風(fēng)電送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站的規(guī)模論證

吳來群,顧甜甜,王昭亮

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

1 概 述

近年來中國風(fēng)電、光電發(fā)展比較迅速，同時也帶來了棄風(fēng)限電問題。資料顯示[1]2016年棄風(fēng)電量497億kWh，較2015年的339億kWh上漲46.6%。其中，甘肅(43%)、新疆(38%)、吉林(30%)、內(nèi)蒙古(21%)、黑龍江(19%)、寧夏(13%)合計棄風(fēng)電量為433億kWh，約占總棄風(fēng)電量的87.1%，棄風(fēng)限電比例較大的主要是三北地區(qū)風(fēng)能資源較好的幾個省區(qū)。

同時為實現(xiàn)中國2020、2030 年非化石能源占一次能源消費比重分別達到15%、20%的能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，規(guī)劃2020年全國風(fēng)電裝機要達到210 GW。如此大規(guī)模的風(fēng)電需要借助特高壓跨省區(qū)輸電通道，統(tǒng)籌風(fēng)、光、水、火等各類電源，最大限度地輸送可再生能源，促進風(fēng)電消納。本文旨在根據(jù)抽水蓄能電站的功能特點，以哈密風(fēng)電基地為例，通過分析計算，探索抽水蓄能電站在風(fēng)電送端電網(wǎng)能夠發(fā)揮的作用與效益，推動“三北”地區(qū)風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)和高效利用。

2 哈密能源基地概況

哈密主要能源資源有煤炭、石油、天然氣及風(fēng)能、太陽能等可再生能源。

哈密煤炭資源儲量大、品種多、易開采，具有低硫、低磷、低灰粉、高發(fā)熱量“三低一高”的特點，預(yù)測資源量5 708億t，占全國預(yù)測資源量(4.55萬億t)的12.5%,占新疆預(yù)測資源量(1.8萬億t)的31.7%，居全疆第一位。

哈密風(fēng)能資源十分豐富，主要分布在哈密東南部風(fēng)區(qū)、三塘湖-淖毛湖風(fēng)區(qū)、十三間房風(fēng)區(qū)，技術(shù)開發(fā)量達到75 498 MW，約占全疆技術(shù)開發(fā)量的62.9%，具備開發(fā)建設(shè)大型風(fēng)電場的條件[2]。其中：哈密東南部風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達到16 014 MW，三塘湖-淖毛湖風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達到48 974 MW，十三間房風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達到10 510 MW。

哈密日照充足，太陽能資源豐富，是新疆太陽能資源最好的地區(qū)，年平均太陽總輻射量為6 214.66 MJ/m2，全年日照時數(shù)3 170～3 380 h，是全國日照時數(shù)充裕的地區(qū)之一，具備太陽能發(fā)電的優(yōu)越條件。

哈密電網(wǎng)無規(guī)劃水電，網(wǎng)內(nèi)已建、在建及規(guī)劃的火電總裝機容量11 845 MW。哈密風(fēng)電基地規(guī)劃風(fēng)電近期(2020年)開發(fā)規(guī)模為13 835 MW，遠期開發(fā)規(guī)模將達到20 585 MW；光電2020年開發(fā)規(guī)模將達到6 050 MW，2030年達到12 250 MW；基地還規(guī)劃有一定規(guī)模的光熱發(fā)電。

3 規(guī)模比較方法

風(fēng)電送端基地建設(shè)抽水蓄能電站的必要性和規(guī)模論證，主要包括送端基地電源組合方案的選擇和裝機規(guī)模的經(jīng)濟比較。抽水蓄能電站不同裝機方案容量上的差別，應(yīng)選擇具有相應(yīng)功能的其他電源容量予以補充，并考慮發(fā)揮儲能作用而減少棄風(fēng)電量的差異，計算各方案的總費用現(xiàn)值，以費用現(xiàn)值最小的方案為優(yōu)選方案[3]。

3.1 模擬運行試算

(1) 電源組合方案

從風(fēng)力發(fā)電的基本原理、風(fēng)的自然特性入手，分析各風(fēng)電場的地理等差異及風(fēng)電基地中各測風(fēng)塔資料的代表性，研究計算基地各風(fēng)電場的實際出力過程，再對各風(fēng)電場的實際出力過程進行疊加。有了風(fēng)電基地的出力過程，再結(jié)合電力系統(tǒng)負荷側(cè)、各類電源側(cè)、電網(wǎng)特性，分析風(fēng)電出力特性[4]。

