國電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司 尹曉龍

1 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，新能源電力將逐漸取代煤電成為未來的主要能源，煤電將逐漸向調(diào)節(jié)性、基礎(chǔ)性轉(zhuǎn)變。發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)是節(jié)能降碳、推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、建設(shè)安全高效能源體系不可或缺的一部分[1]。加大發(fā)展新能源的力度，持續(xù)提升非化石能源在一次能源消費(fèi)的比重，是實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”的必由之路和重要舉措[2]。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局規(guī)劃于“十四五”至“十五五”期間在沙漠、戈壁、荒漠及采煤沉陷區(qū)建設(shè)約4.5億kW大型風(fēng)電光伏基地。規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)電光伏基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。截至2022年一季度，第一批約1億kW的大型風(fēng)電光伏基地項目已開工約8400萬kW，涉及19個省份。與此同時，第二批大基地項目正在加快組織推進(jìn)。在政策支持下，風(fēng)光大基地建設(shè)將成為國家推動“雙碳”戰(zhàn)略落地的重要舉措，將加速新能源成為我國能源的重要組成部分。本文聚焦風(fēng)光資源豐富的山西北部地區(qū)，研究利用采煤沉陷區(qū)土地規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)電光伏基地項目，實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)綜合利用、生態(tài)治理，改善區(qū)域能源結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減碳、降碳，為類似大型風(fēng)電光伏基地的規(guī)劃與實(shí)施提供參考。

2 送受端電力市場分析

2.1 送端電力市場分析

晉北采煤沉陷區(qū)大型風(fēng)電光伏基地（以下簡稱“晉北基地”），其送端為山西電網(wǎng)，該電網(wǎng)位于華北電網(wǎng)西部，是典型的送出型電網(wǎng)。分別通過特高壓“三交一直”外送通道和4個500kV網(wǎng)對網(wǎng)通道、兩個500kV點(diǎn)對網(wǎng)通道，向京津冀魯、華中、江蘇送電。

截至2021年年底，山西電網(wǎng)電源總裝機(jī)容量11337.9萬kW，其中煤電裝機(jī)占60.72%，新能源裝機(jī)占31.59%。2021年，山西凈輸出電量1234.7億kWh，同比增長17.18%，其中省公司外送510.2億kWh，同比增長0.87%。2021年，山西全社會用電量2607.9億kWh，同比增長11.37%。全社會最大負(fù)荷3824.0萬kW，同比增長4.97%。預(yù)測2025年省內(nèi)自用最高發(fā)電負(fù)荷為4750萬kWh，五年平均遞增率5.5%。

截至2021年年底，山西在建煤電項目17項，裝機(jī)容量1857萬kW，核準(zhǔn)停建項目4項，裝機(jī)容量392萬kW瓦；列入“十三五”規(guī)劃未核準(zhǔn)項目5項，裝機(jī)容量544萬kW。電力平衡結(jié)果顯示，當(dāng)考慮風(fēng)電按5%參與平衡，到2022年富裕約540MW，到2025年富裕約5392MW。

2.2 受端電力市場分析

晉北基地主要受端電力市場為華北區(qū)域的京津唐電網(wǎng)，該電網(wǎng)已由傳統(tǒng)的受端電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芏伺c潮流轉(zhuǎn)供電網(wǎng)。內(nèi)部有1000kV張家口、廊坊站、海河站三個特高壓落點(diǎn)及500kV京津唐雙環(huán)網(wǎng)等。截至2020年年底，京津唐電網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)10309萬kW，其中統(tǒng)調(diào)口徑裝機(jī)容量達(dá)10139萬kW，其中燃煤5542萬kW，占比為54.8%；燃?xì)?334萬kW，占比為13.2%；水電122萬kW，占比為1.2%；風(fēng)電2035萬kW，占比為19.9%；光伏1106萬kW，占比為10.9%。

充分考慮當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)形勢，結(jié)合華北電網(wǎng)“十四五”規(guī)劃相關(guān)電力需求預(yù)測成果，2025年京津唐電網(wǎng)全社會用電量預(yù)計達(dá)5020億kWh，“十四五”年均增長率約5.8%，2025年全社會最大負(fù)荷預(yù)計達(dá)95000MW，“十四五”年均增長率約6.0%?！笆奈濉逼陂g，京津唐電網(wǎng)已核準(zhǔn)的規(guī)劃新增常規(guī)電源容量共7590MW。到2025年，京津唐電網(wǎng)風(fēng)電規(guī)劃總裝機(jī)規(guī)模約48148MW，光伏規(guī)劃總裝機(jī)容量約35738MW。

