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        風(fēng)電送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站的規(guī)模論證

        2019-01-16 12:32:54吳來(lái)群顧甜甜王昭亮
        西北水電 2018年6期
        關(guān)鍵詞:哈密火電電量

        吳來(lái)群,顧甜甜,王昭亮

        (中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

        1 概 述

        近年來(lái)中國(guó)風(fēng)電、光電發(fā)展比較迅速,同時(shí)也帶來(lái)了棄風(fēng)限電問題。資料顯示[1]2016年棄風(fēng)電量497億kWh,較2015年的339億kWh上漲46.6%。其中,甘肅(43%)、新疆(38%)、吉林(30%)、內(nèi)蒙古(21%)、黑龍江(19%)、寧夏(13%)合計(jì)棄風(fēng)電量為433億kWh,約占總棄風(fēng)電量的87.1%,棄風(fēng)限電比例較大的主要是三北地區(qū)風(fēng)能資源較好的幾個(gè)省區(qū)。

        同時(shí)為實(shí)現(xiàn)中國(guó)2020、2030 年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重分別達(dá)到15%、20%的能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),規(guī)劃2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)要達(dá)到210 GW。如此大規(guī)模的風(fēng)電需要借助特高壓跨省區(qū)輸電通道,統(tǒng)籌風(fēng)、光、水、火等各類電源,最大限度地輸送可再生能源,促進(jìn)風(fēng)電消納。本文旨在根據(jù)抽水蓄能電站的功能特點(diǎn),以哈密風(fēng)電基地為例,通過分析計(jì)算,探索抽水蓄能電站在風(fēng)電送端電網(wǎng)能夠發(fā)揮的作用與效益,推動(dòng)“三北”地區(qū)風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)和高效利用。

        2 哈密能源基地概況

        哈密主要能源資源有煤炭、石油、天然氣及風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源。

        哈密煤炭資源儲(chǔ)量大、品種多、易開采,具有低硫、低磷、低灰粉、高發(fā)熱量“三低一高”的特點(diǎn),預(yù)測(cè)資源量5 708億t,占全國(guó)預(yù)測(cè)資源量(4.55萬(wàn)億t)的12.5%,占新疆預(yù)測(cè)資源量(1.8萬(wàn)億t)的31.7%,居全疆第一位。

        哈密風(fēng)能資源十分豐富,主要分布在哈密東南部風(fēng)區(qū)、三塘湖-淖毛湖風(fēng)區(qū)、十三間房風(fēng)區(qū),技術(shù)開發(fā)量達(dá)到75 498 MW,約占全疆技術(shù)開發(fā)量的62.9%,具備開發(fā)建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)的條件[2]。其中:哈密東南部風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達(dá)到16 014 MW,三塘湖-淖毛湖風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達(dá)到48 974 MW,十三間房風(fēng)區(qū)技術(shù)開發(fā)量達(dá)到10 510 MW。

        哈密日照充足,太陽(yáng)能資源豐富,是新疆太陽(yáng)能資源最好的地區(qū),年平均太陽(yáng)總輻射量為6 214.66 MJ/m2,全年日照時(shí)數(shù)3 170~3 380 h,是全國(guó)日照時(shí)數(shù)充裕的地區(qū)之一,具備太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)越條件。

        哈密電網(wǎng)無(wú)規(guī)劃水電,網(wǎng)內(nèi)已建、在建及規(guī)劃的火電總裝機(jī)容量11 845 MW。哈密風(fēng)電基地規(guī)劃風(fēng)電近期(2020年)開發(fā)規(guī)模為13 835 MW,遠(yuǎn)期開發(fā)規(guī)模將達(dá)到20 585 MW;光電2020年開發(fā)規(guī)模將達(dá)到6 050 MW,2030年達(dá)到12 250 MW;基地還規(guī)劃有一定規(guī)模的光熱發(fā)電。

        3 規(guī)模比較方法

        風(fēng)電送端基地建設(shè)抽水蓄能電站的必要性和規(guī)模論證,主要包括送端基地電源組合方案的選擇和裝機(jī)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)比較。抽水蓄能電站不同裝機(jī)方案容量上的差別,應(yīng)選擇具有相應(yīng)功能的其他電源容量予以補(bǔ)充,并考慮發(fā)揮儲(chǔ)能作用而減少棄風(fēng)電量的差異,計(jì)算各方案的總費(fèi)用現(xiàn)值,以費(fèi)用現(xiàn)值最小的方案為優(yōu)選方案[3]。

        3.1 模擬運(yùn)行試算

        (1) 電源組合方案

        從風(fēng)力發(fā)電的基本原理、風(fēng)的自然特性入手,分析各風(fēng)電場(chǎng)的地理等差異及風(fēng)電基地中各測(cè)風(fēng)塔資料的代表性,研究計(jì)算基地各風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出力過程,再對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出力過程進(jìn)行疊加。有了風(fēng)電基地的出力過程,再結(jié)合電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)、各類電源側(cè)、電網(wǎng)特性,分析風(fēng)電出力特性[4]。

