西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题
2020-09-09
来源:爱问旅游网
圆 西北水电・2014年・第2期 文章编号:1006--2610(2014)02—0001—04 西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题 冯黎,王社亮 (中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,西安710065) 摘要:西北地区是中国规划的千万千瓦级风电及光电基地之一,促进西北地区风能与太阳能开发利用对实现中国 能源发展战略具有重要的意义。而配置抽水蓄能电站是增强电网接纳风电光电能力的重要措施。文章介绍了西北 地区风能、太阳能资源发展规划,分析了风电与光电并网存在的主要问题及抽水蓄能电站对促进风电与光电消纳的 重要作用,并针对目前西北地区抽水蓄能电站发展过程中存在的主要问题,提出了促进措施和建议。 关键词:太阳能;光伏发电;市场消纳;抽水蓄能;多能互补 中图分类号:TV743;TM614 文献标识码:A Significance and Issues of Pumped Storage Power Plants to be Developed in West China FENG Li,WANG She—liang (HYDROCHINA Xibei Engineering Corporation,Xi"an 710065,China) Abstract:West China is one of the wind-solar energy bases with the installed capacity of exceeding tens of thousands of megawatt planned in China.It is signiicantf for the energy development strategy of China to promote the development and utilization of the wind-solar energy in west China.But,the introduction of the pumped storage power plant into the grid is the important measures to enhance the grid capaci— ty of accepting the ind-swolar power.In the paper,the development plan ofr the ind—swolr aenergy in west China is introduced;major is— sues on the wind-solar power into the grid as well as the significance of the pumped storage power plant for the promotion of the accept— ance and consumption of the wind—solar power are analyzed.Furthermore,the promoting measures and suggestions are raised aiming at the major issues in the development f othe pumped storage power plant in west China. Key words:solar energy;PV power generation;energy consumption;pumped storge;hybraid of multiple energies 1 西北地区发展抽水蓄能电站的意义 能源是人类生存和发展的重要物质基础,攸关 国计民生和国家安全。推动能源生产和利用方式变 革,调整优化能源结构,构建安全、稳定、经济、清洁 达到20 000万kW,并网太阳能发电达到5 000万 kW。截止2012年底,全国并网风电6 083万kW, 并网太阳能发电328万kW,距规划目标尚有一定的 距离,因此规模化开发风电与光电,实现大基地开发 对实现能源发展规划具有重要的意义。 1.1 西北地区是中国重要的新能源基地 的现代能源产业体系,对于保障中国经济社会可持 续发展具有重要战略意义。