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測和裝機(jī)安排，不考慮新能源，2025年京津唐電網(wǎng)仍有約6283MW的電力缺額。計入5%風(fēng)電后，2025年京津唐電網(wǎng)電力缺額約4613MW。

3 晉北大型風(fēng)電光伏基地規(guī)劃方案研究

3.1 送出通道情況

為滿足京津冀地區(qū)供電需求，“十四五”期間規(guī)劃建設(shè)1000kV大同—懷來—天津北—天津南特高壓輸電通道（以下簡稱“大懷線”），通道起于山西大同特高壓變電站，途經(jīng)山西、冀北、北京、天津，送電至京津冀地區(qū)。

500kV電網(wǎng)初步考慮與新榮站和平城站相連，形成大同特—新榮、大同特—平城各雙回500kV網(wǎng)架。初步規(guī)劃1～2個煤電電源接入大同特高壓站，煤電匯集200～400萬kW。規(guī)劃2～3個500kV新能源匯集站接入大同特高壓站，新能源匯集600～800萬kW。

3.2 晉北地區(qū)新能源資源情況

3.2.1 太陽能資源情況

山西地處華北西部的黃土高原東翼，全年日照約3000h，是太陽能資源較豐富的地區(qū)之一。全省太陽能總輻射年總量在5020～6130MJ/m2，高于同緯度的河北、北京、東北和山西以南各市，其中晉北地區(qū)的光資源最為豐富。以大同市為例，年平均總輻射在5600～5830MJ/m2，即使在輻射量最低的年份，年總輻射量也大于5040MJ/m2，日照小時數(shù)大于2600h，屬于B類“很豐富帶”，平均利用小時數(shù)為1550h，適合大型光伏電站的建設(shè)。

圖6對消息中的名詞進(jìn)行了標(biāo)注，后面有/n、/nr、/ns、/ng的都是名詞，已經(jīng)被標(biāo)注出來，nr是人名，ns是地名，ng是名詞性語素。

3.2.2 風(fēng)能資源情況

山西各地年平均風(fēng)速基本在1.0～4.0m/s，大多數(shù)地區(qū)則在1.5～2.5m/s。其中，晉北區(qū)域的風(fēng)能資源比較豐富，風(fēng)向穩(wěn)定，有效風(fēng)力持續(xù)時間長，氣象災(zāi)害少。以大同市為例，風(fēng)速的分布受地形影響較大，呈現(xiàn)出山區(qū)的風(fēng)速高于盆地，相對而言，大同縣的風(fēng)速較低。靈丘縣南、北兩側(cè)的山區(qū)，渾源縣東南部的山區(qū)，廣靈縣西部與南部的山區(qū)，天鎮(zhèn)縣東南部山區(qū)，陽高縣、大同縣與新榮區(qū)三地交界處，左云縣西北、東南等區(qū)域的山區(qū)，風(fēng)資源條件較好，100m高度處的年平均風(fēng)速在5.5m/s以上。渾源縣東南部山區(qū)、廣靈縣與靈丘縣交界處、天鎮(zhèn)縣與河北省的交界處等區(qū)域100m高度處的年平均風(fēng)速在7.5m/s以上。

3.2.3 采煤沉陷區(qū)土地資源情況

晉北地區(qū)地貌地形復(fù)雜多樣，山地、丘陵、盆地、平川兼?zhèn)?。采煤沉陷區(qū)主要分布在大同市范圍內(nèi)，共有約80處，涉及責(zé)任主體煤礦約80座，沉陷區(qū)總面積約100萬畝，其中核心區(qū)總面積6萬余畝。朔州市也有一定規(guī)模的采煤沉陷區(qū)適合開發(fā)建設(shè)光伏項目。初步估算，晉北采煤沉陷區(qū)土地資源總量能夠支撐約600萬kW新能源項目建設(shè)的用地需求，但部分呈分散化特征。新能源場站選址時需對照國土部門三調(diào)圖排除林地、土地、生態(tài)保護(hù)紅線等顛覆性因素，并根據(jù)地形地貌、向陽向背等情況進(jìn)一步排查建設(shè)條件。

