南疆四地州可靠電力供應(yīng)保障研究

劉亦嘉，段乃欣，胡 斌，范麗霞，楊攀峰，南亞林

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075；2.國家電網(wǎng)公司西北分部，西安 710048；3.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710065)

0 引 言

新疆地處西北邊陲，由于自然和歷史原因，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，基礎(chǔ)設(shè)施落后，尤其是南疆四地州深度貧困問題突出，攻堅(jiān)任務(wù)艱巨，是中國確定的“三區(qū)三州”集中連片深度貧困區(qū)域之一[1]。

隨著南疆煤改電工程實(shí)施及兵團(tuán)向南發(fā)展，南疆用電負(fù)荷今后將持續(xù)快速增長[2-3]；因煤炭資源匱乏，現(xiàn)有主力火電時(shí)常有出力不足的現(xiàn)象；并且晚高峰光伏發(fā)電不能穩(wěn)定出力。面對(duì)以上問題，急需研究新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用及網(wǎng)架構(gòu)筑方案，以提升南疆電網(wǎng)整體輸電能力，滿足南疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)可靠電力供應(yīng)的需求。

1 南疆四地州電網(wǎng)概況

1.1 南疆四地州電網(wǎng)現(xiàn)況及電力需求預(yù)測(cè)

新疆電網(wǎng)是世界上覆蓋面積最廣的220 kV區(qū)域性電網(wǎng)。南疆四地州電網(wǎng)主要由阿克蘇、喀克電網(wǎng)(喀什、克州)、和田電網(wǎng)組成，處于新疆電網(wǎng)的末端。2019年，南疆四地州電網(wǎng)現(xiàn)況接線如圖1所示[4-5]。

圖1 南疆四地州電網(wǎng)2019年地理接線圖

根據(jù)新疆電網(wǎng)相關(guān)規(guī)劃的負(fù)荷水平，綜合考慮自然負(fù)荷、煤改電用戶負(fù)荷和集中式煤改電負(fù)荷，“十四五”期間南疆四地州綜合負(fù)荷預(yù)測(cè)情況可分為高、中、低3個(gè)方案，電力需求綜合預(yù)測(cè)結(jié)果見表1～3。

表1 南疆四地州綜合負(fù)荷預(yù)測(cè)(高方案)

表2 南疆四地州綜合負(fù)荷預(yù)測(cè)(中方案)

表3 南疆四地州綜合負(fù)荷預(yù)測(cè)(低方案)

1.2 負(fù)荷特性分析

從近幾年年負(fù)荷特性來看，以往南疆四地州電網(wǎng)的最大負(fù)荷均出現(xiàn)在夏季的5-8月，最小負(fù)荷基本都出現(xiàn)在冬季的1—2月。2018年，煤改電工程開始全面實(shí)施后，四地州最大負(fù)荷發(fā)生時(shí)刻轉(zhuǎn)為12月。預(yù)計(jì)未來隨著煤改電負(fù)荷的發(fā)展，冬季采暖期間負(fù)荷會(huì)進(jìn)一步增大。

南疆四地州電網(wǎng)年負(fù)荷特性曲線見圖2～ 4。

圖2 阿克蘇電網(wǎng)年負(fù)荷特性圖

綜合考慮自然負(fù)荷、集中式采暖負(fù)荷、分散式采暖負(fù)荷需求及其特性后，得出中負(fù)荷水平下2022年和2025年冬季典型日負(fù)荷特性曲線如圖5～6。冬季典型日負(fù)荷特性呈現(xiàn)兩臺(tái)階特性，高臺(tái)階出現(xiàn)在晚上20時(shí)至次日凌晨2時(shí)，低臺(tái)階負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)、由凌晨3時(shí)持續(xù)到晚上19時(shí)。

