黃河上游水電開(kāi)發(fā)與水風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)研究

謝小平

（國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，青海省西寧市 810008）

1 黃河上游青海清潔能源規(guī)劃與開(kāi)發(fā)利用

1.1 黃河上游水電資源的建設(shè)成就

規(guī)劃布局引領(lǐng)資源有序發(fā)展。20世紀(jì)50年代，全國(guó)人大批準(zhǔn)了黃河上游龍羊峽—青銅峽河段綜合利用規(guī)劃，拉開(kāi)了黃河上游水電建設(shè)的序幕，鹽鍋峽、青銅峽、劉家峽、龍羊峽、李家峽、公伯峽、拉西瓦、積石峽等水電站工程相繼建成投產(chǎn)。1990年國(guó)家提出搶建2000萬(wàn)kW的中型水電站，龍羊峽—青銅峽河段的調(diào)整規(guī)劃增加了一批中型水電，截至2010年，原規(guī)劃的25座大中型水電站除黑山峽河段、山坪水電站外全部建成投產(chǎn)。截至2021年底，黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司班多至青銅峽河段水電站裝機(jī)容量1125.86萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量401.45億kW·h，多年平均利用小時(shí)數(shù)3808h。龍羊峽水電站1987年投產(chǎn)時(shí)，以大壩最高、庫(kù)容最大、單機(jī)容量最大“三最”代表了我國(guó)水電站的筑壩水平和裝備制造水平。李家峽水電站1997年投產(chǎn)時(shí)以國(guó)內(nèi)最高的雙曲拱壩、雙排機(jī)組布置、蒸發(fā)冷卻技術(shù)、最大的單機(jī)容量代表了同時(shí)代的國(guó)內(nèi)裝備制造和筑壩技術(shù)水平。公伯峽水電站建設(shè)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)施工管理代表了時(shí)代水平，建成后囊括了國(guó)家環(huán)境友好工程獎(jiǎng)、中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)、國(guó)優(yōu)金獎(jiǎng)、新中國(guó)成立60年百項(xiàng)工程獎(jiǎng)、國(guó)優(yōu)金獎(jiǎng)設(shè)立30年經(jīng)典工程獎(jiǎng)等全部國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)。拉西瓦水電站2009年投產(chǎn)發(fā)電，是我國(guó)北方地區(qū)黃河流域規(guī)模最大的水電站，也是同期國(guó)內(nèi)250米級(jí)高拱壩、單機(jī)容量最大，并稱(chēng)世界三大巨型水電工程之一。

水電資源開(kāi)發(fā)利用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展協(xié)調(diào)發(fā)展。高壩大庫(kù)的建設(shè)，確保了黃河安瀾。防洪、防凌、供水、發(fā)電效果顯著。大型水電站建設(shè)促進(jìn)我國(guó)電力工業(yè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展，220kV、330kV、500kV、750kV電壓等級(jí)輸電線路及其電氣設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，單機(jī)32萬(wàn)、40萬(wàn)、60萬(wàn)、70萬(wàn)、80萬(wàn)、100萬(wàn)kW水輪發(fā)電機(jī)組相繼投行。水電站筑壩水平、施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平日益提高，不斷創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，我國(guó)成為名副其實(shí)的水電強(qiáng)國(guó)。流域梯級(jí)電站的調(diào)度能力、調(diào)度現(xiàn)代化水平不斷提高，流域水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)能力大幅度提升，洪水資源化利用水平不斷提高。

