抽水蓄能建设新思路:与风电联合开发

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　　内蒙古电网分为东部电网和西部电网,其东部电网隶属于国家电网公司,西部电网隶属于内蒙古自治区。西部电网以火电为主,2009年年底全网统调发电装机3402万千瓦,其中火电2914万千瓦,风电430万千瓦。近年来,内蒙古风电发展迅速,截至2010年5月底,内蒙古风电并网装机容量由2005年的17万千瓦增加到目前的766万千瓦,5年间增长了40多倍。
　　为了解决大比例风电入网对电能质量的影响并减少低谷期风电弃风,同时实现促进清洁能源发展和保证电网安全运行的目标,建设抽水蓄能电站增加电网调峰能力具有高度的必要性和紧迫性。
　　
　　呼和浩特抽水蓄能电站简介
　　
　　呼和浩特抽水蓄能电站是内蒙古地区第一座抽水蓄能电站,位于呼和浩特东北部大青山区,距呼和浩特市区约20公里。电站安装四台单机容量为300HW的竖轴单机混流可逆式水泵水轮机组,总装机容量12DOH W。电站设计年发电量20,075亿kW・h,年抽水用电量26.7267亿kW・h。电站通过一回500kV出线接至距离约45km的呼和浩特东500kV变电站,并入内蒙古西部电网。电站计划2013年首台机组发电,2014年建成投产,主要承担调峰、填谷、事故备用等任务,并将与风电机组联合运行,实现内蒙古电网火电、风电、调峰电源协调发展。
　　
　　内蒙古地区风电发展现状
　　
　　内蒙古自治区地域辽阔,风能资源丰富,全区风能总储量10.52亿千瓦,技术可开发量约1.5亿千瓦,居全国首位,占全国陆地风能资源储量的50%以上。内蒙古地区与我国华北、东北、西北八个省区相邻,距华北东北的负荷中心较近,区内风电具有大规模开发和集中外送的天然条件。
　　截至2010年5月底,内蒙古风电并网装机容量达到766.77万千瓦,同比增长140.57%。全区并网风电装机容量已连续6年以超过100%的速度增长,目前的风电并网装机容量占全国的三分之一左右。截至目前,内蒙古自治区已有5个盟市风电并网装机容量超过100万千瓦。规划到2020年内蒙古西部地区风电开发规模达3830万千瓦。
　　
　　风电对电网的影响
　　由于自然风存在不稳定的随机突变性、日夜变化性、气候变化性和季节变化性的显著特点,因此风力发电的输出功率也会随着风速的变化而变化,因此大量风电机组并网运行后,电网为了平衡其功率的随机突变性和日夜及季节的变化性,调峰、调频压力随之增大,电网必须为风电配套足够的调峰调频容量,以保证电网的安全稳定运行和峰谷差调度。目前,内蒙古电网风电上网容量超过了电网容量的12%,最大达到了18.7%,随着目前我国低碳型经济和绿色能源政策的推广,内蒙古风电开发的力度将进一步加大,风电在电网中所占的比例也将进一步加大。而当前世界上只有丹麦风电并网比例超过了电网容量的20%,因此,风电比例的加大对内蒙古电网的电力调度和电能质量的保证是一个严峻的考验。
　　
　　风电面临的弃风问题
　　内蒙古属于高寒地区,冬季供热从10月15日到第二年的4月15日,历时6个月,城镇供热主要靠供热机组,在冬季供热期,供热机组运行容量占冬季最高发电负荷的60%～70%,为保证供热,机组不能限负荷,不能参与调峰,导致电网调峰能力进一步降低,无法满足大规模风电并网后负荷变化的要求。2009年冬季,到后夜低谷期,内蒙古电网最低负荷(包括东送)约1230万千瓦,其中火电供热机组就占了1200万千瓦。为了保供热保民生,留给风电的负荷裕度已经很小,风电不得已采取了弃风的措施。而内蒙古地区在冬春季和夜间是风资源相对丰富的时段,电网低谷期的弃风不仅造成了风资源的浪费,也给风电企业造成巨大的经济损失。随着内蒙古风电的进一步大规模开发和风电占电网负荷比例的进一步加大,夜间低谷弃风问题会更加严重。
