關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃；調(diào)峰；新能源；裝機(jī)容量；河南省

中圖分類號(hào)：ＴＶ７４３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２２

引用格式：高冉冉，楊程皓，翟鑫，等．基于電源優(yōu)化規(guī)劃的河南省抽蓄電站規(guī)模分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１３１－１３５．

０引言

目前河南電網(wǎng)燃煤火電裝機(jī)容量占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的６４％，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的水電和抽水蓄能電站僅占４％，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量占２６％，電網(wǎng)調(diào)峰主要依賴火電機(jī)組深度調(diào)節(jié)，不僅大幅度增加了煤炭消耗，而且影響機(jī)組壽命和安全運(yùn)行。抽水蓄能電站具有削峰填谷雙重調(diào)峰功能，是經(jīng)濟(jì)可行的調(diào)峰措施。根據(jù)未來(lái)河南電網(wǎng)的負(fù)荷特點(diǎn)、電源構(gòu)成、新能源及外送電過(guò)程，本文采用電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃模型，分析對(duì)抽水蓄能電站的規(guī)模需求，為《河南省抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃調(diào)整報(bào)告》編制提供依據(jù)和支撐。

１河南電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

１．１河南電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

截至２０２０年底，全省發(fā)電裝機(jī)容量１０ １６８．５萬(wàn)ｋＷ（含應(yīng)急調(diào)峰儲(chǔ)備電源），其中：煤電裝機(jī)６ ４８２．４萬(wàn)ｋＷ，占比６３．７％；氣電裝機(jī)３３５．２萬(wàn)ｋＷ，水電、風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)分別為４０８．０萬(wàn)、１５１８．３萬(wàn)、１ １７４．６萬(wàn)、１５０．０萬(wàn)ｋＷ；其他電源裝機(jī)１００．０萬(wàn)ｋＷ。

可再生能源裝機(jī)總規(guī)模３ ２５１．３萬(wàn)ｋＷ，占總發(fā)電裝機(jī)容量的比重為３２．０％。電源分布以京廣鐵路以西為主，約占全省總裝機(jī)的８５％，整體呈現(xiàn)省內(nèi)“西電東送”格局。接納區(qū)外電力輸入容量共１ ０７０ 萬(wàn)ｋＷ，其中：接納三峽水電站輸入容量（簡(jiǎn)稱三峽水電）２００ 萬(wàn)ｋＷ，哈密—鄭州±８００ ｋＶ 特高壓直流（簡(jiǎn)稱天中直流）輸入容量５００萬(wàn)ｋＷ，青海—河南±８００ ｋＶ 特高壓直流（簡(jiǎn)稱青豫直流）輸入容量３７０ 萬(wàn)ｋＷ。

１．２現(xiàn)狀存在問(wèn)題

１）電源調(diào)峰能力不能滿足需要。河南電網(wǎng)用電最大峰谷差超過(guò)２ ８００萬(wàn)ｋＷ，日峰谷差率達(dá)４３％，新能源并網(wǎng)已超過(guò)２７００萬(wàn)ｋＷ，占全省裝機(jī)規(guī)模的２８％。目前，水電裝機(jī)（含抽水蓄能）僅４０８萬(wàn)ｋＷ、占比僅４％，全省供熱機(jī)組達(dá)２７６０萬(wàn)ｋＷ（采暖季基本無(wú)調(diào)峰能力），省網(wǎng)調(diào)峰非常困難。隨著新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，調(diào)峰難度進(jìn)一步增大。

２）電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行壓力增大。天中直流、青豫直流的投產(chǎn)，使河南電網(wǎng)形成特高壓交直流電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的格局，隨著外電入豫規(guī)模的逐步增大，以及風(fēng)電、光伏等新能源電站的快速發(fā)展，河南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

１．３河南省電力需求預(yù)測(cè)