科技創(chuàng)新促進(jìn)水電行業(yè)健康發(fā)展。復(fù)雜地質(zhì)條件下雙曲拱壩力學(xué)計(jì)算方法的研究應(yīng)用；復(fù)雜地質(zhì)條件下灌漿材料與灌漿技術(shù)的研究應(yīng)用；巖質(zhì)高邊坡變形機(jī)理分析與研究方法在水電站工程中的應(yīng)用；高地應(yīng)力區(qū)基礎(chǔ)開(kāi)挖防止基巖回彈控制技術(shù)；庫(kù)岸高速滑坡機(jī)理分析與涌浪高度分析計(jì)算方法的研究應(yīng)用；峽谷地區(qū)機(jī)組采用雙排布置形式；豎井式水平旋流消能工的應(yīng)用；混凝土面板堆石壩采用掩埋式電站進(jìn)水口形式；鑲嵌組合壩首次在百米級(jí)大壩中的應(yīng)用；壩后背管技術(shù)的應(yīng)用；雙曲薄拱壩防止壩體裂縫的綜合技術(shù)措施；混凝土面板堆石壩大壩填筑料利用開(kāi)挖料筑壩的多組分軟巖筑壩的快速檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用；反拱水墊塘技術(shù)應(yīng)用；利用梯級(jí)水電站調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水電站零流量截流；大噸位預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)應(yīng)用；250米級(jí)高落差金屬封閉氣體絕緣管道輸電線路的采用；發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用；大直徑壓力鋼管整體卷制技術(shù)。

1.2 黃河上游青海境內(nèi)光伏電站發(fā)展回顧

青海的光照資源和荒漠化土地資源極為豐富，約10萬(wàn)km2的荒漠化土地，太陽(yáng)年平均輻照量5400～7200MJ/m2，按照目前的晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，可開(kāi)發(fā)的裝機(jī)容量達(dá)到40億kW，年發(fā)電量約為7.2萬(wàn)億kW·h。青海經(jīng)過(guò)十多年光伏電站開(kāi)發(fā)建設(shè)，持續(xù)引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向，積累了豐富的建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)。首次在全球建設(shè)了單體20萬(wàn)kW的電站，將光伏電站的建設(shè)規(guī)模提高了10倍，為大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站建設(shè)提供了借鑒。首次將組串式逆變器應(yīng)用到大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站。首次提出智能光伏電站的概念，并成功將4G、電力載波、藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用到光伏子陣。首次將光伏電站建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的理念應(yīng)用到光伏電站的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)，多項(xiàng)技術(shù)的綜合運(yùn)用顛覆了傳統(tǒng)光伏電站的設(shè)計(jì)理念。首次提出水光互補(bǔ)的理念并成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了電性能之間互補(bǔ)，改變了光伏電是垃圾電的傳統(tǒng)觀念。首次提出了水風(fēng)光互補(bǔ)的多能互補(bǔ)理念并開(kāi)展深入研究，規(guī)劃了青海海南、海西兩個(gè)“千萬(wàn)千瓦級(jí)”多能互補(bǔ)基地，使之上升為國(guó)家的可再生能源規(guī)劃并實(shí)施，國(guó)家推廣新能源基地化建設(shè)模式。首次提出并實(shí)施了“五統(tǒng)一”基地建設(shè)模式，“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一征地、統(tǒng)一報(bào)批、基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”的基地化建設(shè)管理新模式。首次將N型雙面組件、perc雙面組件+平單軸產(chǎn)品應(yīng)用到大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站之中，這兩種產(chǎn)品+平單軸成為光伏電站的主流配置。首次提出光伏+儲(chǔ)能，建成20MW/16MW·h的儲(chǔ)能試驗(yàn)實(shí)證基地，同時(shí)提出了儲(chǔ)能產(chǎn)品集中式、分布式、分散式布置的概念。首次提出模塊化、裝配式光伏電站的概念并開(kāi)展產(chǎn)品研發(fā)，大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝工作量和開(kāi)挖工程量、大幅度減少了現(xiàn)場(chǎng)的安裝缺陷。

1.3 光伏電站開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系

青藏高原是地球第三極，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，一旦破壞難以恢復(fù)[1-3]。習(xí)近平總書(shū)記參加十二屆全國(guó)人大四次會(huì)議青海代表團(tuán)的審議時(shí)強(qiáng)調(diào)，一定要生態(tài)保護(hù)優(yōu)先，扎扎實(shí)實(shí)推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，像保護(hù)眼睛一樣保護(hù)生態(tài)環(huán)境，像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和生活方式，保護(hù)好三江源，保護(hù)好“中華水塔”，確?！耙唤逅驏|流”。要正確處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，牢固樹(shù)立保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力、改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力的理念。習(xí)近平總書(shū)記指出，進(jìn)入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局，青海的生態(tài)安全地位、國(guó)土安全地位、資源能源安全地位顯得更加重要。要優(yōu)化國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)格局，堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展，結(jié)合實(shí)際、揚(yáng)長(zhǎng)避短，走出一條具有地方特色的高質(zhì)量發(fā)展之路。把青海打造成為國(guó)家清潔能源產(chǎn)業(yè)高地，要貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)形成新格局、推動(dòng)共建“一帶一路”高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略部署，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等重要論述[4-7]。

黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司從2013年開(kāi)始在海南、海西光伏電站中試驗(yàn)種植各種適應(yīng)性植物，分別與中科院寒旱研究所、西北水利旱區(qū)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展荒漠戈壁植物種植試驗(yàn)，在共和盆地開(kāi)展退化牧草地種植試驗(yàn)，對(duì)大規(guī)模光伏電站影響下退化牧草地氣象因子、土壤有機(jī)質(zhì)變化連續(xù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和取樣測(cè)試，在收集大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開(kāi)展比對(duì)分析、揭示大規(guī)模光伏電站作用下對(duì)環(huán)境影響、植被恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)的內(nèi)在規(guī)律[8-11]（見(jiàn)圖1）。

圖1 共和基地光伏園區(qū)電站建設(shè)前后生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)分析Figure 1 Trend analysis on the change of ecological environment before and after the construction of solar PV power stations in Gonghe Solar Industrial Park，Qinghai Province

NDVI最小值出現(xiàn)在光伏電站建設(shè)初期2012年，最大值出現(xiàn)在2019年，總體呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)（見(jiàn)圖2）。

圖2 歸一化植被指數(shù)（NDVI）分析Figure 2 Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） analysis

FVC最小值出現(xiàn)在光伏電站建設(shè)初期2012年，最大值出現(xiàn)在2019年，總體呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)（見(jiàn)圖3）。

圖3 植被覆蓋度（FVC）分析Figure 3 Fractional Vegetation Cover （FVC） analysis

1.4 水風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)技術(shù)研究

大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站的安全、送出、消納問(wèn)題始終伴隨著光伏電站的發(fā)展而存在，是電網(wǎng)、電源企業(yè)之間存在的根本矛盾。主要原因：一是光伏發(fā)電自身的隨機(jī)性、波動(dòng)性被視為垃圾電。二是利用小時(shí)數(shù)低，我國(guó)一類(lèi)資源區(qū)的保障性發(fā)電利用小時(shí)數(shù)1500h，電網(wǎng)送出工程的經(jīng)濟(jì)性差。三是光伏電站是通過(guò)光子激活電子收集電荷、逆變形成交流電升壓送入電網(wǎng)，全過(guò)程都是電力電子產(chǎn)品的靜態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（現(xiàn)有機(jī)構(gòu)研究虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）。

水光互補(bǔ)研究的目的就是將光伏電送入水電站，由水電站監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)得光伏發(fā)電的出力自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)出力的技術(shù)，光伏發(fā)電可以稱(chēng)作為虛擬水電，利用原有的水電站送出線路送入電網(wǎng)，是一種改變電能質(zhì)量的技術(shù)，與目前的“光伏+”有本質(zhì)的區(qū)別，農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等是國(guó)土空間再利用的簡(jiǎn)單疊加。

研究水風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)是基地化開(kāi)發(fā)新能源資源必須要研究的問(wèn)題。由于資本的逐利性，參與新能源開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)主體越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，資源獲取難度越來(lái)越大。大規(guī)模的新能源開(kāi)發(fā)需要強(qiáng)大電網(wǎng)支撐為前提，傳統(tǒng)電源企業(yè)為消納新能源，常規(guī)機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)越來(lái)越低、深度調(diào)峰、靈活性改造等對(duì)常規(guī)電源提出了更高要求，這是將自身利益建立在公共服務(wù)之上的利益獲取。研究多種能源互補(bǔ)，目的在于能源開(kāi)發(fā)企業(yè)必須承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任，生產(chǎn)的產(chǎn)品合格，產(chǎn)量可以預(yù)測(cè)。