3.3 新能源場址選擇方案

新能源場站以采煤沉陷區(qū)為重點(diǎn)進(jìn)行場址選擇。避讓生態(tài)紅線、基本農(nóng)田、軍事設(shè)施、已建或待建項目場址等限制性因素，滿足國家和地方對新能源建設(shè)場址的相關(guān)要求。優(yōu)先選擇集中連片，適合新能源集中布局、規(guī)?；_發(fā)的場址，不搞碎片化。堅持統(tǒng)籌推進(jìn)，充分考慮配套煤電電源支撐作用，推動煤炭和新能源的優(yōu)化組合。堅持系統(tǒng)觀念，充分考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)安全與經(jīng)濟(jì)高效，優(yōu)化新能源規(guī)模與協(xié)同組織，保障新能源高效利用。

結(jié)合晉北地區(qū)風(fēng)光資源分析，晉北基地光伏電站初步選擇在大同市云岡區(qū)、云州區(qū)、左云縣、陽高縣、渾源縣、靈丘縣以及朔州市平魯區(qū)、右玉縣6個地區(qū)，主要位于光資源較好的區(qū)域；風(fēng)電場初步選擇在朔州市右玉縣、大同市陽高縣2個地區(qū)。

3.4 配套煤電選擇方案

結(jié)合核準(zhǔn)、納規(guī)以及山西省煤電“上大壓小”項目進(jìn)展情況，基地煤電備選項目共三個：國電電力大同湖東電廠2×100萬kW項目、大唐中煤大同2×100萬kW“上大壓小”項目、晉控電力同熱三期2×100萬kW“上大壓小”項目。其中，湖東電廠已核準(zhǔn)、開工，其余兩個項目均處于前期階段，尚未核準(zhǔn)。本文考慮將比較成熟的湖東電廠2×100萬kW火電機(jī)組作為配套煤電調(diào)節(jié)電源進(jìn)行研究。

3.5 電源配比方案

根據(jù)晉北三市風(fēng)光資源條件，在對周邊土地資源進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合新能源場站建設(shè)條件，本文初步考慮在晉北基地規(guī)劃風(fēng)電1000MW，光伏5000MW。

為了緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，減少棄光棄風(fēng)電量，本基地規(guī)劃在光伏、風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加裝機(jī)容量15%的儲能系統(tǒng)，利用儲能的充放電特性，結(jié)合光伏逆變器、風(fēng)能變流器的輸出功率，提高新能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。加入儲能后相對于常規(guī)光伏、風(fēng)電來說將具有更友好的并網(wǎng)特性、更高質(zhì)量的電力輸出，更高精度的預(yù)測水平、更高效的資源利用率[3]。本基地擬配置900MW/1800MWh電化學(xué)儲能。晉北基地電源容量分配表見表1。

表1 晉北基地電源容量分配表

按照上述電源容量分配，基地運(yùn)行時一方面最大限度地滿足山西網(wǎng)、京津唐電網(wǎng)負(fù)荷需求，另一方面通過互補(bǔ)調(diào)節(jié)提高送出電量中的新能源電量占比。配套新能源電源小發(fā)情況下，調(diào)節(jié)電源（火電及儲能）提高出力滿足送電需要；配套新能源大發(fā)情況下，調(diào)節(jié)電源（火電及儲能）進(jìn)入向下調(diào)峰運(yùn)行模式，保障新能源電量送出。

3.6 接入系統(tǒng)方案

根據(jù)基地規(guī)模及周邊電網(wǎng)規(guī)劃情況，基地接入系統(tǒng)方案可初步規(guī)劃為以下兩套方案。

初步接入方案一：湖東電廠以1回1000kV線路接入大同特高壓站，新能源項目新建3座500kV匯集站和12座220kV升壓站，相關(guān)新能源項目通過220kV升壓站升壓后，每座220kV升壓站新建1回220kV線路接入500kV匯集站，3座500kV匯集站分別以2回500kV線路接入大同特高壓500kV側(cè)。如圖1所示。

初步接入方案二：湖東電廠以2回500kV線路接入大同特高壓站，新能源項目新建3座500kV匯集站和12座220kV升壓站，相關(guān)新能源項目通過220kV升壓站升壓后，每座220kV升壓站新建1回220kV線路接入500kV匯集站，其中匯集左云、云岡項目的500kV匯集站以2回500kV線路接入大同特高壓500kV側(cè)，匯集右玉、平魯項目的500kV匯集站以2回500kV線路接入大同特高壓500kV側(cè)，匯集陽高、渾源項目的500kV匯集站以2回500kV線路接入湖東電廠500kV母線，與湖東電廠打捆送出至大同特高壓站。如圖2所示。