河南電網(wǎng)電力需求預(yù)測(cè)成果見(jiàn)表１。２０３０年、２０３５年河南省全社會(huì)用電量分別達(dá)到５ ４００ 億、６ ０００億ｋＷ·ｈ，全社會(huì)最大負(fù)荷分別達(dá)到１１５００萬(wàn)、１２８００萬(wàn)ｋＷ。中遠(yuǎn)期年內(nèi)逐月負(fù)荷率預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表２，最高負(fù)荷出現(xiàn)在７ 月，冬季１２月最大負(fù)荷約為全年最大負(fù)荷的０．８５，４ 月最大負(fù)荷約為全年最大負(fù)荷的０．６１，季不均衡系數(shù)ρ 為０．７７２。

預(yù)測(cè)２０３５年河南電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線呈馬鞍形（見(jiàn)圖１），夏季高峰負(fù)荷出現(xiàn)在中午和晚上燈峰時(shí)間，且午高峰大于晚高峰；冬季最高峰負(fù)荷出現(xiàn)在燈峰時(shí)間，次高峰負(fù)荷出現(xiàn)在１１：００—１４：００。２０３５年平均日負(fù)荷率為０．７６～０．８２，最小負(fù)荷率為０．５８～０．６２，冬季日最小負(fù)荷率β 較夏季略小。

１．４電源發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)《中共河南省委關(guān)于制定河南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二0三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》及相關(guān)規(guī)劃，為了如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和剛性目標(biāo)，今后河南省要構(gòu)建低碳高效的能源支撐體系：加快關(guān)停超期服役、能耗和污染排放水平不達(dá)標(biāo)等煤電機(jī)組；加快純凝機(jī)組采暖供熱改造和背壓機(jī)組發(fā)展，有序推進(jìn)抽凝供熱機(jī)組建設(shè)；大力推進(jìn)現(xiàn)有火電機(jī)組靈活性改造，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力；大力推進(jìn)風(fēng)電建設(shè)，山地風(fēng)電和平原風(fēng)電并舉；加快發(fā)展分布式光伏；加強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)峰能力建設(shè)。

２ 電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃模型簡(jiǎn)介

２．１模型架構(gòu)及思路

本模型由黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司研制開(kāi)發(fā)，模型系統(tǒng)由主模型和若干個(gè)子模型構(gòu)成，用于多個(gè)項(xiàng)目論證。

主模型為分解協(xié)調(diào)模型，它的功能是優(yōu)化水電站（包括抽水蓄能電站）的最優(yōu)開(kāi)發(fā)次序和投入時(shí)間，其目標(biāo)函數(shù)為電力系統(tǒng)在規(guī)劃期內(nèi)的總費(fèi)用最小。

子模型有４ 個(gè)：１）水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用子模型。功能是計(jì)算水電站群的電能指標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為水電站群的發(fā)電效益最大。２）電力電量平衡及調(diào)峰容量平衡子模型。功能是確定水電站的工作容量、備用容量和空閑容量，分析確定火電站的裝機(jī)容量、發(fā)電量和承擔(dān)的調(diào)峰容量等。３）火電站排序子模型。采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法優(yōu)化各火電電源的投產(chǎn)時(shí)間，并反饋給主模型，其目標(biāo)函數(shù)為火電站的投資費(fèi)用最小。４）生產(chǎn)模擬模型。在各電站投產(chǎn)時(shí)間一定的情況下，模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行，計(jì)算系統(tǒng)的可變運(yùn)行費(fèi)用，其目標(biāo)函數(shù)是系統(tǒng)的可變運(yùn)行費(fèi)用最小。

