黑山峽水利樞紐對水風光互補基地的作用研究

翟 鑫，楊程皓，高冉冉

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概 述

黑山峽水利樞紐位于黃河上游水電基地的下端，在黃河治理開發(fā)保護中具有承上啟下的戰(zhàn)略地位。根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》[1]，黑山峽附近區(qū)域為國家重點開發(fā)的黃河“幾字彎”多能互補基地，隨著國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的深入實施，附近區(qū)域風電、光伏的開發(fā)進程將加快；但由于風電、光伏發(fā)電出力的不確定性，風光電大規(guī)模并網(wǎng)后西北電網(wǎng)棄電現(xiàn)象嚴重，迫切需要增強電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。建設黃河黑山峽水利樞紐，不僅可提供裝機容量2 600 MW的可調(diào)節(jié)電源，而且通過水庫的反調(diào)節(jié)作用可保障上游梯級水電站按照水風光互補基地要求的最優(yōu)發(fā)電方式運行；同時可促進附近地區(qū)的抽水蓄能電站建設，進一步增強電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，構建水風光清潔能源互補基地。以往研究僅主要針對黑山峽河段水能資源開發(fā)規(guī)模、附近地區(qū)風光資源分布等進行，本文從構建水風光互補基地的角度，分析黑山峽水利樞紐的重要作用。

2 西北電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

2.1 電網(wǎng)現(xiàn)狀

陜甘青寧電網(wǎng)為全國六大跨省電網(wǎng)之一，東西直線長約1 400 km，南北寬度約900 km，西安、蘭州、西寧、銀川等地區(qū)是電網(wǎng)的負荷中心和電網(wǎng)核心。截至2020年底，電網(wǎng)總裝機容量180 544 MW，其中水電24 698 MW、火電81 193 MW、風電36 335 MW、太陽能38 318 MW，水電、火電、風電及太陽能所占比例分別為13.7%、45.0%、20.1%、21.2%，新能源裝機容量占比已超過40%。2020年，陜甘青寧四省(區(qū))全社會用電量4 702.2億kW·h，其中陜、甘、青、寧用電量分別為1 546.3、1 375.7、742.0、1 038.2億kW·h，最高用電負荷分別為28 400、17 310、10 440、13 910 MW。

陜甘青寧電網(wǎng)主網(wǎng)運行電壓為750、330、220 kV，作為一個整體，多年來形成了多種能源互補運行、省際間電力電量互相備用、相互調(diào)劑的格局，在陜甘青寧四省(區(qū))經(jīng)濟建設方面發(fā)揮了重要作用。西北電網(wǎng)還與華北(山東)、四川(德陽)、青藏聯(lián)網(wǎng)。

陜甘青寧電網(wǎng)存在的主要問題是：局部地區(qū)主網(wǎng)架薄弱，送受電能力較差，不能滿足地區(qū)電源發(fā)展需要；局部地區(qū)新能源裝機規(guī)模大，電網(wǎng)調(diào)峰困難，影響新能源消納，造成新能源棄電。

2.2 發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)》[2]成果，西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展將以能源化工、裝備制造、高新技術為重點，保持相對較高的速度增長。以“十三五”規(guī)劃的2020年電力規(guī)劃成果為基礎，考慮到經(jīng)濟增長的實際情況，按經(jīng)濟增長率5%、3%左右，對2025年和2030年的負荷及電量進行預測。預測2030年陜甘青寧電網(wǎng)最高負荷為118 420 MW，需電量為7 468億kW·h?？紤]陜甘青寧電網(wǎng)區(qū)內(nèi)負荷及向華北、四川、西藏聯(lián)網(wǎng)送電要求，最大負荷為123 920 MW。

西北電網(wǎng)電源建設的思路是積極發(fā)展水電，加快煤電轉型升級，促進清潔能源有序發(fā)展，提高風光電就近消納能力，推進可再生能源跨省區(qū)消納。根據(jù)“西電東送”需要，國家電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出，“十三五”期間西北地區(qū)重點加大電力外送和可再生能源消納能力，適時推進陜北(神府、延安)電力外送通道建設。結合受端市場情況，積極推進新疆、呼盟、蒙西(包頭、阿拉善、烏蘭察布)、隴(東)彬(長)、青海等地區(qū)電力外送通道論證。

