水光互補(bǔ)模式下阿青水電站裝機(jī)容量?jī)?yōu)化選擇

張海龍，趙言穩(wěn)

(1.西藏開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，西藏 拉薩 850000；2.四川省港航開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

在國(guó)家提倡節(jié)能減排，大力發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)能發(fā)電等新能源的情況下，具有較好調(diào)節(jié)性能的水電站將責(zé)無(wú)旁貸地?fù)?dān)當(dāng)系統(tǒng)調(diào)峰、備用的重任[1]。合理確定裝機(jī)規(guī)模，做到既不浪費(fèi)水資源，又充分發(fā)揮裝機(jī)容量的規(guī)模效益，從電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，綜合分析增加裝機(jī)容量的得與失，需要科學(xué)發(fā)展的觀點(diǎn)不斷完善和改進(jìn)裝機(jī)容量?jī)?yōu)化比選方法[2- 3]。利用水電站調(diào)節(jié)速度快，調(diào)峰、調(diào)頻性能佳等優(yōu)勢(shì)，在水電站裝機(jī)容量確定過(guò)程中，改變現(xiàn)有水電裝機(jī)容量確定中的有關(guān)問(wèn)題，從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)需求和社會(huì)效益最大化的角度考慮，適當(dāng)增加水電站的調(diào)峰容量是十分有利的[4]。尤其在西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境條件差，工程建設(shè)難度大，按照長(zhǎng)遠(yuǎn)的電力電量發(fā)展需求研究最優(yōu)的裝機(jī)規(guī)模，可避免建設(shè)成后擴(kuò)容帶來(lái)的各類(lèi)困難和風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)劉威[5]對(duì)西藏水光互補(bǔ)發(fā)電研究現(xiàn)狀的介紹，目前，西藏地區(qū)缺乏水光互補(bǔ)發(fā)電的開(kāi)發(fā)利用。充分利用西藏地區(qū)豐富的太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)資源，積極探索發(fā)展水光多能互補(bǔ)的清潔能源利用模式，既是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)[6]，也是西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)緩解電力需求增長(zhǎng)、保護(hù)青藏高原生態(tài)環(huán)境的必然選擇。

西藏阿里地區(qū)電網(wǎng)長(zhǎng)期孤網(wǎng)運(yùn)行，電源裝機(jī)容量不足、出力受限，長(zhǎng)期“以供定需”制約了用電需求的合理增長(zhǎng)。結(jié)合阿里地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，從資源利用的合理性、增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和調(diào)峰能力、優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)、維持電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)效益角度分析，“調(diào)節(jié)水庫(kù)電站+光伏”的水光互補(bǔ)能源體系是阿里地區(qū)最適合的電源建設(shè)方案。

1 供電地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)及電力市場(chǎng)空間

1.1 電源現(xiàn)狀

截止目前，阿里電網(wǎng)總裝機(jī)規(guī)模為4.46萬(wàn)kW，其中水電0.64萬(wàn)kW，占14.3%；光伏1.0萬(wàn)kW，占22.4%；柴油機(jī)組2.82萬(wàn)kW，占63.2%。電網(wǎng)有效輸出容量約1.23萬(wàn)kW，其中：水電0.64萬(wàn)kW，柴油機(jī)組0.59萬(wàn)kW。存在著電源建設(shè)不足，枯水期缺電嚴(yán)重，柴油發(fā)電成本高，電網(wǎng)供電可靠性差等問(wèn)題。

1.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

根據(jù)阿里地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃及相關(guān)部門(mén)的分析預(yù)測(cè)，充分考慮地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、電網(wǎng)擴(kuò)建、用電人口增加等對(duì)負(fù)荷水平的影響，阿里電網(wǎng)負(fù)荷需求預(yù)測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 西藏阿里電網(wǎng)負(fù)荷需求預(yù)測(cè)成果

1.3 電力空間分析

根據(jù)預(yù)測(cè)的最大負(fù)荷，考慮負(fù)荷備用和事故備用容量需求，預(yù)計(jì)2025年、2030年系統(tǒng)電力缺口達(dá)3.735萬(wàn)、5.33萬(wàn)kW。從系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度，若已建柴油機(jī)組僅作應(yīng)急電源，事故備用由水電承擔(dān)，則2025、2030年系統(tǒng)電力缺口達(dá)4.325萬(wàn)、5.92萬(wàn)kW，即阿里電網(wǎng)近、遠(yuǎn)期需投入約4.3萬(wàn)、6萬(wàn)kW左右的水電裝機(jī)。阿里電網(wǎng)電力市場(chǎng)空間分析見(jiàn)表2。