圖3 喀克電網(wǎng)年負(fù)荷特性圖

圖4 和田電網(wǎng)年負(fù)荷特性圖

圖5 2022年冬季典型日負(fù)荷特性圖

圖6 2025年冬季典型日負(fù)荷特性圖

1.3 電源出力特性分析

(1) 水電出力特性

本次研究選取了南疆6大流域具有代表性的水電站進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，夏季水電出力較大，發(fā)電量占全年的70%以上，尤其是7-8月占全年的35%以上。為進(jìn)一步分析南疆主要水電的調(diào)節(jié)性能，選取了2019年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行特性分析，從月出力系數(shù)來看，夏季水電出力系數(shù)要大于春季和冬季；從日出力系數(shù)來看，夏季來水豐富，水電日間調(diào)節(jié)性能好，冬季來水減少，水電出力系數(shù)整體較低，日間調(diào)節(jié)能力較差。

(2) 光伏出力特性

光伏的年利用小時(shí)數(shù)約為1 488 h，從光伏的月出力特性看，各月的平均出力在0.12～0.20之間，其中7月平均出力最大，12月平均出力最小。全年分時(shí)段光伏平均出力的最大值為0.58，大光日光伏電站最大出力約為0.72，小光日光伏電站最大出力約為0.24。

2 電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃及電力平衡分析

2.1 南疆四地州電網(wǎng)規(guī)劃

2019年，南疆四地州電網(wǎng)之間通過750 kV和220 kV線路相互聯(lián)系。阿克蘇電網(wǎng)通過庫車-阿克蘇750 kV單回+庫車-龜茲220 kV雙回與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)；疆南(喀克)電網(wǎng)與阿克蘇電網(wǎng)通過阿克蘇-巴楚750 kV單回+柯坪-金鹿220 kV雙回聯(lián)絡(luò)；和田電網(wǎng)與疆南(喀克)電網(wǎng)通過莎車-和田750 kV單回+葉城-皮山220 kV雙回聯(lián)絡(luò)。2019年底新疆750 kV電網(wǎng)接線見圖7。

圖7 2019年底新疆750 kV電網(wǎng)接線示意圖

根據(jù)新疆電網(wǎng)2020年年度運(yùn)行方式報(bào)告[6]相關(guān)結(jié)論，莎車和田斷面受電能力約為580 MW，向主網(wǎng)送電能力約為280 MW；阿克蘇巴楚斷面受電能力約為800 MW，向主網(wǎng)送電能力約為550 MW；庫車阿克蘇斷面受電能力約為1 000 MW，向主網(wǎng)送電能力約為900 MW。

2021年，規(guī)劃建成吐魯番-巴州-庫車2回、莎車-和田2回750 kV輸變電工程，喀什、和田750 kV主變擴(kuò)建工程，南疆四地州電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)系進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2 電力平衡分析

電力平衡原則：① 風(fēng)電和光伏加裝儲(chǔ)能裝置后，按照裝機(jī)容量的10%參加電力平衡；② 光熱電源按照裝機(jī)容量的50%參加電力平衡；③ 網(wǎng)內(nèi)總備用按年最高負(fù)荷的13%計(jì)算。

南疆四地州分區(qū)電力平衡結(jié)果匯總見表4。根據(jù)電力平衡結(jié)果，冬季水電出力受阻，疊加采暖負(fù)荷后，南疆四地州電力嚴(yán)重不足。低負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力缺額約1 480～1 550 MW；中負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力缺額約2 530～2 670 MW；高負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力缺額約4 110～4 340 MW。

表4 南疆四地州電力平衡結(jié)果匯總表

3 南疆四地州電力保障方案

3.1 方案思路

截至2019年底，建成庫車-和田第一回750 kV交流輸電通道，向三地州送電能力約800 MW，向和田送電能力約580 MW；規(guī)劃到2021年，建成庫車-和田第二回750 kV交流輸電通道，向三地州送電能力增加1 680 MW，向和田電網(wǎng)送電能力增加650 MW；如繼續(xù)建設(shè)庫車-和田第三回750 kV交流輸電通道，向三地州送電能力增加820 MW，向和田電網(wǎng)送電能力增加不大于200 MW。

由于新疆主網(wǎng)距南疆四地州距離遠(yuǎn)，四地州電網(wǎng)支撐電源不足，建成庫車-和田第一、二回750 kV交流輸電通道后，提高了和田地區(qū)受電能力，但2回750 kV交流線路送電能力僅有1 200 MW，繼續(xù)發(fā)展交流輸電通道，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性均較差。因此有必要對(duì)比研究多種電力保障方案。本次研究提出電化學(xué)儲(chǔ)能[7-8]、新建火電方案、交流網(wǎng)架加強(qiáng)方案、新建柔性直流輸電工程[9-10]等4類方案并進(jìn)行分析。