對風(fēng)電送端，從風(fēng)電對特高壓直流輸電平臺可能產(chǎn)生的影響分析入手，以哈密基地為例，分析研究輸電平臺可能搭建方案。通過模擬運行試算，分析其輸電量及構(gòu)成、風(fēng)電利用率、受端高峰時段保證率、輸電利用小時、耗煤量等指標(biāo)，作為計算各方案費用現(xiàn)值推薦適應(yīng)基地外送的電源組合方式及比例的基礎(chǔ)。

哈密煤炭資源儲量大，風(fēng)能、太陽能資源豐富，根據(jù)能源資源條件、開發(fā)規(guī)劃及區(qū)外送電規(guī)劃，哈密基地外送的電源組合方案主要有：① 風(fēng)電+光電+火電送出；② 風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能電站送出2種模式。通過有無抽水蓄能電站2種方案的模擬運行試算，對比分析風(fēng)電送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站的效益。由于光熱發(fā)電具有儲熱功能，自身具有一定的調(diào)節(jié)，且目前規(guī)劃規(guī)模較小，在后續(xù)規(guī)劃規(guī)模較大時需要研究其對電網(wǎng)或送端平臺的影響。

(2) 邊界條件及方法

模擬運行試算主要根據(jù)風(fēng)電場裝機規(guī)模初擬配套火電和抽水蓄能的裝機容量方案，擬定多個方案進行比較。本文采用的模擬運行試算依據(jù)風(fēng)電一完整年逐10 min出力過程，結(jié)合輸電規(guī)模、受端電網(wǎng)、火電運行方式等約束條件，以可輸送風(fēng)電電量最大化為目標(biāo)，進行逐時段模擬計算，主要統(tǒng)計風(fēng)電、火電出力特性及電量，抽水蓄能電站抽水電量、發(fā)電量，風(fēng)電無效電量，火電煤耗等。模擬運行試算主要考慮以下邊界條件：

1) 各方案中各電源有效裝機容量之和應(yīng)小于或等于輸電規(guī)模。

2) 綜合調(diào)峰率。根據(jù)擬采用燃煤火電機組技術(shù)參數(shù)擬定，一般可采用40%～50%，配套煤電的綜合調(diào)峰率采用50%，抽水蓄能200%。

3) 燃煤火電升降負荷速度。一般采用每10 min升降負荷速度不超過10%。為避免短時間內(nèi)火電機組出力呈現(xiàn)鋸齒形變化，火電機組在升負荷或降負荷到一定負荷時，需維持運行一段時間方可降負荷或升負荷。

4) 煤耗特性。調(diào)查統(tǒng)計不同燃煤火電機組煤耗曲線，考慮煤電不同負荷率時的相應(yīng)煤耗率，若本時段負荷有升降，增加考慮升降負荷需增加的煤耗。

5) 輸電線路負荷率：考慮輸電平臺對受端電網(wǎng)一定的適應(yīng)性，初步按照2個時段限制輸電線路的輸電容量。低谷時段最大輸電容量為線路輸電能力的70%；其他時段最大為輸電線路滿負荷運行。

6) 抽水蓄能電站抽水運行工況最小負荷應(yīng)等于單機額定容量，其抽水負荷按單機容量呈階梯狀變化，最大負荷不大于本月開機容量；抽水蓄能電站發(fā)電工況出力可連續(xù)變化，但最大出力應(yīng)不大于本月開機容量。

7) 抽水蓄能電站的可蓄能量按照抽水蓄能電站裝機容量與可連續(xù)滿發(fā)時間的乘積計算。抽水蓄能電站連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)根據(jù)配合運行計算、抽水蓄能經(jīng)濟指標(biāo)等經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較擬定。