風(fēng)電、光伏作為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的清潔能源，其開(kāi)發(fā)建設(shè)受國(guó)家政策影響，系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)此類電源不參與優(yōu)化；特高壓外送電屬區(qū)域間能源配置優(yōu)化的重大措施，其投資和費(fèi)用宜放在整個(gè)國(guó)家去優(yōu)化，這里僅按送電量和電價(jià)計(jì)算購(gòu)電費(fèi)用。模型計(jì)算時(shí)擬定新能源的投產(chǎn)進(jìn)度，規(guī)劃建設(shè)的第三條、第四條特高壓直流（簡(jiǎn)稱“第三直流”“第四直流”）外電通道的送電過(guò)程參照天中直流。電力電量和調(diào)峰容量平衡時(shí)，根據(jù)原始日負(fù)荷曲線，扣除風(fēng)、光典型日出力過(guò)程和外電設(shè)計(jì)送電量后，利用殘余日負(fù)荷曲線進(jìn)行電源擴(kuò)展優(yōu)化計(jì)算。

２．２火電站排序子模型簡(jiǎn)介

模型計(jì)算的約束條件包括電力系統(tǒng)負(fù)荷、用電量、調(diào)峰容量需求、機(jī)組備用約束以及其他約束。

３采用的基本資料

３．１各類已確定電源的建設(shè)安排

１）煤電?！笆奈濉逼陂g，河南規(guī)劃煤電裝機(jī)７２２萬(wàn)ｋＷ，規(guī)劃的電廠包括安陽(yáng)新電廠（等容量替換）、許昌新電廠（退城進(jìn)郊）、平頂山姚孟新電廠（退城進(jìn)郊）、南陽(yáng)鄧州電廠和商丘煤電；河南電網(wǎng)計(jì)劃“十四五”期間關(guān)?；痣姍C(jī)組４４２．４ 萬(wàn)ｋＷ；“十五五”期間，關(guān)停所有３０ 萬(wàn)ｋＷ 以下單機(jī)的非供熱火電機(jī)組。２０２５ 年已建的火電站總裝機(jī)容量為６ ９３７．５ 萬(wàn)ｋＷ，２０３０年和２０３５年均為６ ８００萬(wàn)ｋＷ。

２）天然氣電站?，F(xiàn)狀總裝機(jī)容量為３３４ 萬(wàn)ｋＷ，考慮到氣源匱乏，到規(guī)劃水平年，河南省不再新增燃?xì)庋b機(jī)。

３）水電站。截至２０２０ 年底，河南省已建常規(guī)水電裝機(jī)容量為２７６萬(wàn)ｋＷ，開(kāi)發(fā)利用程度高達(dá)９５．８１％；已建的抽水蓄能電站有２ 座，總裝機(jī)容量１３２ 萬(wàn)ｋＷ；正在建設(shè)的抽水蓄能電站有４ 座，分別為南召天池（１２０萬(wàn)ｋＷ）、洛寧大魚(yú)溝（１４０ 萬(wàn)ｋＷ）、光山五岳（１００萬(wàn)ｋＷ）、魯山花園溝（１３０ 萬(wàn)ｋＷ）。河南省抽水蓄能電站站點(diǎn)資源較為豐富，可根據(jù)電力市場(chǎng)空間和調(diào)峰需要擇優(yōu)建設(shè)。

４）風(fēng)電、光伏。根據(jù)河南省能源發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)２０３５年全省并網(wǎng)風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)和其他電站的裝機(jī)容量分別達(dá)到４ ６００ 萬(wàn)、５４００萬(wàn)、４００萬(wàn)ｋＷ（見(jiàn)表３）。

５）省外送受電規(guī)劃。隨著能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的推進(jìn)，未來(lái)河南省將堅(jiān)持“內(nèi)節(jié)外引”能源發(fā)展戰(zhàn)略，加大入豫電力規(guī)模，以滿足全省電力供應(yīng)。２０３５年，河南電網(wǎng)接受三峽水電２００ 萬(wàn)ｋＷ、天中直流７４０ 萬(wàn)ｋＷ、青豫直流７４０ 萬(wàn)ｋＷ、第三直流７４０ 萬(wàn)ｋＷ、第四直流７４０ 萬(wàn)ｋＷ，接受省外電力總規(guī)模３１６０ 萬(wàn)ｋＷ。

