張 娜，黃 和，靳亞東，唐修波

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

1 問題的提出

一直以來，抽水蓄能電站作為電力系統(tǒng)安全可靠的“穩(wěn)定器”、優(yōu)化當(dāng)?shù)仉娫唇Y(jié)構(gòu)的“平衡器”和提高清潔能源消納的“調(diào)節(jié)器”[1]，在電網(wǎng)中發(fā)揮了重要的作用。但是，在目前電力市場化程度不夠，自由競爭市場并未建成的情況下，抽水蓄能電站的電價(jià)疏導(dǎo)困難，備用、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動、提高新能源消納等動態(tài)效益無法量化，價(jià)值不能被充分認(rèn)可[2]。特別是當(dāng)前火電正逐漸成為調(diào)峰主力，其靈活性改造成本遠(yuǎn)低于新建抽水蓄能的成本，加之容量龐大，火電靈活性改造潛力巨大，對新能源消納也有一定的作用。

那么，抽水蓄能電站在消納新能源上是否起到了作用，可以消納多少新能源呢？基于這個(gè)問題，本文選取已建的內(nèi)蒙古H抽水蓄能電站作為實(shí)例，通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對抽水蓄能電站消納新能源的作用進(jìn)行分析。

2 內(nèi)蒙古電網(wǎng)現(xiàn)狀

2.1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)范圍

內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員遼闊，按照地域劃分為東西兩個(gè)區(qū)域，其中東部地區(qū)包括赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市，4個(gè)盟市構(gòu)成了蒙東電網(wǎng)，由蒙東電網(wǎng)公司管理，目前屬于國家電網(wǎng)的一部分；西部地區(qū)包括呼和浩特市、包頭市、烏海市、烏蘭察布市、巴彥淖爾市、阿拉善盟、鄂爾多斯市和錫林郭勒盟，8個(gè)盟市構(gòu)成了內(nèi)蒙古電網(wǎng)(見圖1)，由內(nèi)蒙古電力公司管理，與國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)并列，為一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)。

圖1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)覆蓋區(qū)域

2.2 內(nèi)蒙古電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

截至2019年底，內(nèi)蒙古電網(wǎng)全口徑裝機(jī)容量為73 688.8 MW，其中，火電裝機(jī)44 974.2 MW，水電裝機(jī)2 079.1 MW，風(fēng)電裝機(jī)18 721.5 MW，光伏裝機(jī)7 914.0 MW，所占比例分別為61.1%、2.8%、25.4%、10.7%?；痣娧b機(jī)中，供熱機(jī)組裝機(jī)22 720 MW(含供氣機(jī)組)，占比較高，達(dá)到50.5%。

受電源結(jié)構(gòu)制約，內(nèi)蒙古電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，手段單一。特別是冬季供熱期，供熱機(jī)組基本滿發(fā)運(yùn)行，調(diào)峰能力有限。而隨著新能源比重越來越大，系統(tǒng)調(diào)峰能力的嚴(yán)重不足，已不能適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)力和光伏發(fā)電消納要求，也是造成棄風(fēng)棄光的因素之一。

3 內(nèi)蒙古電網(wǎng)消納新能源途徑

內(nèi)蒙古電網(wǎng)消納新能源途徑主要從3個(gè)方面考慮：一是外送通道送出消納；二是火電深度調(diào)峰消納；三是儲能消納。

3.1 外送通道送出途徑

外送通道送出途徑存在以下不足：

(1)外送通道送電能力不足。內(nèi)蒙古電網(wǎng)覆蓋區(qū)域大，內(nèi)部網(wǎng)架構(gòu)相對薄弱，內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，沒有完全融入到國家大電網(wǎng)中，現(xiàn)狀只有500 kV汗沽雙回線和豐萬雙回線兩個(gè)向華北電網(wǎng)送電的外送通道，正常運(yùn)行方式下送電能力4 200 MW，不能滿足自治區(qū)能源基地風(fēng)電、火電電力送出的要求。

(2)特高壓點(diǎn)對網(wǎng)通道送電能力受限。內(nèi)蒙古電網(wǎng)周邊已建成錫盟一交一直”、蒙西—天津南特高壓交流等點(diǎn)對網(wǎng)送電通道。由于通道配套電源尚未完全投運(yùn)，部分通道送電規(guī)模遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)劃設(shè)計(jì)水平；此外，大容量點(diǎn)對網(wǎng)送電方式缺乏送端電網(wǎng)支撐[3]，新能源匯集過電壓問題突出，嚴(yán)重限制通道輸電能力。

(3)局部網(wǎng)架薄弱，新能源送出受限。德嶺山、武川、烏蘭察布、錫林郭勒的玉龍、錫西、溫都爾及明安圖等地區(qū)新能源資源豐富，但由于局部主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，不能完全滿足已建新能源送出需求。