3.2 電力保障方案

(1) 儲(chǔ)能方案

根據(jù)四地州電網(wǎng)冬季負(fù)荷特性和電力需求，在和田新建儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)能規(guī)?？筛鶕?jù)需要靈活確定，為與其它方案比較，暫考慮650 MW，儲(chǔ)能時(shí)長按照6 h考慮，儲(chǔ)能方案示意如圖8。

圖8 儲(chǔ)能方案示意圖

(2) 新建火電方案

在和田地區(qū)新建2×350 MW火電電源，暫考慮以220 kV電壓等級(jí)兩回出線接入和田750 kV變電站220 kV側(cè)。新建火電方案示意如圖9。

圖9 新建火電方案示意圖

(3) 交流電網(wǎng)加強(qiáng)方案

新建且末、民豐750 kV變電站，新增主變?nèi)萘? 000 MVA；新建若羌-且末-民豐-和田750 kV線路，線路總長896.5 km。交流電網(wǎng)加強(qiáng)方案示意如圖10。

圖10 交流電網(wǎng)加強(qiáng)方案示意圖

(4) 柔性直流方案

新建庫車-和田柔性直流工程，電壓等級(jí)±350 kV，輸送容量1 000 MW。建設(shè)直流輸電線路約645 km?！?50 kV庫車-和田柔性直流輸電工程交流網(wǎng)側(cè)電壓采用220 kV，建設(shè)庫車換流站、和田換流站，220 kV出線規(guī)模本期均暫按3回考慮，分別接入庫車、和田750 kV變電站220 kV側(cè)。柔性直流方案示意如圖11所示。

圖11 柔性直流方案示意圖

3.3 方案比選

(1) 總投資及年費(fèi)用估算

計(jì)算各方案投資及年費(fèi)用時(shí)，考慮以下原則：

1) 儲(chǔ)能電站投資約1 000元/kWh，火電機(jī)組投資分別為4 500、3 500元/kWh，交流電網(wǎng)工程參照以往750 kV輸變電工程造價(jià)水平，柔直工程投資暫按3 060元/kWh；

2) 儲(chǔ)能電站使用壽命為10 a，火電、電網(wǎng)工程使用壽命25 a；

3) 基準(zhǔn)貼現(xiàn)率：儲(chǔ)能、電網(wǎng)工程6.5%，火電工程8%；

4) 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率：儲(chǔ)能0.5%、電網(wǎng)工程2.5%，火電工程4%；

5) 火電利用小時(shí)數(shù)3 000 h，和田火電、北疆火電標(biāo)煤價(jià)格分別按照700、300元/t；

6) 根據(jù)全疆電力平衡情況分兩種情景分析：情景1，全疆電力富裕，不需要補(bǔ)充火電裝機(jī)；情景2，全疆電力不足，需要補(bǔ)充火電裝機(jī)投資。各方案總投資及年費(fèi)用見表5～6。

表5 各方案總投資及年費(fèi)用(情景1)

表6 各方案總投資及年費(fèi)用(情景2)

(2) 輸電能力分析

各方案實(shí)施后三地州及和田電網(wǎng)受電、送電能力情況見表7所示。

表7 各方案提升受電、送電能力表

(3) 國民經(jīng)濟(jì)分析

各方案國民經(jīng)濟(jì)分析見表8～9。在情景1下，柔直方案提升電網(wǎng)送受電雙向能力的單位千瓦投資及年費(fèi)用最低。在情景2下，考慮到補(bǔ)充火電電源投資后，由于儲(chǔ)能可替代火電裝機(jī)，從電網(wǎng)送受電能力單位千瓦投資及年費(fèi)用來看，儲(chǔ)能方案最優(yōu)，柔直方案次之。

表8 各方案提升單位輸電能力經(jīng)濟(jì)比較(情景1)

表9 各方案提升單位輸電能力經(jīng)濟(jì)比較(情景2)

