■福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 彭花娜 鐘小燕

寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 馬晟

位于非洲中部的剛果金盛產(chǎn)礦產(chǎn)資源且種類繁多，其中Cu、Co金屬含量均居世界前列。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的中資企業(yè)在該區(qū)域從事礦產(chǎn)資源生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)[1]。剛果國(guó)家經(jīng)濟(jì)高度依賴礦產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，近年來(lái)，剛果政府采取一系列措施促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，刺激電力需求的快速增長(zhǎng)，但其電力供應(yīng)仍明顯不能滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和生活的基本用電需要，造成經(jīng)常性大范圍停電，需經(jīng)常依賴柴油發(fā)電機(jī)自行發(fā)電。在東南部加丹加省，隨著礦業(yè)冶煉企業(yè)數(shù)量不斷增多，生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，相應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施尚未完成配套升級(jí)，該地區(qū)礦山電力缺口巨大（僅能滿足設(shè)計(jì)能力的40%左右），經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)律停電現(xiàn)象，給企業(yè)正常生產(chǎn)造成巨大影響。部分企業(yè)采用柴油發(fā)電或從贊比亞進(jìn)口電力方式，或通過(guò)自建、合建水電站，或在礦區(qū)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目，以此來(lái)緩解“電荒”[2]。本文基于增量思維，分析剛果某礦山電力現(xiàn)有供應(yīng)方案痛點(diǎn)，并提出光儲(chǔ)柴一體化電力解決方案，以期為中資企業(yè)后續(xù)在剛果進(jìn)行礦山項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供思路模板，并為后續(xù)與剛果電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)更多聯(lián)合發(fā)電項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.問(wèn)題提出

1.1 項(xiàng)目基本情況

該項(xiàng)目標(biāo)的為某中資企業(yè)在剛果南部投資的某礦山，海拔小于1500m，項(xiàng)目地站址水平面平均年總輻射量為7640MJ/m2。

1.2 現(xiàn)供電方案痛點(diǎn)分析

目前，礦山本體項(xiàng)目已建成一年時(shí)間，建設(shè)有1臺(tái)25MVA主變壓器，1回120kV線路，預(yù)留1臺(tái)主變，1回線路，負(fù)載上限為15MW?，F(xiàn)電網(wǎng)供電能力為8MW～13MW，且可靠性極低，非計(jì)劃停電頻繁；礦山在電網(wǎng)停電期間，采用柴發(fā)發(fā)電，費(fèi)用高，單價(jià)為33美分，且需減負(fù)載（配置1.8MW＊7，按不停電負(fù)載需求至少運(yùn)行3臺(tái)）運(yùn)行。

由于電網(wǎng)為非計(jì)劃停電，柴發(fā)啟動(dòng)時(shí)間一般需30s，在電網(wǎng)與柴發(fā)交接供電階段，將出現(xiàn)全礦山停電的情況，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行十分不利。

1.3 項(xiàng)目訴求

解決現(xiàn)供電方案痛點(diǎn)，并達(dá)到礦山期望供電水平，提高礦山供電可靠性，同時(shí)滿足礦山全年滿負(fù)荷運(yùn)行要求（電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間故障的嚴(yán)重工況除外）。

2.解決思路

2.1 總體思路

以實(shí)現(xiàn)剛果某礦山業(yè)主期望供電水平為基本要求，以項(xiàng)目參與各方（礦山、電力公司、投資方）均獲得收益，達(dá)到多方共贏為目標(biāo)。

2.2 具體思路

采用光儲(chǔ)柴一體化解決方案，光儲(chǔ)發(fā)電量?jī)?yōu)先考慮供給礦山使用，盈余電量上網(wǎng)；光儲(chǔ)供電不能覆蓋區(qū)域，由電網(wǎng)完成供電；極端工況光儲(chǔ)、電網(wǎng)均失電情況下，柴發(fā)作為后備啟動(dòng)——供電能力覆蓋礦山重要負(fù)荷全年8760h，電量提升，產(chǎn)能提升，礦山業(yè)主受益。