綜合能源或新能源外送通道擬在中遠(yuǎn)期建設(shè)。根據(jù)《內(nèi)蒙古電網(wǎng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，初步設(shè)想內(nèi)蒙古電網(wǎng)“十四五”期間新增3～4回大型輸電通道，就地建設(shè)煤電基地，并匯集杭錦旗、阿拉善、巴彥淖爾和包北等地區(qū)新能源共同送出。鄂前旗直流送電容量按10 000 MW考慮，配套煤電7 000 MW，匯集阿拉善、巴彥淖爾地區(qū)風(fēng)電7 000 MW；烏審、東勝直流送電容量按8 000 MW考慮，各配套煤電6 000 MW，并匯集杭錦旗、巴彥淖爾、包頭風(fēng)電6 000 MW；烏中直流送電容量按8 000 MW考慮，依托蒙古煤炭，配套煤電6 000 MW，并匯集巴彥淖爾風(fēng)電6 000 MW。

綜上，內(nèi)蒙古電網(wǎng)外送通道輸電能力受限，且新能源外送通道擬在中遠(yuǎn)期建設(shè)，暫時(shí)還不能滿足電網(wǎng)消納新能源的需求。

3.2 火電深度調(diào)峰途徑

火電靈活性改造可以降低煤電特別是熱電機(jī)組的最小出力，對消納新能源有一定的作用。2016年以來，我國正式啟動火電靈活性改造工作，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，供熱與新能源消納存在一定矛盾，300 MW以上容量的大型供熱機(jī)組受供熱限制導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰容量不足，靈活性改造效果不明顯[4-5]。而內(nèi)蒙古電網(wǎng)供熱機(jī)組占比達(dá)到50%以上，比例很大；且電源裝機(jī)以300 MW級為主，300 MW及以上燃煤機(jī)組占比約83%，總體調(diào)峰能力較低。

為分析火電深度調(diào)峰對新能源消納的影響程度，依據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)負(fù)荷水平及電源建設(shè)現(xiàn)狀，進(jìn)行2019年調(diào)峰容量平衡分析。網(wǎng)內(nèi)各類機(jī)組的調(diào)峰幅度根據(jù)有關(guān)資料和調(diào)查成果分析確定，調(diào)峰容量平衡的主要原則如下：

(1)系統(tǒng)所需調(diào)峰容量為典型日峰谷差與旋轉(zhuǎn)備用之和，其中負(fù)荷備用容量為最高電力負(fù)荷的3%，事故備用容量為最高電力負(fù)荷的10%，旋轉(zhuǎn)備用容量按事故備用容量的一半與負(fù)荷備用容量之和考慮。系統(tǒng)開機(jī)容量為最高電力負(fù)荷與旋轉(zhuǎn)備用容量之和。

(2)常規(guī)水電站調(diào)峰容量為其裝機(jī)容量；抽水蓄能電站1 200 MW，調(diào)峰能力按其裝機(jī)容量的2倍計(jì)算。

(3)目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)300 MW以上燃煤火電機(jī)組最小技術(shù)出力可達(dá)40%，調(diào)峰幅度為60%；200 MW以下機(jī)組最小技術(shù)出力50%，調(diào)峰幅度為50%。但因?yàn)槊禾績r(jià)格較高，各燃煤電廠燃煤供應(yīng)很難達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)煤種要求，火電機(jī)組很難達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)峰幅度。實(shí)際200 MW以下機(jī)組調(diào)峰幅度為45%，300 MW以上機(jī)組調(diào)峰幅度為55%，系統(tǒng)燃煤火電機(jī)組實(shí)際綜合技術(shù)可調(diào)峰幅度為53%。200 MW以下燃煤機(jī)組經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度為20%～30%、300 MW以上燃煤火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度為30%～50%，考慮兩類機(jī)組的權(quán)重及經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度，系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度約為37%。

(4)風(fēng)電入網(wǎng)反調(diào)峰容量按40%計(jì)。本次計(jì)算，以火電機(jī)組綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度37%和實(shí)際最大可調(diào)峰幅度53%兩種情況為基礎(chǔ)，計(jì)算兩種情況下有無蓄能對風(fēng)電消納的影響，主要成果見表1。

表1 2019年內(nèi)蒙古電網(wǎng)調(diào)峰容量盈虧分析 MW

由表1可知，火電調(diào)峰37%時(shí)，有蓄能后可多消納4 890 MW風(fēng)電；火電調(diào)峰53%時(shí)，有蓄能后可多消納4 410 MW風(fēng)電?？紤]非供熱機(jī)組調(diào)峰幅度由37%提高到53%后，電網(wǎng)可多消納風(fēng)電3 886 MW。因此總體看來，抽水蓄能電站消納風(fēng)電規(guī)模大于火電深度調(diào)峰消納新能源規(guī)模，但是內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電大發(fā)期與供熱期重疊，風(fēng)電夜間大發(fā)出力遠(yuǎn)大于最低負(fù)荷，此時(shí)火電無降負(fù)荷深度調(diào)峰的能力，減少“棄風(fēng)”只能依靠抽水蓄能電站。