基于新能源海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司與西北電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)、西安理工大學(xué)、天津大學(xué)、西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位合作開(kāi)展研究，深入分析了光伏、風(fēng)電發(fā)電特性，對(duì)光伏電站通過(guò)不同布置形式、不同支架型式、不同容配比、不同光伏儲(chǔ)能容量配置提出各種天氣情況下光伏電站自身補(bǔ)償設(shè)計(jì)原則，對(duì)同一地區(qū)風(fēng)電自身特性研究與風(fēng)電儲(chǔ)能容量配置研究，提出了光儲(chǔ)與風(fēng)儲(chǔ)互補(bǔ)后水電再參與互補(bǔ)調(diào)節(jié)的研究。該項(xiàng)研究由于體制的原因被迫中斷。

不同規(guī)模各類(lèi)光伏出力互補(bǔ)性研究，利用其光伏自身的互補(bǔ)性合理配置其容量，提高光伏電站經(jīng)濟(jì)性，降低出力波動(dòng)幅度，提高多能互補(bǔ)可行性（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同類(lèi)型光伏典型出力（一）Figure 4 Typical solar output of different types（No.1）

圖4 不同類(lèi)型光伏典型出力（二）Figure 4 Typical solar output of different types（No.2）

風(fēng)電場(chǎng)出力特性研究，考慮季節(jié)特性、日出力和電量特征的風(fēng)電場(chǎng)日出力特性評(píng)價(jià)方法，得到24種典型風(fēng)電場(chǎng)日出力曲線（見(jiàn)圖5～圖7）。

圖5 典型天氣下各類(lèi)光伏出力Figure 5 Outputs of various solar PV Systems under different typical weather conditions

圖6 不同規(guī)模各類(lèi)光伏出力互補(bǔ)性研究Figure 6 Research on the complementarity of solar output with different scales and types

圖7 24種典型風(fēng)電場(chǎng)出力曲線Figure 7 24 typical wind farm power output curves in different seasons

區(qū)域協(xié)同控制下風(fēng)電本體互補(bǔ)研究，考慮同一區(qū)域內(nèi)風(fēng)電站群之間尾流等影響因素，通過(guò)區(qū)域協(xié)同控制，提升風(fēng)機(jī)之間的互補(bǔ)性能，實(shí)現(xiàn)同區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)本體之間的互補(bǔ)運(yùn)行。

光伏、風(fēng)電日出力互補(bǔ)性，黃河上游區(qū)域光伏、風(fēng)電日出力特性具備天然互補(bǔ)性。

光、風(fēng)能源互補(bǔ)容量配比，依據(jù)《光伏電站/風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，以超標(biāo)天數(shù)最少為目標(biāo)，黃河上游區(qū)域光、風(fēng)裝機(jī)容量配比接近2：1時(shí)，出力的互補(bǔ)性相對(duì)最佳（見(jiàn)圖8）。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)出力特性研究Figure 8 Research on power output characteristics of wind farms

光伏發(fā)電、風(fēng)電年度出力互補(bǔ)性，依據(jù)月發(fā)電量過(guò)程判定，黃河上游區(qū)域風(fēng)電和光伏發(fā)電具有季節(jié)尺度的電量互補(bǔ)性（見(jiàn)圖9）。

圖9 區(qū)域協(xié)同控制下風(fēng)電本體互補(bǔ)研究Figure 9 Research on wind power self-complementation under regional coordinated control

水光互補(bǔ)運(yùn)行研究，結(jié)合光伏出力特點(diǎn)，采取水位蓄放控制方式，合理調(diào)整水電站發(fā)電泄流和出力過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水－光互補(bǔ)出力滿足電力送出要求（見(jiàn)圖10）。

圖10 光伏、風(fēng)電日出力互補(bǔ)性Figure 10 Solar and wind power complementarity （daily）

根據(jù)黃河上游水、光互補(bǔ)電力送出需求特征，設(shè)定了日三段線電力送出需求 （特高壓遠(yuǎn)距離送出） 和日五段線電力送出需求（就地消納）兩種情景。