表2 西藏阿里電網(wǎng)電力市場(chǎng)空間分析表 單位：萬(wàn)kW

2 阿里電網(wǎng)電源優(yōu)選

隨著阿里地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力系統(tǒng)用電大幅增長(zhǎng)，特別是高峰用電負(fù)荷增長(zhǎng)較快，系統(tǒng)迫切需要更多的調(diào)峰容量。為滿足阿里地區(qū)近中期的電力需求，按同等程度滿足阿里地區(qū)2025年的電力需求，初擬7組電源建設(shè)方案進(jìn)行分析論證。詳見(jiàn)表3。

表3 阿里電網(wǎng)可能的電力供應(yīng)方案(2025年)

綜合比較分析，加快具有調(diào)節(jié)性能的水電站開(kāi)發(fā)建設(shè)，并配備一定規(guī)模的光伏電站是阿里地區(qū)解決電力緊缺、保證電網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最優(yōu)方案。

3 阿青水電站裝機(jī)容量選擇

3.1 裝機(jī)容量方案擬定

阿青水電站是西藏阿里地區(qū)不可多得的年調(diào)節(jié)電站，調(diào)節(jié)性能好、裝機(jī)規(guī)模大，可擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、事故備用等任務(wù)。裝機(jī)容量的選擇首先根據(jù)電站自身的特性、供電系統(tǒng)的特性以及在供電系統(tǒng)中的作用，確定方案的比較范圍[7- 8]。同時(shí)，立足于合理利用水能資源、充分發(fā)揮電站在系統(tǒng)中的調(diào)峰作用和容量效益，挖掘其潛力并充分利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)光伏資源，滿足阿里電網(wǎng)近遠(yuǎn)期(2022—2032)電力電量需求分析，擬定3.3萬(wàn)、4.2萬(wàn)、5.1萬(wàn)、6萬(wàn)kW四個(gè)裝機(jī)容量方案進(jìn)行比較，考慮水光互補(bǔ)運(yùn)行，各方案相應(yīng)配套的光伏電站規(guī)模為1萬(wàn)、2萬(wàn)、3.5萬(wàn)、5萬(wàn)kW。

3.2 電力電量平衡分析

根據(jù)阿里地區(qū)能源資源分布特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)利用條件，從調(diào)整系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化電源的角度考慮，本次參與阿里電網(wǎng)電力電量平衡的電源僅考慮獅泉河水電站、阿青水電站作為骨干電源，2020年并入阿里電網(wǎng)的3個(gè)地方小水電也參與系統(tǒng)電力電量平衡；光伏電站僅參與電量平衡(2025年僅考慮已建1萬(wàn)kW、2032年考慮新增光伏)；已建燃油機(jī)組僅作為應(yīng)急電源，不參與系統(tǒng)電力電量平衡。

阿里電網(wǎng)總體上存在電力供應(yīng)豐多枯少與電力需求豐小枯大的矛盾，枯水期入庫(kù)水量較小時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)足夠水量支撐水電調(diào)峰容量的現(xiàn)象，電力嚴(yán)重不足。采用“阿青水庫(kù)電站+光伏”的電力供應(yīng)模式，是最優(yōu)的供電保障方案?？菟诎⑶嗨娬镜恼{(diào)節(jié)庫(kù)容已基本完全利用，沒(méi)有富余的季調(diào)節(jié)以上庫(kù)容來(lái)進(jìn)行水光互補(bǔ)，但基本不影響水電站送出方式和日內(nèi)水量調(diào)節(jié)。因此，阿青水電站與光伏電站只能在日內(nèi)進(jìn)行水光互補(bǔ)運(yùn)行，以提高阿青水電站的調(diào)峰能力[9]。白天光伏電站集中發(fā)電時(shí)段系統(tǒng)內(nèi)水電站僅發(fā)基荷，水庫(kù)電站在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)減小出力(僅發(fā)基荷)、蓄水儲(chǔ)能；其余時(shí)段系統(tǒng)內(nèi)容量和電量需求均由水電站(主要是阿青水電站)滿足。光伏電站夜間或極端天氣情況下的出力空缺和出力不穩(wěn)定，由阿青水電站補(bǔ)充。2025、2032年水平阿里電網(wǎng)枯水年電量平衡成果分析見(jiàn)表4—5及圖1—2所示。

圖1 阿里電網(wǎng)2025年水平電力電量 平衡圖(枯水期)

