黃河上中游水風(fēng)光發(fā)電出力特性研究

摘 要：實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾，在此背景下，需開展水風(fēng)光一體化建設(shè)，推動(dòng)清潔能源高質(zhì)量發(fā)展。分析“雙碳”背景下黃河干流調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站典型年出力特性，開展其周邊風(fēng)能資源、光能資源出力特性研究，為水風(fēng)光一體化開發(fā)提供支撐，為推動(dòng)太陽能、風(fēng)能、水能高效轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。研究表明：茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、古賢、磧口、小浪底水電站年內(nèi)豐枯出力比較小，寧木特、黑山峽水電站年內(nèi)豐枯出力比較大；研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)電年內(nèi)出力高峰發(fā)生在冬季、春季或夏季，不同電站周邊區(qū)域日內(nèi)出力高峰發(fā)生時(shí)間不盡相同，出力系數(shù)峰值為０．５ 左右，風(fēng)電全年平均出力系數(shù)為０．３０～０．４８，保證率為３１％ ～４５％；光伏電站出力系數(shù)春夏季較大、秋冬季較小，晝夜出力變化較大，多數(shù)在每日１３：００～１４：００ 出力達(dá)到峰值，出力系數(shù)峰值為０．７０～０．７９，光伏電站全年平均出力系數(shù)為０．２３ 左右，保證率為３６％左右。

關(guān)鍵詞：水能資源；風(fēng)能資源；光能資源；出力特性；出力保證率；黃河上中游

中圖分類號(hào)：ＴＶ６２； ＴＭ６１５； ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．００３

引用格式：張權(quán)，陳嘉威，劉楊，等．黃河上中游水風(fēng)光出力發(fā)電特性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１３－１９．

１ 引 言

隨著全球環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展理念的深入以及世界多個(gè)國家提出碳中和目標(biāo)，低碳綠色發(fā)展已經(jīng)成為國際發(fā)展潮流［１］ 。實(shí)現(xiàn)“雙碳” 目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的核心，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等新能源是關(guān)鍵［２］ 。黃河流域尤其是上中游地區(qū)是我國風(fēng)光資源最為豐富的地區(qū)，由于風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)波動(dòng)性特點(diǎn)，加上調(diào)峰能力不足等影響，因此風(fēng)、光資源一直得不到充分開發(fā)和有效利用［３］ 。黃河流域梯級(jí)規(guī)劃中有寧木特、茨哈峽、龍羊峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底等多個(gè)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的水電站，可以充分發(fā)揮其啟動(dòng)靈活、調(diào)節(jié)速度快、調(diào)峰能力強(qiáng)的優(yōu)勢，對周邊風(fēng)電、光電進(jìn)行調(diào)節(jié)，開展水能、風(fēng)能、光能一體化開發(fā)，促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源消納。本文立足黃河流域具有調(diào)節(jié)能力的水電站及周邊地區(qū)豐富的風(fēng)光資源，對其出力特性進(jìn)行分析，為水能、風(fēng)能、光能一體化開發(fā)提供技術(shù)支撐。

２ 水風(fēng)光資源條件

黃河流域水力資源豐富，水力資源理論蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開發(fā)量在我國七大江河中居第二位［４］ 。流域上中游水力資源理論蘊(yùn)藏量３ １１７ 萬ｋＷ、占黃河干流的９４．９４％，干流規(guī)劃水電梯級(jí)４２ 座，總裝機(jī)容量３ ４４４萬ｋＷ，其中已（在）建水電梯級(jí)３３ 座、規(guī)劃新建水電梯級(jí)９ 座。上游規(guī)劃新建的寧木特、茨哈峽、黑山峽水電站和已建的龍羊峽水電站，中游規(guī)劃新建的磧口、古賢水電站和已建的小浪底水電站具有年調(diào)節(jié)或季調(diào)節(jié)能力，水庫調(diào)節(jié)庫容３８２．８６ 億ｍ３，占黃河干流水庫調(diào)節(jié)庫容的８３．７％，水電站裝機(jī)容量１ ３４８ 萬ｋＷ，在相應(yīng)河段具有龍頭作用。