儲(chǔ)能在光伏有發(fā)電情況下，每日強(qiáng)制性完成一個(gè)充放循環(huán)，儲(chǔ)能系統(tǒng)按平滑光伏功率輸出、削峰填谷滿足外部電網(wǎng)停電時(shí)礦山正常供電需求（期望供電功率15MW、儲(chǔ)能放電時(shí)長(zhǎng)3h），作為儲(chǔ)能規(guī)模配置依據(jù)，按此配置，可完成柴發(fā)替代要求，儲(chǔ)能完成柴發(fā)替代，代價(jià)低于柴發(fā)，礦山業(yè)主受益。

光儲(chǔ)柴項(xiàng)目售電至電網(wǎng)電價(jià)低于電網(wǎng)向礦山售電電價(jià)；礦山場(chǎng)地較大，后期可考慮增加規(guī)模，電網(wǎng)可賺取差價(jià)同時(shí)緩解電荒，電網(wǎng)受益。

光儲(chǔ)柴一體化方案在電網(wǎng)停電時(shí)間小于3h時(shí)供電示意詳見(jiàn)圖1；電網(wǎng)停電時(shí)間大于3h時(shí)，需啟動(dòng)柴發(fā)滿足不間斷負(fù)荷供電需求，供電示意詳見(jiàn)圖2。

圖1 光儲(chǔ)柴一體化方案供電示意圖（停電時(shí)間＜3h）

圖2 光儲(chǔ)柴一體化方案供電示意圖（停電時(shí)間＞3h）

3.光儲(chǔ)柴一體化電力解決方案

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

本文分別從光資源、電量缺額、停電概率、投資環(huán)境等方面進(jìn)行分析。

3.1.1 光資源分析

項(xiàng)目地站址水平面平均年總輻射量為7640MJ/m2，光資源條件優(yōu)越；可達(dá)到I類資源區(qū)(等效利用小時(shí)數(shù) ＞1600)。

3.1.2 電量缺額分析

現(xiàn)“電網(wǎng)+柴發(fā)”提供用電量能力為1.0145億kWh，與期望供電水平1.3140億kWh相差較遠(yuǎn)，電量缺額—0.2996億kWh，電量可提升空間為29.5%。

3.1.3 停電概率分析

根據(jù)礦山業(yè)主提供停電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。

圖3 礦山業(yè)主提供停電數(shù)據(jù)局部圖

從礦山業(yè)主提供的停電數(shù)據(jù)可知，電網(wǎng)停電分布、時(shí)長(zhǎng)無(wú)規(guī)律可循。為分析儲(chǔ)能替代柴發(fā)后的停電覆蓋能力，需對(duì)停電概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于項(xiàng)目采用增量思維，總體方案為光儲(chǔ)柴一體化方案，因此，項(xiàng)目投產(chǎn)后在有光照時(shí)間電網(wǎng)停電時(shí)，礦山可以由光儲(chǔ)項(xiàng)目供電，停電數(shù)據(jù)不計(jì)入，對(duì)于無(wú)光照時(shí)間停電，停電數(shù)據(jù)需計(jì)入停電概率統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)礦山無(wú)光照期間停電時(shí)間概率分布詳見(jiàn)表1、圖4。

表1 礦山無(wú)光照期間停電時(shí)間概率分布表

圖4 礦山無(wú)光照期間停電時(shí)間概率分布圖

由停電時(shí)間概率分布可知，當(dāng)配置15MW/45mWh儲(chǔ)能時(shí)，保障廠區(qū)15MW負(fù)荷運(yùn)行3h，需要利用柴發(fā)作為備用的概率為24%；當(dāng)15MW/60mWh儲(chǔ)能保障廠區(qū)15MW負(fù)荷運(yùn)行4h，需要利用柴發(fā)作為備用的概率為15%；當(dāng)15MW/75mWh儲(chǔ)能保障廠區(qū)15MW負(fù)荷運(yùn)行5h，需要利用柴發(fā)作為備用的概率為10%。當(dāng)儲(chǔ)能配置時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，增加的儲(chǔ)能部分投資代價(jià)遠(yuǎn)大于在光儲(chǔ)、電網(wǎng)均失電前提下由柴發(fā)供電所需的代價(jià)。當(dāng)配置3h時(shí)，儲(chǔ)能替代柴發(fā)可覆蓋的概率為76%。通過(guò)溝通，按時(shí)長(zhǎng)3h進(jìn)行考慮。