水－光－風(fēng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置，按照光、風(fēng)容量2：1計(jì)算，茨哈峽—班多—羊曲梯級(jí)水電站的可行互補(bǔ)風(fēng)光裝機(jī)容量為5400MW。如配以適當(dāng)儲(chǔ)能容量，茨哈峽—班多—羊曲梯級(jí)水電站互補(bǔ)風(fēng)光容量可達(dá)到6000MW。

水光風(fēng)儲(chǔ)互補(bǔ)研究，利用儲(chǔ)能電池的快速調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷及跟蹤出力（見(jiàn)圖11～圖15，表1）。

表1 水-光-風(fēng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置Table 1 Optimal capacity configuration for hydro-solar-wind power hybrid system

圖11 風(fēng)、光能源互補(bǔ)容量配比Figure 11 Capacity ratio of wind-solar power hybrid

圖12 光伏、風(fēng)電年度出力互補(bǔ)性Figure 12 Solar and wind power complementarity（annual）

圖13 水-光互補(bǔ)特性研究Figure 13 Research on characteristics of hydro-solar power hybrid

圖14 水、風(fēng)、光互補(bǔ)Figure 14 Hydro-wind-solar hybrid

圖15 水光風(fēng)儲(chǔ)互補(bǔ)研究Figure 15 Study on complementarity of hydro，solar，wind and energy storage

黃河上游青海境內(nèi)水電支撐了新能源發(fā)展，2011年，青海的電力裝機(jī)容量為1328萬(wàn)kW，截至2021年底，青海省電力裝機(jī)達(dá)4286萬(wàn)kW（其中，水電1263萬(wàn)kW、光伏1656萬(wàn)kW、光熱21萬(wàn)kW、風(fēng)電953萬(wàn)kW、火電393萬(wàn)kW），清潔能源裝機(jī)占比90.83%，新能源裝機(jī)占比61.36%。隨著新能源裝機(jī)容量的不斷增加，黃河上游水電機(jī)組運(yùn)行方式發(fā)生了根本性的變化。

（1）日間出力大幅減少。中午時(shí)段總負(fù)荷65萬(wàn)kW，負(fù)荷率僅為6%，其中龍羊峽、拉西瓦等水電站機(jī)組負(fù)荷最低至1萬(wàn)kW運(yùn)行。

（2）機(jī)組利用小時(shí)數(shù)降低。因電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)調(diào)整，黃河公司各水電站年利用小時(shí)數(shù)逐年下降，2017年龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽五站平均年利用小時(shí)數(shù)同比2014年下降27.63%。

（3）發(fā)電耗水率增加。2017年五站耗水率比2014年增加1.8%～4.6%，折合損失電量6.36億kW·h，主要原因是低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致電站發(fā)電耗水率增加，造成電量損失。

（4）機(jī)組空耗損失電量增加。2016年各站機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用不斷增加，空載損耗電量大幅上升，2017年度龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽五站合計(jì)空耗損失電量11.93億kW·h。較2014年增加3.21億kW·h。2011～2021年公司屬黃河干流電站空載損失電量42.94億kW·h。

（5）機(jī)組檢修投入不斷增加。機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率的不斷下降及電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的需要，日間調(diào)頻次數(shù)多達(dá)2000多次，機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行或不斷穿越振動(dòng)區(qū)，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件損耗加大，過(guò)流部件磨蝕、轉(zhuǎn)輪裂紋逐年加劇，設(shè)備狀態(tài)趨于劣化，機(jī)組的主、輔設(shè)備損耗嚴(yán)重。2017年較2015年檢修費(fèi)用增加13613萬(wàn)元。

（6）提供電力系統(tǒng)必需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 清潔能源發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1 政策機(jī)遇

2014年6月13日，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議上提出“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，引領(lǐng)我國(guó)能源行業(yè)發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)代。

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣示：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

2021年12月12日，習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)合國(guó)氣候雄心峰會(huì)上宣布：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。

2021年3月15日，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議提出：要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

習(xí)近平總書(shū)記2016年視察青海省時(shí)指示，“一定要把光伏產(chǎn)業(yè)做好”“使青海成為國(guó)家重要的新型能源產(chǎn)業(yè)基地”，2021年習(xí)近平總書(shū)記到青海視察時(shí)指示：進(jìn)入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局，青海的生態(tài)安全地位、國(guó)土安全地位、資源能源安全地位顯得更加重要，要把青海打造成為“國(guó)家的清潔能源產(chǎn)業(yè)高地”。