黃河流域８ ?。▍^(qū)）（不包括四川省，內(nèi)蒙古僅考慮西部地區(qū)，下同）風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量３５．４６ 億ｋＷ，占全國陸地風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量（８６．９４ 億ｋＷ）的４０．８％，具有巨大的開發(fā)潛力。我國光能資源十分豐富，但是資源分布并不均衡，青藏高原是我國太陽能輻射高值中心，西部地區(qū)太陽能輻射總量高于東部地區(qū)。黃河流域光能資源主要分布在西北及華北地區(qū)，年輻射值為１ ６３５～１ ８１５ ｋＷ·ｈ／ ｍ２，其中上中游的青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西大部分屬Ｉ 類地區(qū)和Ⅱ類地區(qū)。黃河流域８ ?。▍^(qū)） 光能資源技術(shù)可開發(fā)量為１５７．４３ 億ｋＷ，占全國陸地光能資源技術(shù)可開發(fā)量（４１８．７８ 億ｋＷ）的３７．６％［５］ 。

３ 研究方法及分析指標(biāo)

３．１ 研究方法

本研究以具有調(diào)節(jié)能力的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站為中心，選擇周邊風(fēng)能資源和光能資源較好的代表風(fēng)電場及光電場，開展水電、風(fēng)電、光電出力特性分析。龍羊峽以上河段的寧木特、茨哈峽水電站在加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用，分析豐水年、平水年、枯水年豐枯出力特性。龍羊峽及以下河段的龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站采用黃河水量綜合調(diào)度模型，分析典型年豐枯出力特性。采用全年８ ７６０ ｈ 風(fēng)速系列和年水平總輻射量系列，分別計(jì)算風(fēng)電和光電逐小時(shí)出力系數(shù)，分析風(fēng)電和光電月平均出力系數(shù)、日平均出力系數(shù)及分布規(guī)律、研究年內(nèi)出力特性和日內(nèi)出力特性。

３．２ 分析指標(biāo)

采用水電站典型年豐枯出力比、風(fēng)電出力系數(shù)及出力保證率、光伏電站出力系數(shù)及出力保證率等指標(biāo)分析水電、風(fēng)電、光電出力特性。３．２．１ 水電站典型年豐枯出力比［６］

４ 水風(fēng)光出力特性

４．１ 水 電

寧木特水電站位于瑪曲至龍羊峽河段，具有年調(diào)節(jié)性能，調(diào)節(jié)庫容１２．８１ 億ｍ３，占寧木特—爾多河段梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的５５．１％，其運(yùn)用以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，兼顧發(fā)電，在加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)上合理進(jìn)行水電開發(fā)，豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為５．６、４．７、３．５。

茨哈峽水電站是季調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容５．４４ 億ｍ３，占茨哈峽—龍羊峽河段梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的６９．３％。經(jīng)過所在河段梯級(jí)電站聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用，茨哈峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．８、２．６、２．４。

龍羊峽水利樞紐工程具有多年調(diào)節(jié)性能，為黃河上游河段的“龍頭”水庫，在黃河水資源合理配置方面具有關(guān)鍵性的戰(zhàn)略地位和極為重要的作用，通過對徑流的多年調(diào)節(jié)，增加黃河枯水年特別是連續(xù)枯水年的供水能力，提高上游梯級(jí)電站的發(fā)電效益，調(diào)節(jié)庫容１９３．５ 億ｍ３，占龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的９８．１％。龍羊峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．５、１．８、１．６。由于龍羊峽水電站調(diào)節(jié)能力比較強(qiáng)，因此龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段汛枯差異小，梯級(jí)水電站豐枯出力比較小。

