雅礱江流域建設(shè)風(fēng)光水互補千萬千瓦級清潔能源示范基地的探討

吳 世 勇，　周　永，　王　瑞，　張 恩 銘

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都　610051)

雅礱江流域建設(shè)風(fēng)光水互補千萬千瓦級清潔能源示范基地的探討

吳 世 勇，周永，王瑞，張 恩 銘

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051)

摘要：雅礱江流域沿岸具有豐富的風(fēng)能和太陽能資源。在雅礱江干流上，水能資源十分豐富，梯級電站規(guī)劃總裝機(jī)容量約3 000萬kW。建設(shè)雅礱江流域風(fēng)光水互補清潔能源示范基地，可以通過水電站水輪發(fā)電機(jī)組開度實時調(diào)節(jié)特性，平抑風(fēng)電、光電出力變幅及瞬時變率，提升風(fēng)電、光電電能質(zhì)量；利用水能與風(fēng)能、太陽能資源年內(nèi)互補特性，提高送出通道利用率和開發(fā)的綜合效益；結(jié)合水電建設(shè)已有的送出線路、交通、場地等資源，降低投資成本，破解送出瓶頸。風(fēng)、光、水互補清潔能源基地建設(shè)對解決目前新能源開發(fā)困境具有重要的創(chuàng)新和示范意義。

關(guān)鍵詞：雅礱江流域；風(fēng)光水互補；清潔能源；示范基地

1引言

當(dāng)前，我國能源發(fā)展正處于深刻變革和重大調(diào)整的關(guān)鍵時期，在全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境惡化的雙重挑戰(zhàn)下，以綠色低碳為方向、大力發(fā)展可再生清潔能源已成為能源發(fā)展的必然趨勢。

水電是技術(shù)成熟的清潔能源，具有穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力和供電質(zhì)量。風(fēng)電、光電作為新興的清潔能源，前景廣闊，但由于電能質(zhì)量較差、送出困難等問題而發(fā)展受限。

雅礱江流域具有得天獨厚的水能、風(fēng)能、太陽能資源。通過風(fēng)電、光電、水電互補，利用流域梯級電站的綜合調(diào)節(jié)能力和已有送出通道，是解決目前風(fēng)電、光電開發(fā)的瓶頸有效途徑。本文簡要介紹了雅礱江流域沿岸風(fēng)能和太陽能的資源稟賦及開發(fā)現(xiàn)狀，結(jié)合流域目前中下游已建、在建水電站條件，提出在雅礱江流域建設(shè)風(fēng)光水互補千萬千瓦級清潔能源示范基地的設(shè)想。

2資源概況及開發(fā)現(xiàn)狀

2.1水能資源

雅礱江全長1 571 km，流域面積約13.6萬km2。干流年徑流量約600億m3，天然落差3 830 m，水能資源十分豐富。目前干流規(guī)劃有21級水電站(圖1)，總裝機(jī)容量約3 000萬kW，多年平均發(fā)電量約1 500億kWh。

截至2015年底，雅礱江下游錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘和桐子林水電站已投產(chǎn)發(fā)電，裝機(jī)為1 455萬kW；中游兩河口和楊房溝水電站已核準(zhǔn)開工，其他項目正加快推動前期工作；上游水電規(guī)劃工作基本完成，待審批。

2.2風(fēng)能資源

受四川省地形及環(huán)流特點影響，雅礱江流經(jīng)的甘孜、涼山、攀枝花三個行政區(qū)為四川風(fēng)能資源主要集中處。其中涼山州、攀枝花位于西南支通道上，氣流在通道上受地形抬升的影響，形成較大風(fēng)速。涼山州大部分可選風(fēng)電場平均風(fēng)速在7 m/s以上，部分風(fēng)電場平均風(fēng)速甚至達(dá)9 m/s以上。甘孜位于西風(fēng)北支通道上，受北支氣流影響，也有較好的風(fēng)能資源條件。初步估計，雅礱江流域風(fēng)電可開發(fā)量約1 300萬kW，其中涼山州、攀枝花境內(nèi)約800萬kW。

截至2015年底，雅礱江流域內(nèi)風(fēng)電受上網(wǎng)條件等多方面因素影響，發(fā)展較為緩慢，已投產(chǎn)風(fēng)電項目11個，總裝機(jī)規(guī)模約63萬kW。

2.3太陽能資源

根據(jù)流域內(nèi)氣象站太陽能輻射實測數(shù)據(jù)以及NASA數(shù)據(jù)分析，雅礱江流域范圍絕大部分地區(qū)太陽能總輻射均超過5 500 MJ/m2，日照時數(shù)2 000 h～2 500 h，大部分地區(qū)超過6 000 MJ/m2，屬于太陽能資源二類或三類地區(qū)，具有較大的開發(fā)價值。初步估計，雅礱江流域光電可開發(fā)量約1 800萬kW，其中涼山州、攀枝花境內(nèi)為約700萬kW。

圖1　雅礱江干流梯級電站縱剖面圖

目前雅礱江流域內(nèi)光電受土地利用、建設(shè)成本、送出通道等多方面因素影響，發(fā)展較為緩慢，截至2015年底，已投產(chǎn)光電項目4個，總裝機(jī)容量18萬kW。

