lián)合發(fā)電示范工程。在示范工程的應用提升效應下，以比亞迪等多家電池儲能制造企業(yè)為代表，陸續(xù)建成投產了系列儲能產品，開啟了我國電池儲能產業(yè)先河，產能較過去擴大約40倍，成本降低了78%；其聯(lián)合發(fā)電控制技術及檢測系統(tǒng)，已經成為大規(guī)模新能源場站生產運行的關鍵平臺，在江蘇如東海上風電場監(jiān)控、西藏羊八井光伏電站監(jiān)控、酒嘉風電基地得到廣泛應用；涵蓋規(guī)劃設計、調試驗收、運行檢修和技術監(jiān)督全過程技術標準體系，已應用于大唐新能源和魯能集團風電場，為大規(guī)模新能源精益化運行提供了強有力的技術支撐。
示范引領效果顯著
清潔能源“試驗田”建設成果豐碩
走進示范工程，張北壩上草原那高高聳立的白色風機和閃閃發(fā)光的光伏板，與藍天碧野交相輝映，與朔風白云水乳交融。
全國政協(xié)副主席、科技部部長萬鋼視察示范工程時說：“國家風光儲輸示范工程不僅是我國新能源綜合利用成果的集中展示，也為我國未來新能源的發(fā)展提供了技術示范平臺，對未來我國新能源的規(guī)模化應用具有重要的示范和借鑒意義?！?/p>
示范工程涵蓋7種類別風電機組，選型和建設嚴格遵循國家相關技術標準、規(guī)定，采用統(tǒng)一平臺監(jiān)控，統(tǒng)一遠程故障在線監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信友好上傳，有功、無功遠程可調，在滿足低電壓穿越性能要求基礎上，實現(xiàn)了高電壓穿越性能。
緊挨著成片白色風機森林的，是一排排在太陽照射下熠熠生輝的太陽能光伏板。記者了解到，該光伏電站示范應用了最全的光伏組件和跟蹤方式，多角度、全方位開展技術經濟比較，對比同緯度固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，跟蹤方式，多角度、全方位開展技術經濟比較，對比同緯度固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，跟蹤發(fā)電系統(tǒng)每年能提高約18%的發(fā)電量。
記者還實地探訪了該示范項目的化學儲能電站。劉漢民在現(xiàn)場告訴記者：“該儲能電站已經涵蓋5種類型的電化學儲能電池，包括磷酸鐵鋰電池、全釩液流電池等，共計近30萬節(jié)，突破了大規(guī)模電池儲能協(xié)調控制和能量管理關鍵難題，首次實現(xiàn)同一站內平滑風光功率輸出等多種高級應用，解決了風、光發(fā)電不確定性引發(fā)的電力系統(tǒng)調峰、安全問題?！闭劶皟δ芙ㄔO后續(xù)工作，劉漢民表示，今年將投運電動汽車電池梯次利用項目，同時還要配置先進的空氣壓縮儲能，為電網儲能關鍵技術創(chuàng)新展開大規(guī)模試驗示范。
隨著這一全新的聯(lián)合發(fā)電運行模式的實驗與探索，科技人員實現(xiàn)了風光儲互補機制及系統(tǒng)集成、全景監(jiān)測與協(xié)調控制、功率預測、源網協(xié)調、大規(guī)模儲能技術等5大技術突破，完成了聯(lián)合發(fā)電智能全景優(yōu)化控制等10項以上自主設備研發(fā)，并獲得了儲能控制策略等20多項技術創(chuàng)新。事實上，這個示范工程已成為我國新能源發(fā)電和儲能技術的試驗場。
【工程概況】
位于國家八大千萬千瓦級風電基地之一的張家口市的張北縣、尚義縣境內，風資源豐富，日照充足，具備我國新能源開發(fā)利用的典型特征。
按照風電場500兆瓦，光伏電站100兆瓦和儲能裝置70兆瓦設計規(guī)劃，以“風光互補、儲能調節(jié)、智能輸電、平穩(wěn)可控”為攻堅目標，投資近100億元，由國網冀北電力有限公司負責建設運營。
采用全球首創(chuàng)的“風光儲輸聯(lián)合發(fā)電”技術路線，在智能電網技術框架下，構建新能源發(fā)電領域自主創(chuàng)新和試驗示范兩個平臺，帶動風電和光伏發(fā)電相關產業(yè)技術升級，促進風電、光伏并網技術標準和管理規(guī)定出臺，是提升新能源綜合利用水平的重大科技創(chuàng)新工程。
1.國內最大的源網友好型風電場
2.國內最大的功率調節(jié)型光伏電站3.世界規(guī)模最大多類型電池儲能電站4.國內首創(chuàng)風光儲輸聯(lián)合發(fā)電控制和調度模式
【工程之最】
1.國內最大的源網友好型風電場