2022年1月17日，習(xí)近平總書(shū)記在2022年世界經(jīng)濟(jì)論壇視頻會(huì)議上宣布：實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，也是中國(guó)對(duì)國(guó)際社會(huì)的莊嚴(yán)承諾。中國(guó)已建成全球規(guī)模最大的碳市場(chǎng)和清潔發(fā)電體系，可再生能源裝機(jī)容量超10億kW，1億kW大型風(fēng)電光伏基地已有序開(kāi)工建設(shè)。

2.1.1 大規(guī)模光伏電站運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響，現(xiàn)行電力體制下考核辦法制約新能源電力的消納

構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題：由于光伏電站的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性，電力系統(tǒng)在消納時(shí)需要配置相當(dāng)容量的常規(guī)電源作為熱備用。光伏電站是電力電子設(shè)備將太陽(yáng)能激活，電子收集電荷轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，是靜態(tài)的。常規(guī)電源是通過(guò)旋轉(zhuǎn)設(shè)備切割磁力線產(chǎn)生電荷，是動(dòng)態(tài)的。由于機(jī)械慣性的存在，對(duì)電力系統(tǒng)安全具有非常重要的作用。光伏電站配置儲(chǔ)能設(shè)備后，通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備的控制可以提供一定的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前國(guó)家層面沒(méi)有制定針對(duì)光伏電站規(guī)模大小、利用小時(shí)數(shù)、有功功率、發(fā)電量的保證率標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)家僅按照不同資源區(qū)規(guī)定了保障性利用小時(shí)數(shù)。由此產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題。一是國(guó)家沒(méi)有規(guī)范光伏電站開(kāi)發(fā)商的標(biāo)準(zhǔn)，使得這個(gè)行業(yè)的門(mén)檻越來(lái)越低。二是光伏電站開(kāi)發(fā)商無(wú)法計(jì)算電站的年發(fā)電量和多年平均發(fā)電量，企業(yè)無(wú)法計(jì)算電站的預(yù)期收益，造成投資的盲目性。使發(fā)電企業(yè)在決策時(shí)清楚地知道產(chǎn)能、產(chǎn)量和預(yù)期收益。在電力市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中加強(qiáng)法制建設(shè)，最基本的制度、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡快制定。

大電網(wǎng)涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面，電網(wǎng)安全從來(lái)都是非常敏感的政治問(wèn)題。電網(wǎng)建設(shè)首要關(guān)心的是安全，對(duì)設(shè)備的可靠性要求非常高，特別是對(duì)涉網(wǎng)設(shè)備要求很高。目前，國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)光伏電站的要求越來(lái)越高，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行審查、驗(yàn)收、考核。由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)缺失，使得發(fā)電企業(yè)必須執(zhí)行電網(wǎng)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，國(guó)家電網(wǎng)有限公司下屬各單位對(duì)光伏電站的要求已經(jīng)超出了發(fā)電企業(yè)應(yīng)該承擔(dān)的范圍，發(fā)電企業(yè)在設(shè)備配置中配置了許多應(yīng)該由電網(wǎng)企業(yè)配置的設(shè)備。例如，海南特高壓配套電源點(diǎn)項(xiàng)目，電網(wǎng)公司要求將原來(lái)光伏電站配置的SVG（靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置）改為調(diào)相機(jī)，致使投資增加了9億元，是項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的11倍，調(diào)相機(jī)需要長(zhǎng)期在網(wǎng)上備用，運(yùn)行費(fèi)用大幅度增加，備用時(shí)還需要消耗大量的電能，21臺(tái)調(diào)相機(jī)每年僅電費(fèi)一項(xiàng)支出接近5000萬(wàn)元。