《国家能源发展“十二 西北地区能源资源富集,在中国能源发展总体 布局和“西电东送”战略规划中,是重要的能源外送 基地。近年来,西北地区积极加快电力发展,推进电 五”规划》提出,2015年全国并网风电装机10 000 万kW,太阳能发电2 100万kW。《可再生能源发展 “十二五”规划》提出,到2020年累计并网风电装机 力送出通道和本区电网的建设,促进能源资源在全 国实现更好的优化配置。风能和太阳能是西北地区 的优势能源资源之一,适合建设大基地集中开发及 收稿日期:2013—10—23 作者简介:冯黎(1960一),女,西安市人,教授级高工,西北院副 总工程师,从事水利水电工程规划工作. 外送,在中国能源和电力发展战略中具有重要地位。 西北地区是中国风能资源最丰富地区之一,特 2 冯黎,王社亮.西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题 别是新疆、甘肃等省区风能资源开发潜力巨大。根 据气象部门风能资源详查成果,新疆和甘肃70 nl高 风能资源可开发量分别为4亿kW和2.4亿kW,仅 次于内蒙古。为了有效利用西北地区的风能资源, 国家从2005年开始组织完成了甘肃酒泉和新疆哈 密千万千瓦基地规划工作,并在2010年的风电接入 电网和市场消纳研究中就西北地区风电的市场消纳 做了重点研究,进一步明确了西北各省(区)风电的 可开发潜力和消纳市场。基于上述研究,国家在全 国风电“十二五”发展规划中,将新疆、甘肃以及宁 夏列为重点开发区域,初步规划到2015年西北地区 实现风电装机2 600万kW以上,其中新疆规划规 模1 000万kW,甘肃规划1 100万kW,宁夏规划规 模300万kW,青海和陕西规划规模力争达到200万 kw以上。《可再生能源发展“十二五”规划》提出, 到2020年,甘肃、新疆风电装机分别达到2 000万 kW,宁夏达到400万kW。 西北地区也是中国太阳能资源最丰富地区之 一,根据中国太阳能发电“十二五”发展规划,预计 到2015年西北地区实现安装规模560万kW以上, 其中:青海规划200万kW,新疆规划200万kW,甘 肃规划100万kW,宁夏规划100万kW,陕西规划 60万kW。 为解决西北地区新能源的市场消纳问题,国家 规划建设新疆哈密至河南郑州、哈密至重庆、甘肃酒 泉至湖南株洲、宁东一浙江+800 kV直流输电通道以 及新疆至陕甘青宁电网750 kV第2通道(已投运), 其中哈密至郑州输电通道计划于2014年投运。 1.2风电与光电并网存在的主要问题 根据有关统计资料,截止2012年底,西北电网 风电并网装机容量1 232万kW,太阳能光伏发电并 网装机容量214万kW,分别占电网总装机10.6% 和2%。2012年11月3日,西北电网风电最大El发 电量首次突破1亿kwh大关,达到1.10亿kWh,日 利用小时数(发电量与装机容量的比值)达到10.9 h,超过当日全网水电利用小时数。据了解,在甘肃 酒泉风电基地,风电日发电已经超过了当日火电利 用小时数。 风电、光电发电出力具有间歇性、随机性、波动 性的特点(见图1~4),随着风电、光电并网规模的 不断加大,对电力系统的影响也日益显现,电网安全 稳定运行的压力也在不断加大。 。 J -。 ly\^ ,, |ll j 薹 l 。 ||l ÷ I ≯ | 《 --∞- -0 | 廿。0| 0 0 薯 ¨0 lll l l l一 \誓。| \1. . -。 。 \ \l’ 、 \|| r _I 、 ,^0/ Jfl ^n∥。 。 时间 图1 某风电场2011年4月15日出力过程图 照 _一 ¨l。 。 -l、}, | - | _ l¨ ≯薯 曩警i _\_-_ 《曩_ __ 童_: 瞳 曩 l翊 : _ 一一 镰 √ I 蠹| -曩 i l l纛 尊 囊 誊。ll | l一| i 麓 爱 。 lj 琏 鬻 譬誓 |一 |≯ | 一 藏 j垮i砌 ≈。l l 冀磐》 | 誊 l | § |||叠 ≮ | , 一 I _ | … _ _I - 、,/、J.!、I “ _\—, 誊 、 时间 图2某风电场2011年7月25日出力过程图 ,膏 l Ij j lllll l慧《 ≥ 誊 t 女 一 | __ 蔓|| l1 I 尊 |1 蠢l | 毫|| ‘ 、 | _ t 。。 t | ÷l f . 。 圣 誓 ≯| ≯。毫 、| ‘ 。 霉I | 7/I ,譬 l il- | 。 