　　
　　抽水蓄能电站与风电联合运行的思考
　　
　　内蒙古地区风电要想大规模发展,必须增强电网的快速响应和调峰调频能力,以平衡风电输出不稳定和容量变化的特点,满足风电并网后功率变化和夜间不弃风的要求。
　　内蒙古电网具有以火电为主、水电很少、风电发展十分迅速的特点,目前调峰调频也主要靠火电机组实现。由于火电机组起停时间太长、频繁启动代价太高、深度调峰煤耗太高、负荷跟踪能力较差,火电机组调峰调频,不仅经济上不合理,而且调峰调频的质量和灵活性也不能满足电网提高电能质量要求;加上内蒙古地区冬季有六个月的供热期,供热机组必须保持正常出力不能参与调频调峰,也增加了其他火电机组的调峰压力;燃气调峰在欧美国家有所应用,但我国缺少燃气资源,再分配其作为风电的调峰备用代价太高、不太现实,内蒙古电网只有300HW燃气机组。以上多种原因致使内蒙古电网的调峰调频能力和电能质量调节受到了极大的制约。
　　
　　抽水蓄能机组与风电的互补作用
　　
　　抽水蓄能电站在后夜将电网多余的电能吸收进来,变成水能,在电网高峰期作为调峰调频电能输入电网,是一种将多余电能转化为优质电能调节电厂;由于抽水蓄能技术具有独特的优越性,能量储存和转换的快速响应性很强,电能转换容量大、效率较高,强迫停运率低,运行安全可靠,稳定性好,供电质量高,建设技术成熟,相对成本较低,已经成为目前电网调峰调频的主要手段之一。
　　我们知道,风电弃风基本发生在后夜低谷期间,而抽水蓄能电站从电网吸收电能抽水也发生在后夜低谷期间;由于蓄能电站抽水用电,可以吸收大量的本来必须要被迫弃掉的风能电量,因此,风电与抽水蓄能联合运行能够将本来必须要被迫弃掉的风能电量以水能的形式储存起来,第二天在电网高峰期间转换成高效优质的电能输入电网,从而达到了变废为宝的效果。
　　由于吸收的风电是可再生的清洁能源,而且抽水蓄能电站的整个生产过程也是清洁环保的生产过程,因此,风电与抽水蓄能的联合运用不仅减少了风电的电量损失,提高了各自的运用效果,也为电网注入了可再生的清洁能源,对能源的吸收、生产、转换的全过程都是清洁、无污染的。符合国家可再生清洁能源政策的要求。
　　
　　抽水蓄能机组对风电变化的响应
　　经统计计算,内蒙古电网风电多年平均运行小时数22D0小时。5分钟变化率为13%;10分钟变化率为20%,按风电上网容量400万千瓦计算,5分钟变化容量为52万千瓦;10分钟变化容量为80万千瓦。抽水蓄能机组从停机状态启动到带满负荷仅需1～2分钟,由抽水工况转换到发电工况也只需3～4分钟,机组的反应速度完全能够满足风电出力的变化。经测算,一座120万千瓦装

机的抽水蓄能电站作为风电场的调峰电源,通过风电与抽水蓄能互补,电网可多接纳200万千瓦风电出力。
　　抽水蓄能机组除了可以削峰填谷外,还能平衡风电功率不稳定和随机突变性对电网的不利影响,保证电网的电能质量,其负荷调节的响应速度完全可以跟踪平衡风电的变化速度。
　　
　　抽水蓄能机组对电网的作用
　　建设抽水蓄能电站解决了火电厂深度调峰的问题,解决了风电场在夜间特别是冬季大规模弃风的问题,解决了大比例风电上网对电网安全稳定的影响,同时也增强了电网调峰填谷、调频调相和事故备用的能力。因此,建设抽水蓄能电站是提高内蒙古电网风电接纳能力,保证大规模风电接入后电网安全稳定运行的重要措施。