構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，必須從改變電源的電能質(zhì)量做起，筆者設(shè)想在有條件的地方將新能源為主的局部電網(wǎng)分開(kāi)與公共電網(wǎng)分開(kāi)，形成職責(zé)明確的兩張網(wǎng)，以新能源發(fā)電為主的電網(wǎng)承擔(dān)其應(yīng)有的安全責(zé)任和社會(huì)責(zé)任，確保上網(wǎng)電能的質(zhì)量，服從公共電網(wǎng)的調(diào)度，各司其職、各負(fù)其責(zé)。以羊曲儲(chǔ)能工廠為例，羊曲儲(chǔ)能工廠用來(lái)抽水的電量全部由局部電網(wǎng)中的一部分新能源提供，另外一部分送到羊曲電站后通過(guò)水電站水輪機(jī)的調(diào)節(jié)將光伏電轉(zhuǎn)化為水電+虛擬水電送到為用戶服務(wù)的大電網(wǎng)，以解決大規(guī)模新能源上網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的沖擊來(lái)保證大電網(wǎng)的安全。局部電網(wǎng)由行業(yè)協(xié)會(huì)或者監(jiān)管部門(mén)出臺(tái)相應(yīng)的制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范其行為。

2.1.2 以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)思維方式的轉(zhuǎn)變，為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供支撐

技術(shù)創(chuàng)新方面，黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司從2018年開(kāi)始，為了新能源電量的消納開(kāi)展儲(chǔ)能泵技術(shù)研究，該項(xiàng)研究得到了青海省發(fā)展改革委的大力支持，劃撥專(zhuān)項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)，青海省委指定省人大常委會(huì)副主任牽頭督導(dǎo)，青海省發(fā)展改革委、能源局、水利廳、國(guó)網(wǎng)青海公司派人指導(dǎo)。課題研究重點(diǎn)在于大泵水力開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、啟動(dòng)方式、電價(jià)政策等方面開(kāi)展研究，哈爾濱電氣公司、東方電氣公司、上海福伊特、西勘院、西安理工大學(xué)等單位開(kāi)展研究。項(xiàng)目針對(duì)黃河上游羊曲水電站工程設(shè)計(jì)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，已經(jīng)認(rèn)為羊曲儲(chǔ)能工廠功能及作用：

（1）符合“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的要求，羊曲儲(chǔ)能工廠裝機(jī)容量800MW（4×200MW），機(jī)組變速范圍為±10%，功率變幅范圍為50%～100%，機(jī)組具有自適應(yīng)新能源波動(dòng)特性運(yùn)行的能力。

（2）配置約4000MW容量的光伏電源，通過(guò)獨(dú)立局域網(wǎng)直接向儲(chǔ)能泵機(jī)組供電，減少對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)及沖擊。

（3）將波動(dòng)的新能源以水能形式儲(chǔ)存，提升水電機(jī)組調(diào)節(jié)能力。

（4）采用“水光互補(bǔ)”技術(shù)建立水電機(jī)組+儲(chǔ)能泵機(jī)組+新能源聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式，將未被有效利用的新能源與水電打捆送出，向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能。

（5）針對(duì)未來(lái)新型電力系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出一套新的新能源電站建設(shè)及入網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為建立和完善新型電力系統(tǒng)體制、機(jī)制提供技術(shù)依據(jù)。

（6）助力高質(zhì)量打造清潔能源產(chǎn)業(yè)高地，實(shí)現(xiàn)青海省提出的2030年全省風(fēng)電、光伏裝機(jī)達(dá)到1億kW以上的目標(biāo)，新能源裝機(jī)容量增加約7500萬(wàn)kW，新能源+儲(chǔ)能是必經(jīng)的一條發(fā)展路徑。

（7）儲(chǔ)能工廠作為一種新型儲(chǔ)能，可有效提高靈活電源的調(diào)節(jié)比例以及對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰、支撐能力，形成新能源“基地化”開(kāi)發(fā)的新模式。通過(guò)建設(shè)儲(chǔ)能工廠可規(guī)?；瘞?dòng)新能源發(fā)展，以羊曲儲(chǔ)能工廠80萬(wàn)kW的裝機(jī)容量，通過(guò)水電機(jī)組+儲(chǔ)能泵機(jī)組聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式可帶動(dòng)和調(diào)節(jié)400萬(wàn)kW的新能源。