薯 囊 ■ | 4套_点 f 、 曩 _ j /厂。 。| f .0 || 0 时间 图3某光伏电站2Ol1年4月l5日出力过程图 |tl t. -q 0 lj I曩 ・ I| j≥鬻_ |一| 磬ll / I t 。 | ~ 曩l _ ; | k j≥≯ 一 皇 _ l lf /|,/l ≯√ \ l1 、j_ \ l 弧峨 爱l一|_l Il lIIl j囊 _ “¨. -l ,l曩 i _ l ≯ || J l \ 0 If.、l1 ||| 。 \ 时闻 图4某光伏电站2011年7月25日出力过程图 西北水电・2014年・第2期 3 目前西北电网新能源接纳存在的主要问题有: (1)西北电网负荷水平相对较低,对风电、光电 等新能源的接纳空间有限。西北地区风能资源、太 阳能资源富集区均远离主电网负荷中心,大多位于 电网末端,当地消纳能力十分有限。 (2)电网调峰能力不足。陕西、宁夏、新疆主电 网等都是以火电为主的电力系统,加上热电机组比 较多、常规水电受综合利用制约,调峰能力成为制约 电网接纳风电、光电能力的重要因素。 (3)配套的电网送出工程、调峰电源建设滞后。 大规模风电、光电等新能源仅仅依托西北电网以 750 kV为主的主网架和网内调峰电源无法完全消 纳,需和其它具有调峰调频能力电源共同组建输电 平台,依托特高压输电线路外送至区外消纳。风电、 光电工程建设周期短,相应配套的电网送出工程和 调峰电源建设周期均较长,两者的建设管理模式亦 不同,协调难度较大,制约了风电、光电等新能源的 大规模开发。 (4)风、光功率预测系统,电能质量在线监测等 新能源接人电网相关技术仍需进一步完善;动态无 功补偿装置、功率控制系统等装备水平有待进一步 提高。 上述问题涉及到输送通道建设、负荷水平、调峰 能力、运行调度及管理体制等多方面。对于输送通 道不足的问题,需要加强规划协调,加快电网和配套 电源建设;对于负荷水平低,电力市场空间不足的问 题,需要考虑将一部分新能源外送消纳;对于电网调 峰能力和快速反应能力不足的问题,在充分发挥黄 河上游常规水电调峰能力的基础上,还需要配置一 定规模的抽水蓄能电站。 1.3抽水蓄能电站对促进风电与光电消纳具有重 要的作用 风力发电和光伏发电的出力存在问歇性、波动 性和随机性等不稳定特点,大规模风电、光电的并网 消纳及输送对电网建设、调峰能力、电源结构配置以 及运行方式、管理体制等方面提出了更高的要求。 解决风电、光电并网及消纳问题,需要从多方面人 手,采取多种措施予以解决。配置抽水蓄能电站,是 增强电网接纳风电光电能力的重要措施之一。 抽水蓄能电站对促进风电、光电消纳及外送的 作用主要体现在以下几方面: (1)抽水蓄能电站可以增强电网调峰能力,并 相应提高电网接纳风电、光电的能力。抽水蓄能电 站调峰能力强,反应速度快,运行方式灵活,可显著 提高电网调峰和快速反应能力,相应提高电网对风 电、光电的接纳能力。 (2)抽水蓄能电站是当前最具规模化和最经济 的“储能”方式。利用这种独特的“储能”功能,可以 平滑风电、光电的出力过程,减轻对电网安全稳定运 行的影响。 (3)抽水蓄能电站是构建“多能互补”平台的 关键组成部分。抽水蓄能、风电、光电、水电、火电等 多种电源合理组合形成“多能互补”平台,能够取长 补短,发挥各类电源的优势,能对出力过程进行控 制、调节和优化。抽水蓄能电站具有发电和抽水,即 增、减出力的双重功能,因此,是调节、优化出力过程 的关键和有效措施。 (4)抽水蓄能与风电、光电具有较好的容量和 电量互补特性。风电、光电主要为电网提供电量,而 抽水蓄能电站则以容量作用为主,因此,抽水蓄能是 风电、光电合适的配套互补电源。抽水蓄能与风电、 光电协同发展,配合运行,对促进风电、光电规模化 持续发展具有重要作用和长远意义。 西北地区风电、光电的快速发展对建设抽水蓄 能电站提出了迫切要求。在风电大规模并网之前, 西北电网依靠常规水电和火电调峰就能满足电网调 峰需要,未规划建设抽水蓄能电站。但随着风电、光 电并网规模不断加大,加之常规水电资源大部分已 得到开发,后劲不足,仅靠常规水电和火电调峰已难 以满足风电、光电快速发展对调峰的要求。目前,甘 肃、新疆等地已经出现因为电网调峰能力不足而制 约风电消纳的情况,今后更大规模的风电、光电并网 对电网调峰能力的要求将更高,因此,在这些地区建 设抽水蓄能电站已变得十分必要。 在远离负荷中心的大型风电、光电基地附近,配 套建设一定规模的抽水蓄能电站和其他电源,构建 “多能互补”平台和坚强送端电网,可显著提高长距 离外送电力的稳定性和经济性。