        對(duì)風(fēng)電送端,從風(fēng)電對(duì)特高壓直流輸電平臺(tái)可能產(chǎn)生的影響分析入手,以哈密基地為例,分析研究輸電平臺(tái)可能搭建方案。通過模擬運(yùn)行試算,分析其輸電量及構(gòu)成、風(fēng)電利用率、受端高峰時(shí)段保證率、輸電利用小時(shí)、耗煤量等指標(biāo),作為計(jì)算各方案費(fèi)用現(xiàn)值推薦適應(yīng)基地外送的電源組合方式及比例的基礎(chǔ)。

        哈密煤炭資源儲(chǔ)量大,風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富,根據(jù)能源資源條件、開發(fā)規(guī)劃及區(qū)外送電規(guī)劃,哈密基地外送的電源組合方案主要有:① 風(fēng)電+光電+火電送出;② 風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能電站送出2種模式。通過有無(wú)抽水蓄能電站2種方案的模擬運(yùn)行試算,對(duì)比分析風(fēng)電送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站的效益。由于光熱發(fā)電具有儲(chǔ)熱功能,自身具有一定的調(diào)節(jié),且目前規(guī)劃規(guī)模較小,在后續(xù)規(guī)劃規(guī)模較大時(shí)需要研究其對(duì)電網(wǎng)或送端平臺(tái)的影響。

        (2) 邊界條件及方法

        模擬運(yùn)行試算主要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模初擬配套火電和抽水蓄能的裝機(jī)容量方案,擬定多個(gè)方案進(jìn)行比較。本文采用的模擬運(yùn)行試算依據(jù)風(fēng)電一完整年逐10 min出力過程,結(jié)合輸電規(guī)模、受端電網(wǎng)、火電運(yùn)行方式等約束條件,以可輸送風(fēng)電電量最大化為目標(biāo),進(jìn)行逐時(shí)段模擬計(jì)算,主要統(tǒng)計(jì)風(fēng)電、火電出力特性及電量,抽水蓄能電站抽水電量、發(fā)電量,風(fēng)電無(wú)效電量,火電煤耗等。模擬運(yùn)行試算主要考慮以下邊界條件:

        1) 各方案中各電源有效裝機(jī)容量之和應(yīng)小于或等于輸電規(guī)模。

        2) 綜合調(diào)峰率。根據(jù)擬采用燃煤火電機(jī)組技術(shù)參數(shù)擬定,一般可采用40%~50%,配套煤電的綜合調(diào)峰率采用50%,抽水蓄能200%。

        3) 燃煤火電升降負(fù)荷速度。一般采用每10 min升降負(fù)荷速度不超過10%。為避免短時(shí)間內(nèi)火電機(jī)組出力呈現(xiàn)鋸齒形變化,火電機(jī)組在升負(fù)荷或降負(fù)荷到一定負(fù)荷時(shí),需維持運(yùn)行一段時(shí)間方可降負(fù)荷或升負(fù)荷。

        4) 煤耗特性。調(diào)查統(tǒng)計(jì)不同燃煤火電機(jī)組煤耗曲線,考慮煤電不同負(fù)荷率時(shí)的相應(yīng)煤耗率,若本時(shí)段負(fù)荷有升降,增加考慮升降負(fù)荷需增加的煤耗。

        5) 輸電線路負(fù)荷率:考慮輸電平臺(tái)對(duì)受端電網(wǎng)一定的適應(yīng)性,初步按照2個(gè)時(shí)段限制輸電線路的輸電容量。低谷時(shí)段最大輸電容量為線路輸電能力的70%;其他時(shí)段最大為輸電線路滿負(fù)荷運(yùn)行。

        6) 抽水蓄能電站抽水運(yùn)行工況最小負(fù)荷應(yīng)等于單機(jī)額定容量,其抽水負(fù)荷按單機(jī)容量呈階梯狀變化,最大負(fù)荷不大于本月開機(jī)容量;抽水蓄能電站發(fā)電工況出力可連續(xù)變化,但最大出力應(yīng)不大于本月開機(jī)容量。

        7) 抽水蓄能電站的可蓄能量按照抽水蓄能電站裝機(jī)容量與可連續(xù)滿發(fā)時(shí)間的乘積計(jì)算。抽水蓄能電站連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)根據(jù)配合運(yùn)行計(jì)算、抽水蓄能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較擬定。

        8) 抽水蓄能電站綜合效率。根據(jù)電站的工程布置特點(diǎn)、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線等因素綜合擬定,一般采用75%~80%,本電站采用75%。