8) 抽水蓄能電站綜合效率。根據(jù)電站的工程布置特點、機組運轉(zhuǎn)特性曲線等因素綜合擬定，一般采用75%～80%，本電站采用75%。

9) 檢修安排。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，風(fēng)電機組檢修分半年檢和全年檢，均采用逐臺檢修，半年檢每臺檢修時間約1 h，全年檢每臺檢修時間約3 h，對于規(guī)模較小風(fēng)電場，可不考慮其檢修影響，大型風(fēng)電基地機組檢修應(yīng)盡可能在風(fēng)速較小時段進行；燃煤火電、抽水蓄能均按每臺機組每年檢修一次計算，燃煤火電機組每次檢修時間為一個半月，盡量安排在風(fēng)電出力較大月份；抽水蓄能機組每次檢修時間為1個月，盡量安排在風(fēng)電出力較小且較平穩(wěn)月份。燃煤火電及抽水蓄能應(yīng)扣除當(dāng)月相應(yīng)檢修容量后作為開機容量參與配合運行。

3.2 經(jīng)濟比較

在進行方案經(jīng)濟比較時，可根據(jù)送端基地的能源資源、電源結(jié)構(gòu)的特點，選擇合適的替代電源，根據(jù)哈密基地的特點，替代電源選擇為燃煤火電。因基地與受端電網(wǎng)距離較遠，抽水蓄能電站或者燃煤火電的容量效益發(fā)揮均受一定影響，容量替代系數(shù)可按1考慮。

替代電源費用計算中，為使方案間具有可比性，在計算火電電源投資費用時，要考慮為減少火電機組污染物的排放所采取的措施需要的投資。計算替代火電的燃料費用時不能單純考慮燃煤價格，還要考慮計入對環(huán)境保護的影響。

對不同規(guī)模抽水蓄能電站方案進行分析計算，得出對應(yīng)每個方案的受端電網(wǎng)不同類型機組裝機容量組成、燃料消耗和總費用現(xiàn)值等指標(biāo)。

4 哈密基地計算實例

4.1 “風(fēng)電+光電+火電”方案

(1) 方案擬定的原則

輸電線路容量：根據(jù)前期工作情況，輸電容量按±800 kV特高壓直流線路輸送容量8 000 MW考慮。

風(fēng)電開發(fā)方案：不考慮抽水蓄能的方案，風(fēng)電按5 000 MW、8 000 MW和10 000 MW三個規(guī)?？紤]：。

光電開發(fā)方案：目前新疆開發(fā)并網(wǎng)光伏電站的主要思路還是分散開發(fā)，就近接入電網(wǎng)，電量就地消納的模式。太陽能發(fā)展規(guī)劃中，哈密基地規(guī)劃的光伏電站容量不大，2015年500 MW左右，2020年約2 000 MW，光電組合中光電開發(fā)規(guī)模根據(jù)各方案送出能力，適當(dāng)考慮一定規(guī)模協(xié)同送出。

火電裝機容量：考慮到哈密基地風(fēng)能資源豐富，為加大風(fēng)能、太陽能資源開發(fā)和送出，可考慮降低火電裝機容量方案。哈密抽水蓄能電站建成后，可進一步提高輸電線路有效容量，降低火電裝機容量方案按5 000 MW考慮。

(2) 風(fēng)電+光電+火電5 000 MW方案

各方案與風(fēng)電+火電8 000 MW方案的主要區(qū)別是火電裝機容量按5 000 MW考慮，并適當(dāng)考慮一定規(guī)模的光電，輸電線路容量、火電調(diào)峰率均相同，計算結(jié)果見表1[5]。

表1 “風(fēng)電+光電+火電”方案試算結(jié)果表(風(fēng)電+光電+火電5000 MW)

從計算結(jié)果可以看出，此方案特點如下：

1) 火電裝機容量小于輸電線路容量的方案，線路有效容量較低，僅等于火電裝機容量；

2) 風(fēng)電裝機5 000 MW及8 000 MW的方案送出風(fēng)(光)電電量利用率較高，分別為95.14%和88.53%，風(fēng)電裝機10 000 MW的方案送出風(fēng)(光)電電量利用率僅為80.57%；

3) 輸送電量中風(fēng)電、光電電量比例占輸電電量比例在27.40%～40.91%，輸送電量中可再生能源比例隨著風(fēng)電裝機容量的增大有所提高。

4.2 “風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能”方案

“風(fēng)電+光電+火電”的送端電源組合方案技術(shù)上基本滿足哈密風(fēng)電基地目前規(guī)劃風(fēng)電的送出需求，但此方案的一部分輸電容量不能作為受端電力市場的有效容量，不能發(fā)揮應(yīng)有的容量效益[6]。在遠期送端電源組合方案中，考慮在“風(fēng)電+光電+火電”方案的基礎(chǔ)上增加抽水蓄能電站，既可提高輸電線路有效容量，又能提高風(fēng)電、光電等可再生能源電量利用率[7]。