3.7 采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理

山西北部是我國重要的煤炭工業(yè)基地之一，過度開發(fā)給晉北地區(qū)帶來了嚴(yán)重的自然生態(tài)環(huán)境問題[4]。近年來，國家對生態(tài)環(huán)境格外重視，獨(dú)立工礦區(qū)、采煤沉陷區(qū)的轉(zhuǎn)型發(fā)展任務(wù)艱巨。在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，可以實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)的土地復(fù)墾、地災(zāi)治理、生態(tài)恢復(fù)等綜合治理，恢復(fù)和改善采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境。2016年，國家計劃建設(shè)550萬kW光伏領(lǐng)跑基地，其中有450萬kW結(jié)合了采煤沉陷區(qū)治理[5]。

一方面在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，可以利用居民搬遷后的閑置土地及生態(tài)脆弱區(qū)域，采用林光互補(bǔ)、農(nóng)光互補(bǔ)、牧光互補(bǔ)等開發(fā)模式，通過對低附加值土地的綜合利用解決光伏項目用地難的問題；另一方面，在采煤沉陷區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)域鋪設(shè)光伏組件，可以有效降低土壤水分蒸發(fā)量，組件定期清洗的水分可以提高土壤含水率，改善土壤質(zhì)量，有利于地表修復(fù)。組件支架可選用對環(huán)境影響較小的鋼柱式或圓柱形水泥墩固定列陣支架、柔性光伏支架結(jié)構(gòu)等，最低安裝高度高于當(dāng)?shù)毓嗄酒骄叨?，加寬陣列間距，并種植易成活植物，帶動沉陷區(qū)生態(tài)治理。

4 綜合效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

按照國家相關(guān)定額標(biāo)準(zhǔn)、省級政策法規(guī)，參考2022年1～2月大同地區(qū)價格水平，太陽能電池板按1.8元/瓦（含稅現(xiàn)場價），按照中國水電工程顧問集團(tuán)公司、北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司編制的《CGD光伏發(fā)電工程-經(jīng)濟(jì)評價軟件V2.0.1（SEE）》進(jìn)行計算。晉北基地新能源部分的總投資約為330億元，單位投資約為5500元/kW。資本金按總投資的20%，上網(wǎng)電價取晉北地區(qū)某外送京津唐電網(wǎng)火電廠3年平均綜合上網(wǎng)電價0.34488元/kW進(jìn)行測算，本基地投資財務(wù)內(nèi)部收益率（稅前）約6.83%，資本金財務(wù)內(nèi)部收益率約8.12%。從上述測算分析可以看出，明該項目盈利能力能夠滿足行業(yè)要求。

4.2 社會效益和環(huán)境效益

晉北基地的規(guī)劃建設(shè)可有效拉動當(dāng)?shù)赝顿Y，增加就業(yè)，促進(jìn)地方發(fā)展。發(fā)出的綠電直送津京唐電網(wǎng)可緩解首都地區(qū)的用電壓力，風(fēng)光火儲多能互補(bǔ)的模式可充分利用輸電線路資源，減輕受端調(diào)節(jié)壓力。晉北基地新能源部分規(guī)劃裝機(jī)600萬kW，25年規(guī)劃運(yùn)行期內(nèi)年平均上網(wǎng)電量約95億kWh，每年可節(jié)約發(fā)電標(biāo)煤約290萬t。初步測算，在25年運(yùn)行期內(nèi)，晉北基地可節(jié)省標(biāo)煤約7300萬t，每年可減輕排放溫室效應(yīng)氣體CO2約730萬t，減少排放大氣污染氣體SO2約1780t、NOx約1860t、煙塵約360t。

5 結(jié)語

對于大型風(fēng)電光伏基地，經(jīng)調(diào)研顯示技術(shù)可開發(fā)比重占全國的60%以上，在沙漠、戈壁、荒漠和采煤沉陷區(qū)建設(shè)大型風(fēng)電光伏基地，可以充分發(fā)揮這些地區(qū)風(fēng)能、太陽能資源富集、建設(shè)條件好的優(yōu)勢，是著力筑牢國家能源安全屏障、推進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要舉措。

晉北采煤沉陷區(qū)大型風(fēng)電光伏基地的規(guī)劃和實(shí)施，可以充分利用晉北豐富的風(fēng)能、太陽能資源以及在建煤電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)光火儲”多能互補(bǔ)，減輕受端電網(wǎng)壓力。規(guī)?；?、集約化、一體化的開發(fā)模式，有利于節(jié)約土地資源、減少環(huán)境污染，節(jié)約煤炭等一次能源及水資源，降低煤電機(jī)組的運(yùn)行成本，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。