3.3 儲能途徑

截止到目前，內(nèi)蒙古電網(wǎng)僅有一座H抽水蓄能電站，暫無其他大規(guī)模儲能電源[6]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)供熱機(jī)組所占比例大，風(fēng)電大發(fā)期與供熱期重疊，特別是冬季夜間低谷時(shí)段，風(fēng)電出力較大，當(dāng)風(fēng)電夜間大發(fā)出力遠(yuǎn)大于最低負(fù)荷時(shí)，火電已無降負(fù)荷深度調(diào)峰的能力，而抽水蓄能是唯一可大規(guī)模填谷的儲能設(shè)備，此時(shí)可通過填谷功能消納風(fēng)電，減少棄風(fēng)電量[7]。通過儲能系統(tǒng)與風(fēng)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，不僅能夠有效減小風(fēng)電電源對系統(tǒng)的沖擊和影響，保障電源電力供應(yīng)的可信度，還可降低電力系統(tǒng)的備用容量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提高電力系統(tǒng)接納風(fēng)電場發(fā)電的能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的充分利用。H抽水蓄能電站逐年運(yùn)行情況見表2。

表2 H抽水蓄能電站逐年運(yùn)行情況

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，自2016年以來，H抽水蓄能電站發(fā)電量、抽水電量等整體呈增長的趨勢，特別是2018年后，漲幅較大，說明自2018年后，H抽水蓄能電站啟用頻繁；而同期，內(nèi)蒙古電網(wǎng)棄風(fēng)棄光率也呈大幅下降的趨勢。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年，內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電小時(shí)數(shù)1 938 h，棄風(fēng)率24.84%，光伏小時(shí)數(shù)1 476 h，棄光率6.58%；2018年風(fēng)電小時(shí)數(shù)2 254 h，棄風(fēng)率13.1%，光伏小時(shí)數(shù)1 649 h，棄光率2.4%；2019年風(fēng)電小時(shí)數(shù)2 207 h，棄風(fēng)率8.8%，光伏小時(shí)數(shù)1 658 h，棄光率1.3%?？梢?，抽水蓄能電站的調(diào)峰填谷功能，可有效消納網(wǎng)內(nèi)新能源，減少棄風(fēng)棄光。

因此，結(jié)合新能源出力特性，以及抽水蓄能電站“填谷”功能，可初步認(rèn)為，H抽水蓄能電站是目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)大規(guī)模消納新能源的最主要手段，其消納新能源優(yōu)勢明顯。內(nèi)蒙古電網(wǎng)2018年～2019年消納新能源情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 內(nèi)蒙古電網(wǎng)2018年～2019年消納新能源情況統(tǒng)計(jì)

從表3可知，2018年1月～11月，內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電上網(wǎng)電量342.19億kW·h，棄風(fēng)電量36.78億kW·h，棄風(fēng)率9.7%；光伏上網(wǎng)電量91.7億kW·h，棄光電量1.50億kW·h，棄光率1.61%。2019年1月～11月，蒙西電網(wǎng)風(fēng)電上網(wǎng)電量360.2億kW·h，同比增長5%；棄風(fēng)電量34.86億kW·h，棄風(fēng)率8.8%，同比減少5.5%。光伏上網(wǎng)電量113.8億kW·h，同比增長24.1%；棄光電量1.49億kW·h，棄光率1.3%，同比減少0.9%?？傮w來看，2019年較2018年多消納新能源4.34億kW·h(其中風(fēng)電3.85億kW·h，光伏0.38億kW·h)，2019年H抽水蓄能電站抽水電量10.57億kW·h，完全可以消納6.16億kW·h的新能源，且剩余的抽水電量還需火電補(bǔ)充?？紤]到電網(wǎng)蓄能規(guī)模有限，風(fēng)電冬季大發(fā)時(shí)和抽水蓄能出力存在不匹配的情況，因此目前難以實(shí)現(xiàn)消納全部新能源。

4 結(jié)論和建議

通過對內(nèi)蒙古電網(wǎng)外送通道、火電調(diào)峰以及儲能三種消納方式的初步研究分析，認(rèn)為在目前情況下，抽水蓄能電站消納新能源作用明顯，不僅有利于減少系統(tǒng)內(nèi)“棄風(fēng)棄光”的程度，同時(shí)有利于維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？梢哉f，抽水蓄能是目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)大規(guī)模消納新能源的最主要手段。

總體來看，在化學(xué)儲能等其他儲能方式大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營之前，在比較長的一段時(shí)間內(nèi)，尤其在安全低碳的總要求和新能源快速發(fā)展的背景下，抽水蓄能作為一種成熟經(jīng)濟(jì)綠色的儲能方式，在消納新能源方面具有較大的優(yōu)勢和能力，應(yīng)該加快抽水蓄能電站的發(fā)展。