在相同風(fēng)(光)電規(guī)?；A(chǔ)上，根據(jù)抽水蓄能電站不同開發(fā)規(guī)模，組合了多種方案進行模擬計算[8]，結(jié)果見表2。

表2 “風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能”方案試算結(jié)果表

可以看出，配置抽水蓄能電站，可向受端電網(wǎng)高峰時期提供相應(yīng)的有效容量，低谷時期減少送出容量，更能適應(yīng)受端電網(wǎng)的峰谷變化，相應(yīng)減少了受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力，節(jié)省了受端電網(wǎng)的調(diào)峰電源規(guī)模；此外，由于抽水蓄能電站具有的快速反應(yīng)能力，使得輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性大大提升。同時風(fēng)(光)電電量利用率可由88.53%提高至93.84%(多利用風(fēng)、光電電量6.61億～9.17億kWh)，輸送電量中風(fēng)電電量比例由37.8%提高至39.0%。

4.3 方案經(jīng)濟比較

按照總費用現(xiàn)值法進行方案經(jīng)濟比較，社會折現(xiàn)率取8%；燃煤火電的投資采用4 000元/kW，建設(shè)期3 a，分年投資比例為30%、40%、30%；抽水蓄能電站各裝機容量方案投資在5 200～5 800 元/kW之間；建設(shè)期7 a，分年投資按15%、17%、17%、17%、17%、12%、5%考慮[9]；燃煤火電運行費率取4.5%、抽水蓄能電站運行費率取2.5%；標(biāo)煤價1 000元/t。各方案總費用現(xiàn)值計算成果見表3。

表3 抽水蓄能電站規(guī)模方案比較表

可以看出，在同等程度滿足受端電力系統(tǒng)要求的情況下，輸電平臺電源組合方案中風(fēng)電8 000 MW、抽水蓄能電站規(guī)模為1 400 MW時，總費用現(xiàn)值最小。因此，哈密能源基地單個±800 kV直流外送輸電平臺中風(fēng)電合理規(guī)模在8 000 MW左右，此時風(fēng)(光)電電量利用比例均在90%以上，抽水蓄能電站合理的配置規(guī)模約為1 400 MW左右[10]。

5 結(jié) 語

(1) 抽水蓄能電站是外送電源的關(guān)鍵組成部分。抽水蓄能、風(fēng)電、光電、火電等多種電源合理組合形成“多能互補”的平臺，能夠取長補短，發(fā)揮各類電源的優(yōu)勢，抽水蓄能電站具有發(fā)電和抽水的雙重功能，能夠充分發(fā)揮輸電通道的容量效益。高峰時期可向受端電網(wǎng)提供相應(yīng)的有效容量，低谷時期減少送出容量，能更好適應(yīng)受端電網(wǎng)的峰谷變化，相應(yīng)減少了受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力，節(jié)省受端電網(wǎng)的調(diào)峰電源規(guī)模，同時還能提高輸電線路經(jīng)濟性。

(2) 與受端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站相比，送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站能更好發(fā)揮儲能效益。在風(fēng)電出力較大時，抽水蓄能電站作水泵工況抽水運行吸納棄風(fēng)電量，當(dāng)風(fēng)電出力較小或受端電網(wǎng)負荷高峰時，抽水蓄能電站發(fā)電運行，將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為峰荷電量。分析計算可知，哈密基地建設(shè)1 000～1 800 MW抽水蓄能電站配合8 000 MW規(guī)模的風(fēng)電送出，風(fēng)(光)電電量利用率可由88.53%提高至93.84%，多利用風(fēng)、光電電量6.61億～9.17億kWh，節(jié)約標(biāo)煤約29萬t，輸送電量中風(fēng)電電量比例由37.8%提高至39.0%。

(3) 風(fēng)電、光電的出力變化頻繁而劇烈，抽水蓄能電站可以平滑風(fēng)電、光電的出力過程，減輕風(fēng)、光電出力波動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響。