劉家峽水利樞紐為年調(diào)節(jié)水庫，在黑山峽水庫建成之前，主要承擔(dān)防洪、防凌、供水、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)；在黑山峽水庫工程建成后，主要配合龍羊峽水庫進(jìn)一步調(diào)節(jié)徑流，提高上游梯級(jí)發(fā)電效益，提高寧蒙地區(qū)供水保證率，控制大洪水，保障蘭州市防洪安全，配合黑山峽水庫運(yùn)用、保障寧蒙河段防凌安全。劉家峽水庫調(diào)節(jié)庫容３５．３ 億ｍ３，占劉家峽—黑山峽河段梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的９８．５％。劉家峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．１、２．１、１．７。黑山峽水庫投入運(yùn)用后可解決寧蒙河段大部分防凌問題，使劉家峽水庫更多地進(jìn)行豐枯調(diào)節(jié)，水電梯級(jí)電站豐枯出力比較小。

黑山峽水利樞紐工程位于黃河干流黑山峽河段，開發(fā)任務(wù)為對水資源進(jìn)行合理配置，滿足防凌、防洪、供水、灌溉、改善生態(tài)環(huán)境、發(fā)電等要求，充分發(fā)揮上游梯級(jí)電站的發(fā)電效益。黑山峽水庫調(diào)節(jié)庫容５７．６０ 億ｍ３，占黑山峽—海勃灣河段梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的９７．２％。黑山峽水庫承擔(dān)防凌任務(wù)，在１１ 月至翌年３月凌汛期內(nèi)需按照防凌流量穩(wěn)定下泄，不進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)用［９］ 。黑山峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為４．７、３．８、３．６。黑山峽水利樞紐工程建成生效后，７ 月中旬—８ 月下旬因進(jìn)行大流量泄放沖沙而出力較大，年內(nèi)豐枯出力比較大。

磧口水利樞紐工程位于黃河北干流中部，工程開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧發(fā)電、供水和灌溉等綜合利用，是年調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容５．２ 億ｍ３。磧口水庫下泄流量加上磧口—禹門口區(qū)間來水，能夠滿足小北干流河段河道外國民經(jīng)濟(jì)用水及河道內(nèi)生態(tài)用水，水庫按發(fā)電要求運(yùn)行。磧口水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．８、２．９、２．２。

古賢水利樞紐工程開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧發(fā)電、供水和灌溉等綜合利用，是年調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容３４．６１ 億ｍ３。古賢水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．９、２．１、１．２。由于古賢水電站調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，因此調(diào)節(jié)后汛枯差異減小，豐枯出力比__較小。

小浪底水電站具有年調(diào)節(jié)能力，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫容５１億ｍ３，占潼關(guān)—花園口河段利用梯級(jí)水電站總調(diào)節(jié)庫容的９９．１％。由于小浪底水電站調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，因此潼關(guān)—花園口河段汛枯差異小，其豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．２、２．７、２．２。

黃河干流主要水電站豐、平、枯典型年出力過程見圖１。

４．２ 風(fēng) 電

研究區(qū)域風(fēng)電年內(nèi)出力系數(shù)為０．０９ ～０．７３，出力高峰發(fā)生在冬季、春季或夏季（出現(xiàn)的月份為１ 月、２月、５ 月或６ 月），出力低谷發(fā)生在夏季或秋季（出現(xiàn)的月份為８ 月或１０ 月）。寧木特河段、茨哈峽河段、古賢河段風(fēng)電年內(nèi)出力冬春季較大，夏秋季節(jié)出力??；龍羊峽河段、劉家峽河段風(fēng)電年內(nèi)出力春夏季較大，秋冬季較小；黑山峽河段風(fēng)電年內(nèi)出力夏冬季較大，春秋季較?。淮兛诤佣味撅L(fēng)電出力明顯小于其他３ 個(gè)季節(jié)；小浪底河段夏季風(fēng)電出力明顯小于其他３ 個(gè)季節(jié)。風(fēng)電日內(nèi)出力系數(shù)為０．２２～０．６０，寧木特河段、茨哈峽河段日內(nèi)出力峰值出現(xiàn)在１６：００—１７：００、出力低谷出現(xiàn)在０：００—２：００；龍羊峽、劉家峽、古賢、磧口、小浪底河段日內(nèi)出力峰值出現(xiàn)在２０：００—２３：００、出力低谷出現(xiàn)在８：００—１０：００；黑山峽河段日內(nèi)出力峰值出現(xiàn)在５：００、出力低谷出現(xiàn)在１７：００。各河段風(fēng)電出力保證率均不高，平均出力系數(shù)為０．３０～０．４８，保證率為３１％～４５％。黃河干流主要水電站周邊地區(qū)風(fēng)電出力特性指標(biāo)見表１