        9) 檢修安排。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,風(fēng)電機(jī)組檢修分半年檢和全年檢,均采用逐臺(tái)檢修,半年檢每臺(tái)檢修時(shí)間約1 h,全年檢每臺(tái)檢修時(shí)間約3 h,對(duì)于規(guī)模較小風(fēng)電場(chǎng),可不考慮其檢修影響,大型風(fēng)電基地機(jī)組檢修應(yīng)盡可能在風(fēng)速較小時(shí)段進(jìn)行;燃煤火電、抽水蓄能均按每臺(tái)機(jī)組每年檢修一次計(jì)算,燃煤火電機(jī)組每次檢修時(shí)間為一個(gè)半月,盡量安排在風(fēng)電出力較大月份;抽水蓄能機(jī)組每次檢修時(shí)間為1個(gè)月,盡量安排在風(fēng)電出力較小且較平穩(wěn)月份。燃煤火電及抽水蓄能應(yīng)扣除當(dāng)月相應(yīng)檢修容量后作為開機(jī)容量參與配合運(yùn)行。

        3.2 經(jīng)濟(jì)比較

        在進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)比較時(shí),可根據(jù)送端基地的能源資源、電源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選擇合適的替代電源,根據(jù)哈密基地的特點(diǎn),替代電源選擇為燃煤火電。因基地與受端電網(wǎng)距離較遠(yuǎn),抽水蓄能電站或者燃煤火電的容量效益發(fā)揮均受一定影響,容量替代系數(shù)可按1考慮。

        替代電源費(fèi)用計(jì)算中,為使方案間具有可比性,在計(jì)算火電電源投資費(fèi)用時(shí),要考慮為減少火電機(jī)組污染物的排放所采取的措施需要的投資。計(jì)算替代火電的燃料費(fèi)用時(shí)不能單純考慮燃煤價(jià)格,還要考慮計(jì)入對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響。

        對(duì)不同規(guī)模抽水蓄能電站方案進(jìn)行分析計(jì)算,得出對(duì)應(yīng)每個(gè)方案的受端電網(wǎng)不同類型機(jī)組裝機(jī)容量組成、燃料消耗和總費(fèi)用現(xiàn)值等指標(biāo)。

        4 哈密基地計(jì)算實(shí)例

        4.1 “風(fēng)電+光電+火電”方案

        (1) 方案擬定的原則

        輸電線路容量:根據(jù)前期工作情況,輸電容量按±800 kV特高壓直流線路輸送容量8 000 MW考慮。

        風(fēng)電開發(fā)方案:不考慮抽水蓄能的方案,風(fēng)電按5 000 MW、8 000 MW和10 000 MW三個(gè)規(guī)??紤]:。

        光電開發(fā)方案:目前新疆開發(fā)并網(wǎng)光伏電站的主要思路還是分散開發(fā),就近接入電網(wǎng),電量就地消納的模式。太陽(yáng)能發(fā)展規(guī)劃中,哈密基地規(guī)劃的光伏電站容量不大,2015年500 MW左右,2020年約2 000 MW,光電組合中光電開發(fā)規(guī)模根據(jù)各方案送出能力,適當(dāng)考慮一定規(guī)模協(xié)同送出。

        火電裝機(jī)容量:考慮到哈密基地風(fēng)能資源豐富,為加大風(fēng)能、太陽(yáng)能資源開發(fā)和送出,可考慮降低火電裝機(jī)容量方案。哈密抽水蓄能電站建成后,可進(jìn)一步提高輸電線路有效容量,降低火電裝機(jī)容量方案按5 000 MW考慮。

        (2) 風(fēng)電+光電+火電5 000 MW方案

        各方案與風(fēng)電+火電8 000 MW方案的主要區(qū)別是火電裝機(jī)容量按5 000 MW考慮,并適當(dāng)考慮一定規(guī)模的光電,輸電線路容量、火電調(diào)峰率均相同,計(jì)算結(jié)果見表1[5]。

        表1 “風(fēng)電+光電+火電”方案試算結(jié)果表(風(fēng)電+光電+火電5000 MW)

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,此方案特點(diǎn)如下:

        1) 火電裝機(jī)容量小于輸電線路容量的方案,線路有效容量較低,僅等于火電裝機(jī)容量;

        2) 風(fēng)電裝機(jī)5 000 MW及8 000 MW的方案送出風(fēng)(光)電電量利用率較高,分別為95.14%和88.53%,風(fēng)電裝機(jī)10 000 MW的方案送出風(fēng)(光)電電量利用率僅為80.57%;

        3) 輸送電量中風(fēng)電、光電電量比例占輸電電量比例在27.40%~40.91%,輸送電量中可再生能源比例隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大有所提高。