3.1.4 投資環(huán)境分析

該項(xiàng)目要從經(jīng)濟(jì)、法律、政策、技術(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。剛果目前政局不穩(wěn)，社會(huì)穩(wěn)定性較差，營(yíng)商環(huán)境差，通貨膨脹率居高不下，政府融資困難，賦稅繁重。但是，剛果的電力市場(chǎng)前景大、發(fā)展空間大、光資源條件極佳。因此，進(jìn)入該國(guó)別展開(kāi)投資活動(dòng)，需做好充分準(zhǔn)備，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有足夠的應(yīng)對(duì)措施。

3.2 光儲(chǔ)柴規(guī)模配置

3.2.1 柴發(fā)規(guī)模

現(xiàn)礦山在電網(wǎng)停電期間，采用柴發(fā)發(fā)電，單價(jià)為33美分，費(fèi)用較高，減負(fù)載（配置1.8MW＊7，按不停電負(fù)載需求至少運(yùn)行3臺(tái)）運(yùn)行。采用光儲(chǔ)柴一體化方案后，不改變現(xiàn)有柴發(fā)方案，柴發(fā)規(guī)模保持不變，僅使用條件修訂為：極端工況光儲(chǔ)、電網(wǎng)均失電情況下，柴發(fā)作為后備啟動(dòng)。

圖9 規(guī)模二電量平衡圖（一期55MWp+15MW/61.12mWh，二期185MWp）

3.2.2 儲(chǔ)能規(guī)模

國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于風(fēng)光儲(chǔ)一體化項(xiàng)目?jī)?chǔ)能配置原則為：風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量配比應(yīng)以電網(wǎng)不同調(diào)控模式（平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃出力、系統(tǒng)削峰填谷等模式）要求為目標(biāo)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后最終確定。礦山項(xiàng)目對(duì)于儲(chǔ)能作用需求為柴發(fā)替代，規(guī)模為15MW/45mWh。

由于儲(chǔ)能配合光伏使用，每天最多只能完成一個(gè)充放循環(huán)，按現(xiàn)階段儲(chǔ)能投資進(jìn)行測(cè)算，儲(chǔ)能度電成本約為32美分，大于售電電價(jià)15美分，無(wú)法形成合理收益，因此，儲(chǔ)能規(guī)模配置中不考慮時(shí)移規(guī)模。

考慮電池的初始循環(huán)效率為95.6%，放電深度為99%，系統(tǒng)直流轉(zhuǎn)交流效率為97%，并網(wǎng)點(diǎn)在第九年末電池可用電量為45mWh，電池的初始配置量為61.12mWh。

3.2.3 光伏規(guī)模

根據(jù)不同的邊界設(shè)定，光伏規(guī)模取值不同。

邊界一：考慮到與電力公司對(duì)接耗時(shí)較長(zhǎng)，可能影響工期，按電量就地平衡測(cè)算，光伏發(fā)電優(yōu)先自發(fā)自用，不考慮盈余電力上網(wǎng)，光伏最大棄光率不超過(guò)5%，測(cè)算規(guī)模為41MWp。按此規(guī)模下礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線詳見(jiàn)圖5。

圖5 礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線（41MWp）

邊界二：光伏發(fā)電優(yōu)先自發(fā)自用，考慮盈余電力上網(wǎng)，光伏最大棄光率不超過(guò)5%，且滿足現(xiàn)有主變?nèi)萘坎贿^(guò)載，測(cè)算規(guī)模為55MWp。按此規(guī)模下礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線詳見(jiàn)圖6。