３．２基本參數(shù)

１）火電機(jī)組主要考慮單機(jī)３０ 萬(wàn)（供熱）、６０ 萬(wàn)ｋＷ兩種類型機(jī)組，火電機(jī)組調(diào)峰能力按設(shè)計(jì)最大技術(shù)調(diào)節(jié)能力考慮?？紤]技術(shù)靈活性改造及環(huán)保要求后火電機(jī)組單位裝機(jī)容量投資４５００ 元／ ｋＷ，火電站年運(yùn)行費(fèi)率為４．５％。

２）抽水蓄能電站：河南省抽水蓄能站址條件相對(duì)較好，計(jì)算投資時(shí)?。?３００ 元／ ｋＷ。

３）系統(tǒng)備用容量：系統(tǒng)負(fù)荷備用采用當(dāng)月最大負(fù)荷的３％，事故備用采用當(dāng)月系統(tǒng)最大負(fù)荷的１０％，旋轉(zhuǎn)事故備用為事故備用的一半。

４）單機(jī)１００萬(wàn)、６０萬(wàn)ｋＷ 級(jí)機(jī)組最大調(diào)峰能力按６０％考慮，３０ 萬(wàn)ｋＷ 級(jí)機(jī)組最大調(diào)峰能力按５０％考慮，供熱機(jī)組夏季、冬季最大調(diào)峰能力分別按５０％、２５％考慮。

５） 檢修時(shí)間：水電站機(jī)組檢修一般安排在枯水期，按１個(gè)月檢修１臺(tái)考慮；抽水蓄能機(jī)組亦按１ 個(gè)月檢修１ 臺(tái)考慮；火電機(jī)組檢修按每臺(tái)１．５ 個(gè)月計(jì)算。

４電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃計(jì)算成果

為了實(shí)現(xiàn)２０３０年碳達(dá)峰、２０６０年碳中和目標(biāo)，未來(lái)河南電網(wǎng)電力需求將主要依靠存量煤電＋省內(nèi)新能源＋省外送電＋抽水蓄能電站解決。在滿足河南電力系統(tǒng)電力電量和調(diào)峰容量要求的條件下，采用電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃模型，對(duì)河南電網(wǎng)２種可能的電源建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化比選，具體為：１）方案一，考慮第三、第四直流生效情況下，新增火電站方案；２）方案二，考慮第三、第四直流生效情況下，新增抽水蓄能電站＋火電站方案。

上述２ 種方案的２０３５ 年河南電力系統(tǒng)電源擴(kuò)展規(guī)劃成果見(jiàn)表４。方案一河南電力系統(tǒng)２０３５ 年需要火電站總裝機(jī)容量１０ ０１０萬(wàn)ｋＷ，與現(xiàn)狀火電站裝機(jī)６ ８００萬(wàn)ｋＷ 相比， 需要新增火電裝機(jī)容量３ ２１０萬(wàn)ｋＷ，火電站和抽水蓄能電站占省內(nèi)電力系統(tǒng)裝機(jī)比例分別為４６．３％和２．９％。分析結(jié)果表明，方案一夏季、冬季需火電機(jī)組綜合最大調(diào)峰幅度分別達(dá)到６０．８％、６８．３％，電力系統(tǒng)總耗煤量為１１ ６３５萬(wàn)ｔ，電力系統(tǒng)總費(fèi)用現(xiàn)值為１２４３４億元。因此，在考慮新能源裝機(jī)增加、外電入豫生效的情況下，若僅新增火電站以滿足系統(tǒng)電力和調(diào)峰需求，則河南電網(wǎng)的火電機(jī)組將承擔(dān)繁重的調(diào)峰任務(wù)，超過(guò)了火電機(jī)組的技術(shù)調(diào)峰能力，需火電機(jī)組頻繁深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰，不僅影響機(jī)組使用壽命，而且增加燃料費(fèi)用。