3 黃河“幾字彎”清潔能源基地及開發(fā)需求

西北地區(qū)風電和太陽能等資源豐富，而且開發(fā)利用方便，截至2021年底，西北電網(wǎng)新能源發(fā)電裝機容量達到84 730 MW，其中風電41 040 MW、太陽能發(fā)電43 690 MW。在文獻[3]中明確提出要建設黃河“幾字彎”清潔能源基地。黑山峽附近地區(qū)風光資源較為豐富，具有建設大規(guī)模風電、光伏電的條件，是黃河“幾字彎”清潔能源基地的重要組成部分。

黑山峽附近的甘肅省白銀市位居騰格里沙漠與黃土高原的過渡地帶，最高海拔3 321 m，最低海拔1 276 m，地勢呈西南高、東北低；寧夏中衛(wèi)市地貌類型有黃河沖積平原、臺地、沙漠、山地與丘陵五種類型，地勢西南高、東北低。該區(qū)域日照充足，氣候干旱，年日照小時數(shù)約2 200 h，年輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2之間，屬太陽能資源的Ⅰ類區(qū)；風功率在100～150 W/m2之間，屬風能資源的Ⅲ類區(qū)；風能、光能資源豐富，植被條件差，大部分屬荒山、荒坡、荒地，適宜建設大型風電和光電項目[4]。根據(jù)兩岸的地形地貌條件，初步估算黑山峽河段沿黃兩岸附近區(qū)域風光能源基地裝機規(guī)模約44 500 MW。

由于風電、光伏電站的發(fā)電出力主要取決于天氣和氣候因素，對于該區(qū)域光伏電站，夏季(冬季)天氣晴朗時一般每天早晨的6∶00—7∶00(8∶00—9∶00)開始發(fā)電，中午12∶00—13∶00達到高峰，晚上19∶00—20∶00(17∶00—18∶00)左右停止發(fā)電；遇到氣候發(fā)生變化時，云層分布的變化也對其發(fā)電出力造成影響[5]。對于風電，主要受到風力變化的影響，且發(fā)電出力隨風力變化，具有隨機性、波動性、間歇性和不可控性，且當風速小于3 m/s或大于25 m/s時風電機組停機不能發(fā)電。

由于風電、光伏發(fā)電出力過程具有不確定性，不能適應電力系統(tǒng)負荷需求，若沒有相應的配套措施，其大規(guī)模上網(wǎng)將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。受電網(wǎng)安全運行的制約，目前風電、光伏電站不同程度存在棄風、棄光現(xiàn)象，造成大量的清潔能源浪費。

為此，文獻[1]提出要提高電力系統(tǒng)互補互濟和智能調(diào)節(jié)能力，加強源網(wǎng)荷儲銜接，提升清潔能源消納和存儲能力。

4 黃河上游梯級電站運行存在的問題

黃河龍羊峽～青銅峽河段(以下簡稱龍～青段)為全國十二大水電基地，在保障西北電網(wǎng)供電安全、促進區(qū)域新能源消納方面具有重要地位。該河段規(guī)劃水利水電樞紐24座，總裝機容量17 428 MW，多年平均發(fā)電量607.2億kW·h，其中21座分布在黑山峽河段以上，其電站總裝機容量和多年平均發(fā)電量分別占24座總量的85.9%和83.9%。

目前龍～青段已建、在建水利水電樞紐20座，有18座位于黑山峽河段以上，其電站總裝機容量和多年平均發(fā)電量分別為14 530 MW和490.6億kW·h，分別占20座總量的97%和96.1%[6]。該河段梯級電站可以為西北電網(wǎng)和西電東送提供大量的優(yōu)質電能，電網(wǎng)需要這些水電樞紐按發(fā)電最優(yōu)的方式運行：即水庫能夠盡量維持較高水位，提高發(fā)電水頭，增加梯級發(fā)電量；梯級水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，攔蓄豐水期水量，增加枯水期發(fā)電流量，提高梯級電站保證出力；各月、日之間的發(fā)電量盡量保持均勻，以便于電網(wǎng)的調(diào)度安排，充分發(fā)揮電站的電力、電量和調(diào)峰容量作用，得到最大的發(fā)電效益。