圖6 礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線（55MWp）

邊界三：光伏出力按弱光期均滿足儲(chǔ)能容量測(cè)算，測(cè)算規(guī)模為18MWp。按此規(guī)模下礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線詳見(jiàn)圖7。

圖7 礦山典型日負(fù)荷及光伏出力曲線（55MWp）

電量平衡計(jì)算：三種邊界下，光伏規(guī)模不同，儲(chǔ)能規(guī)模一致。其中，邊界二考慮與電力公司溝通順暢，利用礦山空余場(chǎng)地建設(shè)單獨(dú)的光伏站，二期建設(shè)光伏站規(guī)模為185MWp。分別進(jìn)行電量平衡計(jì)算詳見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 規(guī)模一電量平衡圖（55MWp+15MW/61.12mWh）

圖10 規(guī)模三電量平衡圖（18MWp+15MW/61.12mWh）

3.3 光儲(chǔ)柴項(xiàng)目對(duì)礦山本體項(xiàng)目影響分析

3.3.1 項(xiàng)目開(kāi)采年限影響分析

礦山簽訂合同模式若為固定產(chǎn)量、固定年限，采用光儲(chǔ)柴一體化項(xiàng)目后，供電可靠性提高及電量、產(chǎn)能提升，因此開(kāi)采年限將縮短。開(kāi)采年限縮短意味著資金早日回籠，對(duì)項(xiàng)目有利。

礦山簽訂合同模式若為不固定產(chǎn)量，僅固定年限，采用光儲(chǔ)柴一體化項(xiàng)目后，供電可靠性提高及電量、產(chǎn)能提升，而開(kāi)采年限不縮短。產(chǎn)能提升意味著項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)，對(duì)項(xiàng)目十分有利。該部分的影響需具體項(xiàng)目具體分析。

3.3.2 供電可靠性影響分析

以年均停電小時(shí)數(shù)及供電可靠率作為供電可靠性指標(biāo)進(jìn)行量化分析，項(xiàng)目投產(chǎn)前后供電可靠性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從中可以看出，該項(xiàng)目投產(chǎn)后礦山供電可靠率將提高11.2%，供電可靠性大大提升。

表2 項(xiàng)目投產(chǎn)前后供電可靠性對(duì)比結(jié)果

3.3.3 項(xiàng)目間接收益影響分析

無(wú)論礦山本體采用何種合同模式，供電可靠性提高及電量提升，對(duì)其均將產(chǎn)生較為可觀的經(jīng)濟(jì)收益。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，若由礦山業(yè)主進(jìn)行項(xiàng)目投資，由光儲(chǔ)柴一體化項(xiàng)目帶來(lái)的間接收益，應(yīng)給予量化考量。

3.4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

三種方案的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)詳見(jiàn)表3。

表3 三種方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

從表3可知，無(wú)論采用哪種方案，全投資內(nèi)部收益率均高于20%，方案一為最優(yōu)選擇，項(xiàng)目具有較好的投資回報(bào)。

4.結(jié)論

本文基于增量思維，針對(duì)剛果某礦山電力現(xiàn)有供應(yīng)方案痛點(diǎn)，因地制宜利用礦區(qū)空余場(chǎng)地裝設(shè)光伏設(shè)施。光伏發(fā)電優(yōu)先滿足自發(fā)自用，盈余電力上網(wǎng)，同時(shí)，配置儲(chǔ)能設(shè)施用于柴發(fā)替代，形成光儲(chǔ)柴一體化電力解決方案。該方案不僅可以實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”友好互動(dòng)，提高礦山供電可靠性并達(dá)到期望供電水平，大幅提升礦山產(chǎn)能，創(chuàng)造可觀經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能、空余場(chǎng)地綜合利用，緩解剛果電網(wǎng)供電壓力，具有良好的社會(huì)示范效益。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)踐，可為中資企業(yè)后續(xù)在剛果進(jìn)行礦山項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供思路模板，并為后續(xù)與剛果電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)更多聯(lián)合發(fā)電項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。