3風(fēng)光水互補開發(fā)的優(yōu)勢

3.1利用流域水電整體調(diào)節(jié)性能，提升電網(wǎng)對風(fēng)電、光電的消納能力

水力發(fā)電啟停迅速、運行靈活、跟蹤負(fù)荷能力強。特別是在全流域基地模式下，通過流域集中控制，統(tǒng)籌調(diào)節(jié)能力大大增加。通過監(jiān)控風(fēng)電、光電的出力變化，實時調(diào)節(jié)水電站的水輪發(fā)電機(jī)組開度，以平抑風(fēng)電、光電出力變幅及瞬時變率，補償風(fēng)電、光電的出力，將隨機(jī)波動的風(fēng)電、光電調(diào)整為平滑、安全、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電源。這樣做可極大地提高風(fēng)電、光電的電能質(zhì)量，從而緩解甚至消除風(fēng)電、光電對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，提高電網(wǎng)對風(fēng)電、光電的消納能力。

3.2利用水能資源與風(fēng)能、太陽能資源的年內(nèi)互補特性，優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)

雅礱江流域的風(fēng)能、太陽能資源年內(nèi)存在明顯的季節(jié)特點。通常大風(fēng)速和高光能出現(xiàn)在11月到次年5月(旱季)，6月至10月偏低(雨季)。該地區(qū)風(fēng)能、太陽能資源的這種鮮明特點，與水電特性形成天然互補。雅礱江流域電站眾多，調(diào)節(jié)能力強，兩河口、錦屏一級和二灘三大水庫建成后，總調(diào)節(jié)庫容達(dá)到148億m3，雅礱江流域可實現(xiàn)多年調(diào)節(jié)，通過多種能源的配合運行，科學(xué)調(diào)度，可以更好地優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)，提高供電保障能力和綜合開發(fā)效益。

3.3風(fēng)光水互補基地開發(fā)模式能統(tǒng)籌建設(shè)資源，加快新能源開發(fā)

一方面，風(fēng)光水互補基地開發(fā)模式下，風(fēng)電、光電消納可以利用水電站建設(shè)形成的送出通道。特別是在目前四川省內(nèi)電力消納存在困難的情況下，雅礱江流域風(fēng)光水互補清潔能源基地可以利用水電開發(fā)形成的已有的和正在規(guī)劃的省外送出通道。另一方面，水電站建設(shè)是復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，其中形成的交通、工廠、營地、調(diào)度等建設(shè)資源可通過風(fēng)光水基地開發(fā)模式加以統(tǒng)籌，從而節(jié)約建設(shè)資源，加快新能源開發(fā)。

3.4風(fēng)光水互補基地開發(fā)模式能保證風(fēng)能、太陽能利用率

風(fēng)光水互補基地開發(fā)模式將風(fēng)光水打捆送出，既能在汛期提供大量清潔能源，又能在枯期有效地保障能源供給安全和通道充分利用，將探索出一條清潔能源高效、安全、可持續(xù)的發(fā)展之路，構(gòu)建雅礱江流域多元清潔能源供應(yīng)體系。通過風(fēng)光水互補基地建設(shè)，避免了雅礱江流域豐富的風(fēng)能、太陽能資源再走現(xiàn)有部分地區(qū)“上網(wǎng)難、大量棄風(fēng)棄光”的老路。

4風(fēng)、光、水互補開發(fā)的初步設(shè)想

4.1出力特性分析

4.1.1水力發(fā)電。

雅礱江干流水力資源主要集中在兩河口以下的中下游河段，雅礱江干流兩河口以下至江口是我國能源發(fā)展規(guī)劃的十三大水電基地之一，共擬有13 級開發(fā)。雅礱江干流兩河口—江口河段梯級開發(fā)中有兩河口、錦屏一級和二灘三座大型水庫，調(diào)節(jié)庫容分別為65.6億m3、49.1億m3和33.7億m3，三大水庫總調(diào)節(jié)庫容達(dá)148.4億m3，對雅礱江干流徑流具有很好的調(diào)節(jié)能力，三大水庫建成后可使雅礱江干流梯級水電站群實現(xiàn)多年調(diào)節(jié)。

圖2所示為2020年錦屏一級、錦屏二級、官地、桐子林、官地等下游5個梯級建成時水力發(fā)電出力過程。

圖2　雅礱江梯級電站2020年預(yù)計出力過程

到2025年龍頭水庫兩河口建成后，流域調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步增強，水力發(fā)電出力過程見圖3。

圖3　雅礱江梯級電站2025年預(yù)計出力過程

4.1.2風(fēng)力發(fā)電

雅礱江流域風(fēng)電場風(fēng)能資源分布有明顯的季節(jié)性，風(fēng)速的季節(jié)變化直接造成了風(fēng)電場出力的季節(jié)性差異。雅礱江流域附近風(fēng)電場逐月特征出力統(tǒng)計見圖4。經(jīng)統(tǒng)計，各區(qū)域風(fēng)電場月平均出力的變化規(guī)律基本一致，一般11月～次年4月出力較大，7月～10月的出力較小。總體而言，風(fēng)電場的出力年內(nèi)變化呈冬春季大、夏秋季小的特點。