黃河干流主要水電站所在河段風(fēng)電年內(nèi)出力系數(shù)分布、日內(nèi)出力系數(shù)分布以及出力保證率曲線分別見圖２～圖４。

４．３ 光 電

研究區(qū)域光電年內(nèi)出力系數(shù)為０．１１ ～０．３４，春夏季出力系數(shù)較大，秋冬季出力系數(shù)較小，出力高峰發(fā)生５ 月或７ 月，出力低谷出現(xiàn)在１２ 月或１１ 月。光伏電站日內(nèi)出力系數(shù)為０～０．７９，各月日內(nèi)出力趨勢一致，一般在１２：００—１４：００ 出力達(dá)到峰值，１９：００ 至次日７：００出力為０，晝夜出力變化較大。各河段光電出力保證率均不高、相差不大，平均出力系數(shù)為０．２２ ～０．２４，其保證率為３５％～３７％。黃河干流主要水電站所在河段光電出力特性指標(biāo)見表２。

黃河干流主要水電站所在河段光電年內(nèi)出力系數(shù)分布、日內(nèi)出力系數(shù)分布以及出力保證率曲線分別見圖５～圖７。

５ 結(jié) 論

（１）龍羊峽以上河段梯級(jí)開發(fā)以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，兼顧發(fā)電，經(jīng)梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)用后，茨哈峽水電站年內(nèi)豐枯出力比較小；龍羊峽、劉家峽、古賢、小浪底水庫調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，水電站年內(nèi)豐枯出力比較??；磧口水庫有一定調(diào)節(jié)庫容，水庫按發(fā)電要求運(yùn)行，年內(nèi)豐枯出力比也較??；黑山峽水庫在１１ 月至翌年３ 月凌汛期內(nèi)進(jìn)行防凌運(yùn)用，在７ 月中旬至８ 月下旬進(jìn)行大流量泄放沖沙，年內(nèi)豐枯出力比較大；寧木特水庫為龍羊峽以上河段第一座具有調(diào)節(jié)能力的水庫，調(diào)節(jié)能力相對較弱，年內(nèi)豐枯出力比較大。

（２）龍羊峽以上河段、古賢河段夏秋季風(fēng)力發(fā)電站出力較小，龍羊峽、劉家峽河段風(fēng)力發(fā)電站秋冬季出力較小，黑山峽河段春秋季出力較小，磧口河段風(fēng)力發(fā)電站冬季出力較小，小浪底河段風(fēng)力發(fā)電站夏季出力較小、其他季節(jié)出力較大；劉家峽及以上河段日內(nèi)風(fēng)力發(fā)電站出力主要集中在下午和晚上，黑山峽、古賢、小浪底河段風(fēng)力發(fā)電站日內(nèi)出力主要集中在凌晨和上午，磧口河段風(fēng)力發(fā)電站日內(nèi)出力主要集中在晚上和凌晨，出力系數(shù)峰值為０．５ 左右。各河段風(fēng)電平均出力系數(shù)為０．３０～０．４８、保證率為３１％ ～４５％，其中黑山峽河段保證率最高、茨哈峽河段保證率最低。

（３）各河段光伏電站出力系數(shù)春夏季較大，秋冬季較小，晝夜出力變化較大，小浪底河段１２：００—１３：００ 光伏電站出力達(dá)到峰值，其他河段１３：００—１４：００ 出力達(dá)到峰值，出力系數(shù)峰值為０．７０～０．７９。各河段光伏電站平均出力系數(shù)為０．２２～０．２５，保證率為３５％～３７％。

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