（8）提高水電站的調(diào)節(jié)能力，有效緩解新能源出力受限。儲(chǔ)能工廠的建成，可實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，通過(guò)與羊曲水電站的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，提高水電機(jī)組運(yùn)行靈活性，提升水電站的短期及長(zhǎng)期調(diào)峰、事故備用能力及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，有效緩解新能源出力受限。

（9）有效抑制青海電網(wǎng)新能源側(cè)的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓。羊曲儲(chǔ)能泵電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為0.85～0.9，單臺(tái)機(jī)組可向系統(tǒng)提供120～150Mvar的無(wú)功調(diào)節(jié)容量，4臺(tái)機(jī)組可向系統(tǒng)提供480～600Mvar的無(wú)功調(diào)節(jié)容量，可替代10～12臺(tái)容量為50 Mvar分布式調(diào)相機(jī)。

（10）向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與短路容量，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中“電力系統(tǒng)應(yīng)具備基本的慣量和短路容量支持能力，在新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較高的地區(qū)，新能源場(chǎng)站應(yīng)提供必要慣量與短路容量支撐?！毖蚯鷥?chǔ)能泵單臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為17140～17636t·m2，運(yùn)行時(shí)可向系統(tǒng)提供遠(yuǎn)大于調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（單臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為8.56～24.31t·m2），可以更好地抑制電網(wǎng)的頻率波動(dòng)或者振蕩。羊曲儲(chǔ)能泵電動(dòng)機(jī)短路比為0.68，分布式調(diào)相機(jī)短路比為1.11～1.47，儲(chǔ)能泵可向電網(wǎng)提供更大的短路容量，可以更好地抑制電網(wǎng)大功率負(fù)荷、無(wú)功設(shè)備投切時(shí)電壓的變化幅值，提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

（11）增加新能源消納空間，撬動(dòng)新能源開(kāi)發(fā)建設(shè)。羊曲儲(chǔ)能工廠直接消納新能源負(fù)荷的能力為1300～1500MW，利用“水光互補(bǔ)”技術(shù)可帶動(dòng)2500～2700MW新能源的開(kāi)發(fā)。

（12）實(shí)現(xiàn)重大裝備制造業(yè)技術(shù)突破。國(guó)內(nèi)在變速、變功率機(jī)組，交流勵(lì)磁裝置等技術(shù)處于空白，只在少數(shù)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。開(kāi)展變速、變功率儲(chǔ)能泵機(jī)組、交流勵(lì)磁變頻裝置的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用，可形成一套完整的變速機(jī)組設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)變速機(jī)組零的突破。

2.2 政策支持

（1）允許建立局部電網(wǎng)。

（2）允許建立清潔能源樞紐調(diào)控中心，電網(wǎng)調(diào)度對(duì)中心進(jìn)行調(diào)度。近幾年來(lái)，青海非水可再生能源裝機(jī)增速是負(fù)荷增速的8倍，本省電力消納空間有限，外送通道數(shù)量、建設(shè)進(jìn)度與巨大的能源資源開(kāi)發(fā)潛力不相適應(yīng)。能源安全和新型電力系統(tǒng)對(duì)能源供應(yīng)和電網(wǎng)安全提出了新的更高要求。利用黃河上游已建擬建大型水庫(kù)，采用“常規(guī)水電+抽水蓄能+儲(chǔ)能泵站”三位一體化開(kāi)發(fā)模式，打造清潔能源調(diào)控樞紐，形成“風(fēng)光水儲(chǔ)多能互補(bǔ)”向電網(wǎng)輸送平穩(wěn)電能，由電網(wǎng)對(duì)清潔能源調(diào)控樞紐進(jìn)行調(diào)度，解決大容量新能源能量?jī)?chǔ)存、搬移及電網(wǎng)調(diào)節(jié)作用，保證大電網(wǎng)安全，帶動(dòng)新能源規(guī)?；l(fā)展。據(jù)測(cè)算，羊曲、龍羊峽、茨哈峽3個(gè)清潔能源調(diào)控樞紐工程可以撬動(dòng)新能源總裝機(jī)近1億kW。