甘肃酒泉、新疆哈 密千万千瓦级风电基地和青海柴达木千万千瓦级光 电基地,都具有大规模开发的优良资源条件,但远离 负荷中心,并且也难以全部在本区电网内消纳,所以 需要长距离输送到其他区域消纳。在这些基地附近 配套建设一定规模的抽水蓄能电站,构建“多能互 补”平台,对促进大型风电、光电基地开发和电力外 4 冯黎,王社亮.西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题 送,实现可再生能源在更大区域范围的优化配置,具 有重要作用和深远影响。 水蓄能电站受水源条件、地形地质条件的制约,其 上、下水库成库自然条件较差,备用库容也要大一 些,坝体普遍较高;为满足过机含沙量要求,抽水蓄 2西北地区发展抽水蓄能电站面临的 主要问题 2.1前期工作推进难度大 近年来根据国家发改委能源局的安排,水电水 利规划设计总院、国网新源公司委托西北勘测设计 研究院(简称:西北院)相继完成了新疆、甘肃、陕 西、宁夏等省区的抽水蓄能电站选点规划。规划结 果表明:西北地区具有一定的抽水蓄能站点资源,但 是前期工作推进困难。长期以来,西北地区的经济 结构中重工业比重较大,日负荷率保持在0.8左右, 电力供给中电量需求矛盾为主,而与之相交,电源结 构中,水电比重保持在30%左右,且调节性能较好, 电网调峰矛盾不突出,因此难以接受抽水蓄能电站 对电量的消耗,得不到地方政府的有力支持,前期工 作难以推进,配合千万千瓦级新能源基地外送的抽 蓄前期工作远滞后于输电通道的工作进程。 2.2工程投资相对较高 西北地区由于其独特的地理位置、地形地质条 件与气候条件,西北地区的抽水蓄能电站有自己独 有的特点。 西北大部分地区海拔高,新疆、青海、甘肃抽水 蓄能电站基本位于海拔2 000~3 500 m高程。陕西 省以外,西北其他地区极端最低气温在一30℃以下, 甚至达到一40℃。降雨量小、蒸发量大,陕西以外省 区年降雨量在150~300 mm,蒸发量在2 000 mm以 上。河流含沙量高。 因此,保证过机含沙量不超标、保证电站发电用 水及冰冻期电站安全运行是西北地区抽水蓄能电站 设计中需要解决的重要问题。此外,适应风电与光 伏发电随机性、间歇性、波动性的调频、调峰要求,机 组运行工况转换频次增加,对机组性能也会有更高 的要求。 目前,防止冰冻和处理冰的问题尚在研究中。 为保证发电用水,设计中考虑了水损备用库容。保 证过机含沙量满足要求的主要措施是建拦沙坝,即, 在水源库上游再修建一座坝和泄洪排沙洞,通过泄 洪排沙洞将高含沙量(超过过机含沙量要求)水流 排至水库下游,并能保证给水库补充清水。 与中国南方的抽水蓄能电站相比,西北地区抽 能电站普遍在库尾布置了拦沙坝。因此,西北地区 抽水蓄能电站建设投资相对较大,根据目前进行前 期工作的项目分析,西北地区抽水蓄能电站单位千 瓦投资较好的站点在4 800元左右,一般在5 000元 左右。 2.3 配合大基地外送抽水蓄能电站的运行方式及 评价方法有待进一步研究 服务于电网内的抽水蓄能电站主要承担电力系 统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用及保安等 作用,其大多数运行方式为在负荷高峰时发电、低谷 时抽水,虽然其动态效益难以量化,但其在电网中由 于调峰填谷产生的静态经济效益可通过电源扩展优 化量化计算。 配合大基地外送的抽水蓄能电站,其主要运行 方式为在风电、光电出力大系统无法消纳时抽水储 能,风电、光电出力变化较大时或系统负荷高峰时发 电,提高可再生能源利用率、平抑风、光电出力波动 对电网安全稳定影响,其主要静态效益包括容量效 益、提高可再生能源电量利用率、提高输电线路经济 性等,与网内配套抽水蓄能电站的运行方式和评价 方法不同,如何量化计算配合大基地外送抽水蓄能 电站的效益有待进一步研究,以合理评价其经济性。 3促进西北地区抽水蓄能电站发展的 措施建议 (1)做好选点规划工作,重新认识抽水蓄能电 站。目前,西北五省(区)中陕西、甘肃、新疆、宁夏 抽水蓄能电站选点规划已完成,青海省抽水蓄能电 站选点规划已开展,随着经济社会的不断发展以及 电网结构和新能源发展的变化,应适时开展动态的 选点规划以适应新的要求。西北地区因黄河上游水 电较强的调峰能力,还没有建成的抽水蓄能电站,对 抽水蓄能电站在电力系统尤其是配合新能源运行等 方面的作用和意义有待重新认识,需在做好必要性 论证的基础上加大抽水蓄能电站的宣传力度,认识 和接受抽水蓄能电站。 (2)加快开展前期工作,优化工程设计。西北 地区仅陕西镇安、新疆阜康、甘肃肃南正式开展了 (下转第7页) 西北水电・2014年・第2期 7 为44.7 m,装机容量均为3×3.85 MW,总装机容量 34.7 MW;引输水方案同二级开发,该方案共有明渠 8.1 km,PCCP压力管长2.1 km。梯级电站厂区挖 深均约为24 Ill。 目前,开发条件便利、效益可观的电源点项目已 日渐稀少,随着水利水电工程开发进程日趋完善在 有建设条件的渠道上修建小型水电站也成为水电开 发的重要途径。类似项目的开发方案布置原则已在 前文叙述,由于本工程沿线均为未利用地,且巨厚砂 优缺点:①该方案渠道较长,有条件全线开工, 在施工机械化程度较高的今天,施工速度易于保证; ②PCCP管长度最小,如果施工时不易采购,可用钢 管替代,该方案工程造价及运输抗风险能力较二级 方案强。 砾石层为适宜渠堤填料,故没有考虑全线工程挖填 平衡原则;如遇沿线无可利用其它料源,为减少工程 对当地环境的影响及尽量减少征占地等情况,则全 线工程土石方挖填平衡原则应为主要站点定位依 方案结论:工程静态总投资为3.00亿元,多年 平均发电量1.44亿kWh。技术经济指标较好,运行 管理费用较二级为大,为该电站较适宜的开发方案。 据,例如新疆阿克苏多浪渠一、二级水电站工程,沿 线占地全是农田,亦为坡度平缓地形,上覆0.3~ 1.8 Ill的淤泥质沙壤土层,为适宜耕种土层,下伏巨 厚砂砾石层,渠线总长9.25 km,可利用水头为 4结语 拟开发小水电项目多有水能专项规划等依据, 但由于受规划时的社会经济水平、水力机械性能、施 工能力等影响,规划装机容量普遍偏小,水能资源得 不到充分利用。须在工程设计阶段参考国内外已有 的工程实例,了解运用水力机械的发展成果,重新拟 定开发方案。 本工程压力水道中水流惯性时间常数 为15.1 33.50 m,经过详细比选研究,该段水能资源最终分 二级电站开发,装机容量均为2x3.4 MW,工程施工 后,厂区及尾水渠挖方基本都被利用于引水渠及前 池等部位的填方,没有对当地水土资源造成较大损 失;该梯级水电站于2010年建成投产,目前运行状 况良好,在水机选型时采用了统一型号,机电运行及 维护均较为便利。 s和14.5 S,均大于规范允许值,需设置调压设施,设 计中采用“以阀代井”,在蜗壳上装设调压阀。调压阀 的成功经验已较多,目前中国国内生产技术也日益成 参考文献: [1]GB 50071—2002,小型水力发电站设计规范[s]. [2]DIMT 5079—2007,水电站引水渠道及前池设计规范[s]. 3]DL/T 5058—1996,水电站调压室设计规范[S]. 熟,该技术的可靠性也是二级开发成立的必要条件。 (上接第4页) 前期勘察设计工作,新疆哈密、甘肃玉门、宁夏中宁、 布局和“西电东送”战略规划中,是重要的能源外送 基地。在西北地区建设抽水蓄能电站,不仅能在电 青海格尔木等配合风电、光电运行的抽水蓄能电站 均未正式开展前期工作,这些区域风电、光电规模 大,发展速度快,而抽水蓄能电站建设周期较长,为 网中承担调峰填谷、紧急事故备用、调频、调相和保 安等作用,而且对促进风电、光电的消纳和外送,作 用显著、影响深远、是十分必要的。虽然西北地区抽 保障新能源消纳,需加快开展西北地区抽水蓄能电 站前期工作。同时,为合理降低抽水蓄能电站投资, 水蓄能电站发展面临前期工作推进难度大、工程投 资相对较高、有关系统理论需进一步研究论证等问 保障项目的经济合理性,在设计中应加强方案比较 论证,优化工程设计。 (3)加强系统理论研究,尤其要加强抽水蓄能 电站促进新能源发展的作用和效益研究。电价机制 题,但通过做好选点规划和加强宣传、加快前期工作 和优化工程设计、加强理论研究、加强建设管理和运 行管理等方面的措施西北地区抽水蓄能电站将以 其独有的特点和对新能源大规模并网消纳及远距离 ,的不完善也是影响抽水蓄能电站建设的重要原因, 应尽快开展价格机制研究,理顺价格体制。 (4)加强建设管理和运行管理,建立完善的建 设运行管理机制。 外送有着不可替代的作用而不断发展。 参考文献: [1] 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.西北地区抽水蓄能 电站选点规划报告及该地区抽水蓄能电站lT程预可行性研究 报告[R]. 4结语 [2]梅祖彦,赵士和.抽水蓄能电站百问[M].北京:中国电力出版 社.2002. 西北地区能源资源富集,在中国能源发展总体