方案二河南電力系統(tǒng)２０３５年火電站、抽水蓄能電站裝機(jī)容量分別為８ １８０萬(wàn)、２ ４３２ 萬(wàn)ｋＷ，與現(xiàn)狀電源裝機(jī)相比，需要新增火電站、抽水蓄能電站裝機(jī)容量分別為１ ３８０ 萬(wàn)、１ ８１０ 萬(wàn)ｋＷ，火電站、抽水蓄能電站占比分別為３７．８％、１１．２％。方案二夏季、冬季需火電機(jī)組綜合最大調(diào)峰幅度分別為３２．６％、３２．０％，電力系統(tǒng)總耗煤量為１１ ４６５ 萬(wàn)ｔ，電力系統(tǒng)總費(fèi)用現(xiàn)值為１２３３５億元。通過(guò)兩個(gè)方案對(duì)比看出，方案二火電機(jī)組最大調(diào)峰幅度大幅度減小，系統(tǒng)總煤耗量減少１７０萬(wàn)ｔ，電力系統(tǒng)總費(fèi)用減少９９ 億元，表明新增抽水蓄能電站能夠有效降低火電機(jī)組調(diào)峰深度，減少系統(tǒng)煤炭消耗，保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（方案二各年電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃成果見(jiàn)表５）。

考慮河南電網(wǎng)負(fù)荷的變化、火電機(jī)組單位容量投資增加、風(fēng)電反調(diào)峰能力增加等，采用電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃模型，對(duì)河南電力系統(tǒng)電源擴(kuò)展規(guī)劃方案進(jìn)行分析，結(jié)果（見(jiàn)表６）表明，考慮高負(fù)荷水平、火電機(jī)組單位裝機(jī)容量投資增加以及風(fēng)電反調(diào)峰能力增加到６０％三種情況下，河南電網(wǎng)２０３５年抽水蓄能電站裝機(jī)容量為２ ４９２ 萬(wàn)～２ ９１２萬(wàn)ｋＷ，需要新增抽水蓄能電站容量為１ ８７０ 萬(wàn)～２ ２９０ 萬(wàn)ｋＷ。

５結(jié)論

采用電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃模型，通過(guò)不同電源方案的電力電量平衡、調(diào)峰容量平衡、生產(chǎn)模擬計(jì)算和經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)河南電網(wǎng)電源建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，得到以下結(jié)論：

１）河南電網(wǎng)現(xiàn)狀電源以火電機(jī)組為主，缺乏快速靈活經(jīng)濟(jì)安全的調(diào)峰電源，火電機(jī)組調(diào)峰壓力大，影響電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，亟須建設(shè)調(diào)峰電源。

２） 抽水蓄能電站具備削峰、填谷的雙重調(diào)峰能力，調(diào)節(jié)運(yùn)用靈活快速，是安全經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰電源，是國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)的電源。

３）電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃成果表明，在滿足電力系統(tǒng)電力電量和調(diào)峰容量需求、促進(jìn)新能源有效消納、減少系統(tǒng)煤炭消耗、系統(tǒng)總費(fèi)用最小的情況下，基本方案中河南電網(wǎng)需要抽水蓄能電站裝機(jī)容量２４３２萬(wàn)ｋＷ，需在已建、在建裝機(jī)容量６２２萬(wàn)ｋＷ 的基礎(chǔ)上新增１８１０萬(wàn)ｋＷ；敏感性分析結(jié)果表明，考慮邊界條件的不確定性，不同方案最大需新增２２９０萬(wàn)ｋＷ。

４）模型計(jì)算為《河南省抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃調(diào)整報(bào)告》編制提供了技術(shù)依據(jù)。該規(guī)劃綜合考慮河南電網(wǎng)調(diào)峰需求和外電入豫的安全需求，確定２０３５ 年需新增抽蓄裝機(jī)容量。