示范工程全部選用容量大、效率高、并網友好的國產裝備，率先在國內完成高電壓穿越技術改造測試，發(fā)電特性出力平穩(wěn)，達到國際領先水平。首創(chuàng)風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，通過自主研發(fā)的風光儲聯(lián)合發(fā)電互補機制及系統(tǒng)集成技術，提出容量最優(yōu)配比方法及設計導則，示范電站10分鐘平均波動率低于5%，而常規(guī)風電場為30%以上。在新能源發(fā)電及源網協(xié)調領域，研發(fā)具有完全自主知識產權的風光儲聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)，提出風光儲7種組態(tài)時序出力優(yōu)化方法，實現(xiàn)風儲、光儲和風光儲聯(lián)合等多種發(fā)電運行方式自動組態(tài)、智能優(yōu)化和平滑切換，發(fā)電品質接近常規(guī)電源，提升了大規(guī)模新能源匯集區(qū)電網穩(wěn)定運行水平。
2.國內最大的功率調節(jié)型光伏電站
應用最全光伏發(fā)電形式，多種設備同臺比對、研究，為我國光伏產業(yè)發(fā)展提供有力技術、數(shù)據(jù)支持。高精度光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)，較常規(guī)電站預測精度提高50%。國內首次建立風光聯(lián)合發(fā)電功率預測數(shù)值天氣預報，實現(xiàn)多尺度全天候風光聯(lián)合功率預測技術。國內首次應用云成像技術和裝置開展光伏功率預測，大范圍捕捉方圓云層數(shù)據(jù)信息，有效提升光伏電站超短期功率預測能力。
3.世界規(guī)模最大多類型電池儲能電站
突破大規(guī)模電池成組以及電池系統(tǒng)級聯(lián)技術，首創(chuàng)大規(guī)模電池儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)、管理綜合控制系統(tǒng)。研發(fā)的儲能電池大容量成組以及大規(guī)模系統(tǒng)級聯(lián)技術，提出電池動態(tài)大容量成組技術及電池系統(tǒng)級聯(lián)方法，解決系統(tǒng)集成線性放大難題,實現(xiàn)27.5萬只電池單體電池儲能系統(tǒng)電站化集成，電站整體能量轉換效率大于90%；大規(guī)模儲能電站監(jiān)測與控制技術，提出儲能電站集中控制與儲能單元就地調控相互耦合分層實時控制架構，開發(fā)電池儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)儲能電站全功率響應時間小于900毫秒、出力偏差小于1.5%；全球首家具有“黑啟動”功能的大規(guī)模新能源聯(lián)合發(fā)電站，填補國內外該領域技術空白，確保新能源涉及的局部微電網在特殊情況下可靠運行。
4.國內首創(chuàng)風光儲輸聯(lián)合發(fā)電控制和調度模式
220千伏智能變電站以全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基礎，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測；支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動。風光儲輸聯(lián)合發(fā)電全景檢測與綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能電網調度技術支持系統(tǒng)基礎平臺在新能源場站監(jiān)控系統(tǒng)首次應用。能夠實時優(yōu)化協(xié)調風、光、儲各系統(tǒng)運行狀態(tài)，減小風電和光伏發(fā)電功率大幅度、高頻率波動，提高電網接納風電和光伏電源能力，實現(xiàn)風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的全景監(jiān)測與綜合控制。7種模式架構下的多控制目標跟蹤與多源協(xié)調控制技術，滿足平滑出力、跟蹤計劃、系統(tǒng)調頻、削峰填谷等多樣調度需求，解決了新能源發(fā)電精細化運行與控制，為大規(guī)模新能源并網以及調度提供技術支撐，實現(xiàn)了新能源發(fā)電可控制與可調度。