目前龍羊峽、劉家峽等水電站的發(fā)電出力年內(nèi)變化較大，在寧蒙地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水高峰期發(fā)電出力大，有些月份電站下泄流量大于電站最大發(fā)電流量而產(chǎn)生強迫棄水；在寧蒙河段防凌運用期間發(fā)電出力嚴重下降，現(xiàn)狀運用方式時梯級保證出力約為3 900 MW。

若龍羊峽、劉家峽水庫按調(diào)水調(diào)沙要求在汛期大流量下泄時，不僅梯級水庫蓄水困難，水庫運行水位長期偏低，而且梯級電站將產(chǎn)生發(fā)電棄水現(xiàn)象，嚴重影響梯級發(fā)電量；同時凌汛期出力將更小，更增加了梯級出力的不均勻性；估算保證出力將下降至2 610 MW左右，將嚴重影響梯級電站發(fā)電容量效益，增加了電網(wǎng)的調(diào)峰困難。

5 黑山峽水利樞紐的作用

黑山峽水利樞紐工程是黃河水沙調(diào)控體系的七大骨干工程之一，開發(fā)任務為調(diào)節(jié)水沙、防凌(洪)、南水北調(diào)西線工程水量調(diào)節(jié)與供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用。水庫正常蓄水位1 380 m，死水位1 330 m，汛期限制水位1 365 m；正常蓄水位以下原始庫容114.8億m3，淤積50 a長期調(diào)節(jié)庫容67.4億m3。工程的功能和作用：調(diào)節(jié)水沙，增強全河的水沙調(diào)控能力；防凌防洪，增強寧蒙河段防洪保安能力；有效調(diào)配西線來水，保障附近區(qū)域城鄉(xiāng)和能源基地新增用水需求；開發(fā)水電，促進多能互補清潔能源基地建設；保障附近區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[7]。黑山峽水利樞紐工程在促進多能互補清潔能源基地開發(fā)的作用主要體現(xiàn)在以下方面：

5.1 促進“幾字彎”清潔能源基地建設

大力開發(fā)黃河“幾字彎”清潔能源基地的風電、光伏等新能源，是合理調(diào)整電源結構的需要，是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。新能源發(fā)電具有隨機性、波動性和間歇性的特點，若電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不能適應新能源發(fā)電變化的需要，新能源投入運用將給電網(wǎng)安全運行帶來很大的沖擊，在該情況下預計未來新能源棄風、棄光的現(xiàn)象將會大面積出現(xiàn)。水電站具有啟停靈活、響應負荷變化速度快的特點，由水電站承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰任務，不僅可改善火電機組的運行條件，減少火電機組的調(diào)峰幅度，降低發(fā)電煤耗，從而使水、火電機組得到優(yōu)化配置，大量節(jié)省電力系統(tǒng)的運行費用，而且可以根據(jù)電力系統(tǒng)負荷要求對新能源發(fā)電出力過程進行補償，有利于新能源電站的開發(fā)和有效利用。

按照黑山峽水利樞紐工程開發(fā)方案，電站裝機容量約為2 600 MW[7]，其本身可向系統(tǒng)提供2 600 MW調(diào)峰容量，可增加約2 800 MW新能源裝機；再考慮增加上游其他梯級水電站的保證出力和調(diào)峰能力的作用，利用黑山峽水庫及周邊地形建設抽水蓄能電站，將更有利于促進西北地區(qū)“幾字彎”新能源基地的擴大發(fā)展。根據(jù)有關初步規(guī)劃，黑山峽河段附近地區(qū)規(guī)劃水風光儲多能互補基地總裝機容量約為61 900 MW，其中風光總裝機容量約為44 500 MW，抽水蓄能電站裝機容量約為14 800 MW[7]。

5.2 支撐“西電東送”戰(zhàn)略實施

目前規(guī)劃的西北電網(wǎng)西電東送工程主要是水火電打捆外送，水電火電配比1∶1。未來西電東送的主要電源將主要依靠水風光儲清潔能源基地。根據(jù)文獻[8]，規(guī)劃2030年建設風光基地總裝機容量約為455 GW，其中“十四五”和“十五五”規(guī)劃建設風光基地總裝機容量分別約為200、255 GW，外送分別為150、165 GW。根據(jù)特高壓直流外送研究，外送通道的新能源電量占比要達到50%以上。