4.1.3太陽能發(fā)電

雅礱江流域太陽能資源年內(nèi)分布較為平均，因此,太陽能電站出力的季節(jié)性差異不明顯，逐月特征出力系數(shù)統(tǒng)計見圖5。經(jīng)統(tǒng)計，各太陽能電站月平均出力的變化規(guī)律基本一致，各季節(jié)出力變化不大，但也有冬季出力較大、夏季較小的特點。

圖4　雅礱江流域風(fēng)電場月出力系數(shù)變化曲線

圖5　雅礱江流域太陽能電站月出力系數(shù)變化曲線

4.2風(fēng)、光、水的互補特性

4.2.1年內(nèi)出力的互補性

風(fēng)電和水電的年內(nèi)出力呈現(xiàn)出明顯的互補性，水電非汛期風(fēng)電大發(fā)，水電汛期風(fēng)電平均出力只占裝機(jī)容量的10%以下。利用兩者的互補特性，可將電力打捆，充分利用水電輸出通道。光電的年內(nèi)各月差異較小，但也與水電呈現(xiàn)出一定的互補關(guān)系。雅礱江流域風(fēng)光水年內(nèi)出力過程見圖6。

圖6　雅礱江流域風(fēng)光水年內(nèi)出力曲線

4.2.2日內(nèi)出力的互補性

風(fēng)電和光電的日內(nèi)出力呈現(xiàn)出明顯的互補形式，光電出力為零時段風(fēng)電出力為峰值，風(fēng)、光之間在日內(nèi)形成較為統(tǒng)一的互補關(guān)系，見圖7。這種互補性體現(xiàn)了風(fēng)光水多種清潔能源互補的優(yōu)勢。

圖7　雅礱江流域風(fēng)光水日內(nèi)出力曲線

4.3風(fēng)、光、水互補清潔能源示范基地開發(fā)的初步方案

雅礱江流域風(fēng)能、太陽能資源整體規(guī)模約3 000萬kW。根據(jù)目前雅礱江流域水電開發(fā)進(jìn)程和各風(fēng)電、太陽能發(fā)電場址的建設(shè)條件，結(jié)合風(fēng)光水的互補特征，風(fēng)光水互補清潔能源示范基地先期開發(fā)對象宜選在雅礱江中下游涼山州、攀枝花境內(nèi)。先期依托雅礱江下游投產(chǎn)電站共開發(fā)風(fēng)電、光電約1 500萬kW。風(fēng)電、光電場址規(guī)劃位置見圖8。

4.4送出方案的初步考慮

目前雅礱江梯級電站送出通道仍有一定容量。根據(jù)雅礱江下游輸電能力，按棄風(fēng)、棄光率不超過5%考慮線路其輸送能力，經(jīng)分析計算，雅礱江下游水電送出通道可消納風(fēng)電和光電裝機(jī)容量總規(guī)模超過650萬kW。

2025年兩河口電站水庫發(fā)揮調(diào)節(jié)作用后，優(yōu)化了下游梯級電站出力過程，預(yù)計孟底溝、楊房溝、卡拉水電站亦將建成，雅礱江流域可利用的送出通道增加至1 960萬kW，根據(jù)雅礱江中下游梯級送出通道輸電能力，按棄風(fēng)、棄光率不超過5%其最大輸送能力分析計算，雅礱江中下游水電送出通道可消納風(fēng)電和光電裝機(jī)容量總規(guī)模超過1 300萬kW，達(dá)到千萬千瓦級以上。

5結(jié)語

雅礱江流域風(fēng)光水互補清潔能源示范基地具有較大的建設(shè)規(guī)模和良好的建設(shè)條件。通過風(fēng)光水互補清潔能源基地的建設(shè)，可以解決目前風(fēng)電、光電建設(shè)中并網(wǎng)難、棄風(fēng)棄光嚴(yán)重等問題，并有利于建設(shè)資源的綜合利用，節(jié)約建設(shè)和送電成本，可以在目前國家新能源開發(fā)“就近接入、就地消納”的基礎(chǔ)上探索一種新型的可再生能源協(xié)同開發(fā)模式，對解決風(fēng)電和光電送出和消納難題具有示范作用。

圖8　示范基地風(fēng)電、太陽能發(fā)電場址分布圖

收稿日期:2016-04-25

中圖分類號:TM614；TM615；TM612

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0105-04

作者簡介:

吳世勇(1965-)，男，四川仁壽人，博士研究生，教授級高工，副總經(jīng)理，從事水電及新能源規(guī)劃與技術(shù)管理工作;

周永(1979-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，高級工程師，副主任，從事水電及新能源規(guī)劃與技術(shù)管理工作;

王瑞(1987-)，男，山西忻州人，博士研究生，工程師，從事水電及新能源規(guī)劃與技術(shù)管理工作;

張恩銘(1993-)，男，湖南懷化人，碩士研究生，工程師，從事水電及新能源規(guī)劃與技術(shù)管理工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)