(4) 盈利能力分析

當(dāng)不考慮中央預(yù)算內(nèi)資金補(bǔ)助時(shí)，各方案每年需要補(bǔ)助分別為火電方案24 889萬元，柔直方案29 394萬元，交流方案31 135萬元，儲(chǔ)能方案47 715萬元。柔直方案及交流方案補(bǔ)助的通過輸配電價(jià)形式體現(xiàn)，火電方案及儲(chǔ)能方案可通過容量電價(jià)形式體現(xiàn)，各方案最終都需要反映在終端電價(jià)水平上。

(5) 適應(yīng)性分析

儲(chǔ)能方案建設(shè)靈活、具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展存在不確定性，另外儲(chǔ)能方案能否充分發(fā)揮容量效應(yīng)，還需結(jié)合電力供需情況進(jìn)一步研究；火電方案可提高本地供電能力、對(duì)電網(wǎng)具有較強(qiáng)支撐作用，但是火電建廠條件差、利用小時(shí)數(shù)低，企業(yè)建設(shè)積極性不高；交流方案前期對(duì)電網(wǎng)輸電能力提升有限、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差，但具有較強(qiáng)可拓展性，有利于南疆電網(wǎng)中長期發(fā)展；柔性直流輸電在送電距離遠(yuǎn)、電壓支持能力差的電網(wǎng)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在保障受電的同時(shí)還能提升送出能力，為未來和田地區(qū)發(fā)展水電和光伏創(chuàng)造條件，適應(yīng)南疆電網(wǎng)中長期發(fā)展需要，隨著柔性直流技術(shù)的發(fā)展及造價(jià)水平下降，柔性直流成為可行的備選方案。

4 結(jié) 論

(1) 負(fù)荷及電源

針對(duì)煤改電不同實(shí)施及使用程度，分別提出高、中、低3個(gè)負(fù)荷水平，預(yù)計(jì)南疆四地州2022年最大發(fā)電負(fù)荷為6 890～9 230 MW，2025年將達(dá)到8 460～11 080 MW。預(yù)計(jì)2025年南疆四地州總裝機(jī)容量為17 218 MW，其中火電7 394 MW、水電4 873 MW、光伏4 951 MW。

(2) 電網(wǎng)發(fā)展及送受電能力

規(guī)劃至2021年，建成庫車-阿克蘇-巴楚2回、莎車-和田2回750 kV輸變電工程后，電網(wǎng)向南通過雙回750 kV和雙回220 kV鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)延伸至和田地區(qū)。2021年，庫車-阿克蘇斷面受電能力3 330 MW、向主網(wǎng)送電能力2 380 MW，阿克蘇-巴楚斷面受電能力2 680 MW、向主網(wǎng)送電能力2 100 MW，莎車-和田斷面受電能力1 230 MW、向主網(wǎng)送電能力820 MW。

(3) 南疆四地州電力供需平衡

低負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力〗缺額約1 480～1 550 MW；中負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力缺額約2 530～2 670 MW；高負(fù)荷水平下，南疆四地州2022—2025年電力缺額約4 110～4 340 MW。

(4) 南疆四地州電力供應(yīng)方案

由于居民使用煤改電設(shè)備的積極性較低，2021年建成庫車-和田第1、第2回750 kV交流輸電通道后，基本可以滿足中方案負(fù)荷水平下的電力需求(煤改電使用率50%)。在高負(fù)荷水平下，為提高南疆四地州電力供應(yīng)能力，應(yīng)從電源、電網(wǎng)等多方面著手規(guī)劃：① 在和田布局2×350 MW熱電機(jī)組，就地滿足電力需求、同時(shí)提高電網(wǎng)受電能力；② 適時(shí)建設(shè)巴州-鐵干里克-若羌-且末-民豐750 kV輸變電工程，在提升四地州電網(wǎng)整體受電能力的同時(shí)，兼顧環(huán)塔里木盆地新能源外送；③ 在大電網(wǎng)未覆蓋區(qū)域，采用以水電-光伏互補(bǔ)、光伏-儲(chǔ)能互補(bǔ)為主要形式的微電網(wǎng)，解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題；④ 根據(jù)遠(yuǎn)期南疆電力供需情況，適時(shí)開展柔性直流輸電工程研究工作。