        4.2 “風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能”方案

        “風(fēng)電+光電+火電”的送端電源組合方案技術(shù)上基本滿足哈密風(fēng)電基地目前規(guī)劃風(fēng)電的送出需求,但此方案的一部分輸電容量不能作為受端電力市場(chǎng)的有效容量,不能發(fā)揮應(yīng)有的容量效益[6]。在遠(yuǎn)期送端電源組合方案中,考慮在“風(fēng)電+光電+火電”方案的基礎(chǔ)上增加抽水蓄能電站,既可提高輸電線路有效容量,又能提高風(fēng)電、光電等可再生能源電量利用率[7]。

        在相同風(fēng)(光)電規(guī)?;A(chǔ)上,根據(jù)抽水蓄能電站不同開發(fā)規(guī)模,組合了多種方案進(jìn)行模擬計(jì)算[8],結(jié)果見表2。

        表2 “風(fēng)電+光電+火電+抽水蓄能”方案試算結(jié)果表

        可以看出,配置抽水蓄能電站,可向受端電網(wǎng)高峰時(shí)期提供相應(yīng)的有效容量,低谷時(shí)期減少送出容量,更能適應(yīng)受端電網(wǎng)的峰谷變化,相應(yīng)減少了受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力,節(jié)省了受端電網(wǎng)的調(diào)峰電源規(guī)模;此外,由于抽水蓄能電站具有的快速反應(yīng)能力,使得輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性大大提升。同時(shí)風(fēng)(光)電電量利用率可由88.53%提高至93.84%(多利用風(fēng)、光電電量6.61億~9.17億kWh),輸送電量中風(fēng)電電量比例由37.8%提高至39.0%。

        4.3 方案經(jīng)濟(jì)比較

        按照總費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)比較,社會(huì)折現(xiàn)率取8%;燃煤火電的投資采用4 000元/kW,建設(shè)期3 a,分年投資比例為30%、40%、30%;抽水蓄能電站各裝機(jī)容量方案投資在5 200~5 800 元/kW之間;建設(shè)期7 a,分年投資按15%、17%、17%、17%、17%、12%、5%考慮[9];燃煤火電運(yùn)行費(fèi)率取4.5%、抽水蓄能電站運(yùn)行費(fèi)率取2.5%;標(biāo)煤價(jià)1 000元/t。各方案總費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算成果見表3。

        表3 抽水蓄能電站規(guī)模方案比較表

        可以看出,在同等程度滿足受端電力系統(tǒng)要求的情況下,輸電平臺(tái)電源組合方案中風(fēng)電8 000 MW、抽水蓄能電站規(guī)模為1 400 MW時(shí),總費(fèi)用現(xiàn)值最小。因此,哈密能源基地單個(gè)±800 kV直流外送輸電平臺(tái)中風(fēng)電合理規(guī)模在8 000 MW左右,此時(shí)風(fēng)(光)電電量利用比例均在90%以上,抽水蓄能電站合理的配置規(guī)模約為1 400 MW左右[10]。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        (1) 抽水蓄能電站是外送電源的關(guān)鍵組成部分。抽水蓄能、風(fēng)電、光電、火電等多種電源合理組合形成“多能互補(bǔ)”的平臺(tái),能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短,發(fā)揮各類電源的優(yōu)勢(shì),抽水蓄能電站具有發(fā)電和抽水的雙重功能,能夠充分發(fā)揮輸電通道的容量效益。高峰時(shí)期可向受端電網(wǎng)提供相應(yīng)的有效容量,低谷時(shí)期減少送出容量,能更好適應(yīng)受端電網(wǎng)的峰谷變化,相應(yīng)減少了受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力,節(jié)省受端電網(wǎng)的調(diào)峰電源規(guī)模,同時(shí)還能提高輸電線路經(jīng)濟(jì)性。

        (2) 與受端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站相比,送端電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站能更好發(fā)揮儲(chǔ)能效益。在風(fēng)電出力較大時(shí),抽水蓄能電站作水泵工況抽水運(yùn)行吸納棄風(fēng)電量,當(dāng)風(fēng)電出力較小或受端電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí),抽水蓄能電站發(fā)電運(yùn)行,將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為峰荷電量。分析計(jì)算可知,哈密基地建設(shè)1 000~1 800 MW抽水蓄能電站配合8 000 MW規(guī)模的風(fēng)電送出,風(fēng)(光)電電量利用率可由88.53%提高至93.84%,多利用風(fēng)、光電電量6.61億~9.17億kWh,節(jié)約標(biāo)煤約29萬(wàn)t,輸送電量中風(fēng)電電量比例由37.8%提高至39.0%。

        (3) 風(fēng)電、光電的出力變化頻繁而劇烈,抽水蓄能電站可以平滑風(fēng)電、光電的出力過程,減輕風(fēng)、光電出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

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