　　对内蒙古电网而言,由于火电机组的调节能力受限,而且火电机组调节速度不能满足风电短时变化率的响应要求,因此,抽水蓄能电站是最高效、最灵活、最清洁、最经济适用的调峰调频电源。
　　
　　抽水蓄能电站的投资和经营模式探讨
　　
　　如果考虑抽水蓄能电站与风电配合运行,为风电企业服务,按照“谁受益,谁投资”的原则,电站主要由风电企业投资建设。但抽水蓄能电站运行离不开电网,《国家发展改革委关于抽水蓄能电站建设管理有关问题的通知》(发改能源[2004]71号)要求,抽水蓄能电站主要服务于电网,为了充分发挥其作用和效益,抽水蓄能电站原则上由电网经营企业建设和管理,具体规模、投资与建设条件由国务院投资主管部门严格审批,其建设和运行成本纳入电网运行费用统一核定。因此,在风电迅速发展的内蒙古地区,由风电企业与电网企业共同投资建设抽水蓄能电站是一种多方受益、互惠共赢的投资模式。2009年,由中国长江三峡集团公司、内蒙古电力集团公司和14家风电企业共同出资建设呼和浩特抽水蓄能电站,为抽水蓄能电站建设开辟了新的投资模式,必将推动抽水蓄能和风电的共同发展,在风电快速发展但电网调峰调频能力较差的地区有着极高的推广价值。
　　按照国家有关政策,多家投资建设的电站可采用租赁经营模式。以呼和浩特抽水蓄能电站为例,建成后可由内蒙古电力公司租赁经营。电站运行方式主要为对投资者的风电机组进行调节,在风能富余盹安排蓄能机组抽水,在风能不足时,安排蓄能机组发电,保证投资者的风电机组运行小时显著增加,同时还可以充分发挥蓄能机组调峰填谷、调频调相和事故备用功能。经测算,120万千瓦蓄能机组最大可使400万千瓦风电机组年运行小时数增加650小时,增加发电量26亿kW・h。
　　投资者收益由两部分组成。一部分是电站的直接收益,在国家核准电站电价或租赁费时予以考虑,直接收益可按资本金投资回报率10%计算,各投资方根据出资比例分享收益。另一部分是蓄能电站投入运行后对风电进行调节,由此给风电企业带来的间接收益。蓄能电站每年抽水利用富余风电电量最多为26亿kW・h,这部分将是风电企业增加的发电量。按现行风电平均电价为0.51元/kW・h计算,风电企业最多可增加收入13.52亿元;即使按50%的电能为吸收的风电量计算,也可为风电企业增加收入6.76亿元,基本满足了电站还本付息的收入水平。因此,在内蒙古电网的实际环境下,进行风电和抽水蓄能电站的联合开发具有现实的经济意义。
　　为了满足可再生能源等清洁能源的快速增长及电力系统安全稳定经济运行需要,到2020年全国需要建成5000～6000万千瓦以上的抽水蓄能装机容量。内蒙古地区风能储量居全国首位,近年来风电发展十分迅速,但风电的弃风问题亦愈加严重,已经成为制约风电开发主要问题。内蒙古电网调峰、调压设备不足、手段单一,加之大量供热机组冬季必须满发运行,经测算2010年内蒙古电网接纳风电能力不到200万千瓦,无法保证大规模风电并网后的安全运行,近年冬季内蒙古电网已多次出现为保电网安全、保供热而限制风电厂出力的情况,而加快抽水蓄能电站建设是解决这一问题的有效途径。
　　
　　链接
　　世界最大抽水蓄能电站落户江西
　　
　　江西第一座抽水蓄能电站――洪屏抽水蓄能电站于2010年6月6日在江西靖安县开工建设。洪屏抽水蓄能电站选址在靖安县。电站利用天然高山盆地三爪仑洪屏修建上水库,盆地四周环山,地势开阔平坦,是个天然的“盆库”,集水面积达6.7万平方公里,相当于1.5个西湖。
　　据了解,洪屏抽水蓄能电站项目是江西省“十一五”规划的重点建设项目,规划装机总容量240万千瓦,建成后将成为世界最大抽水蓄能电站。

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