黑山峽水電站工程位于甘肅、寧夏的交界處，其工程建成后，可與西北電網(wǎng)的其他大型水電站配合，形成“西電東送”的骨干電源，在開發(fā)河段自身水能資源、提供保證出力和發(fā)電量的基礎上，還可增加上游其他水電梯級的保證出力和發(fā)電量；有利于充分發(fā)揮上游水電基地在水風光儲多能互補清潔能源基地的作用，有利于保障西電東送的電力供應；且結合黑山峽電站的送出工程，可形成“西電東送”骨干網(wǎng)絡，對實現(xiàn)“西電東送”非常有利。

5.3 保障西北電網(wǎng)安全運行

從西北電網(wǎng)電力長遠發(fā)展要求分析，為了滿足電網(wǎng)的電力、電量和調(diào)峰容量需要，充分發(fā)揮火電的優(yōu)勢，配合風電安全穩(wěn)定運行，保障電網(wǎng)的供電安全，需要上游水電站擔任調(diào)峰任務。開發(fā)建設黑山峽水庫，按照流域綜合規(guī)劃賦予的寧蒙河段防凌、調(diào)節(jié)水沙、工農(nóng)業(yè)供水功能定位運用，可使黑山峽河段以上梯級電站的發(fā)電制約條件得到釋放，可增加上游梯級電站的保證出力和發(fā)電量(初步估算南水北調(diào)生效以前黑山峽可增加上游梯級電站保證出力1 296 MW，增加發(fā)電量14.3億kW·h)；同時黑山峽河段水能資源得到開發(fā)，可為西北電網(wǎng)提供2 600 MW的裝機容量和72.26億kW·h的電量。黑山峽河段的開發(fā)，將大幅度增加上游水電基地的調(diào)峰能力，在解決西北電網(wǎng)調(diào)峰矛盾、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行方面具有極為重要的作用。

5.4 減少碳排放對大氣污染的作用

文獻[3]提出，落實2030年應對氣候變化國家自主貢獻目標，制定2030年前碳排放達峰行動方案；錨定努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，采取更加有力的政策和措施。實現(xiàn)“雙碳”目標，要加快推動清潔能源大規(guī)模開發(fā)和電能廣泛使用，全方位減少煤、油、氣消費，實現(xiàn)能源生產(chǎn)清潔主導、能源消費電能主導的“雙主導”以及能源電力發(fā)展與碳脫鉤、經(jīng)濟社會發(fā)展與碳排放脫鉤的“雙脫鉤”新格局。根據(jù)《中國2060年前碳中和研究報告》[9]數(shù)據(jù)，碳中和實現(xiàn)路徑要求減排二氧化碳109億t，其中能源活動需減排87億t，占總減排量的80%；能源活動中電力生產(chǎn)需減排38億t，占能源生產(chǎn)減排量的44%。

水力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，與火電相比，在生產(chǎn)過程中不耗費煤炭等一次能源。用水電替代火電，可有效降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等大氣污染物排放量，促進空氣質量好轉。黑山峽工程水電裝機容量可達2 600 MW，多年平均發(fā)電量72.26億kW·h。每年可減少煤炭消費223萬t，折合原煤312萬t，減少二氧化碳排放量545萬t，減少二氧化硫排放量1.64萬t，減少氮氧化物排放量1.64萬t，減少煙塵排放量0.30萬t?？紤]工程建成后帶動風電、光伏等新能源發(fā)電增加，則大氣污染防治效果將更為顯著。

6 結 語

(1)西北電網(wǎng)目前雖然水電比重較大，但受到綜合利用要求的制約，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不足，新能源棄電問題突出，亟需進一步加強調(diào)節(jié)能力強的電源建設。

(2)黑山峽工程附近地區(qū)是國家規(guī)劃的幾字彎多能互補清潔能源基地，隨著雙碳戰(zhàn)略的實施和新能源開發(fā)進程加快，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的要求越來越高。

(3)建設黑山峽工程，在滿足寧蒙河段防凌(包括防洪)、減淤、生態(tài)建設、工農(nóng)業(yè)供水等綜合利用要求的前提下，可充分發(fā)揮上游梯級電站發(fā)電效益，并且開發(fā)黑山峽河段水電資源，可支撐水風光互補新能源基地建設，在促進新能源的開發(fā)利用、支撐“西電東送”戰(zhàn)略實施、保障西北電網(wǎng)安全運行、減少大氣污染等方面也具有十分重要的作用。