圖2 阿里電網(wǎng)2032年水平電力電量 平衡圖(枯水期)

表4 2025年水平各裝機(jī)容量方案電量平衡成果表(枯水年) 單位：萬(wàn)kW

表5 2032年水平各裝機(jī)容量方案電量平衡成果表(枯水年) 單位：萬(wàn)kW

近期枯水年平衡成果表明阿青水電站各方案枯期均缺電量，與已建的1萬(wàn)kW光伏電站進(jìn)行日內(nèi)水光互補(bǔ)后，各方案均滿足系統(tǒng)電量需求。遠(yuǎn)期枯水年平衡成果表明阿青水電站各方案枯期均缺電量，與配套的光伏電站進(jìn)行日內(nèi)水光互補(bǔ)后，僅阿青裝機(jī)容量6萬(wàn)kW配套光伏5萬(wàn)kW方案能滿足系統(tǒng)電量需求，其余3方案均需燃機(jī)補(bǔ)充電量。

3.3 裝機(jī)容量選擇

3.3.1系統(tǒng)調(diào)峰需求分析

阿青水電站全年均可承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)，且在汛期和非汛期均是系統(tǒng)中的主力調(diào)峰電源，并承擔(dān)系統(tǒng)的事故備用，同時(shí)與光伏電站配合運(yùn)行，光伏電站提供電量，阿青水電站承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，水光互補(bǔ)，共同構(gòu)建低運(yùn)行成本的清潔能源體系。阿青水電站投產(chǎn)初期，盡管電站裝機(jī)容量暫時(shí)不能完全發(fā)揮作用，但隨著阿里地區(qū)負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，阿青水電站作為系統(tǒng)中重要的調(diào)峰、調(diào)頻骨干電源，其容量作用非常重要，適當(dāng)增加裝機(jī)規(guī)模，對(duì)于保障阿里電網(wǎng)電力供應(yīng)是有利的。

3.3.2動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

調(diào)節(jié)計(jì)算成果表明，各裝機(jī)容量方案的水資源利用已較充分，通過(guò)增大裝機(jī)來(lái)提高水能資源利用的作用較小。從補(bǔ)充單位千瓦投資看，各方案間補(bǔ)充單位千瓦投資在22167～3799元之間，均遠(yuǎn)低于各方案本身的單位千瓦投資，說(shuō)明裝機(jī)容量增加所產(chǎn)生的投資費(fèi)用相比工程投資甚微，增加裝機(jī)容量是有利的。各裝機(jī)容量方案考慮水光互補(bǔ)后方案間補(bǔ)充單位電能投資分別為13.58、16.84、11.77元，均低于各方案本身的單位電能投資，說(shuō)明增大裝機(jī)容量是經(jīng)濟(jì)的。

3.3.3工程量及工程投資分析

各裝機(jī)容量方案僅在廠房布置及引水岔管布置上有所差異，技術(shù)難度基本相當(dāng)。工程量和投資隨裝機(jī)容量的增大而增加，各方案的工程靜態(tài)總投資分別為241623.41萬(wàn)、255084.48萬(wàn)、264674.89萬(wàn)、268094.11萬(wàn)元。

3.3.4機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)情況分析

四個(gè)裝機(jī)容量方案機(jī)組參數(shù)基本在同一水平、電氣設(shè)備參數(shù)差別不大，設(shè)備選型、閘門(mén)和啟閉機(jī)設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)輸安裝之間的差異甚微，不影響方案比選。

3.3.5容量、電量的系統(tǒng)吸收情況分析

2025水平年阿青水電站各方案與已建的1萬(wàn)kW光伏電站進(jìn)行日內(nèi)水光互補(bǔ)后，各方案電量全被系統(tǒng)吸收，均滿足系統(tǒng)需求。2032水平年阿青水電站各方案與配套的光伏電站進(jìn)行日內(nèi)水光互補(bǔ)后，阿青裝機(jī)容量6萬(wàn)kW配套光伏5萬(wàn)kW方案電量全被系統(tǒng)吸收，能滿足系統(tǒng)需求。因此，阿青水電站適當(dāng)增大裝機(jī)對(duì)帶動(dòng)阿里地區(qū)光伏優(yōu)勢(shì)資源、減少系統(tǒng)燃機(jī)裝機(jī)容量、保護(hù)環(huán)境是有利的。

3.3.6總費(fèi)用現(xiàn)值分析

各裝機(jī)容量方案的總費(fèi)用現(xiàn)值分別為30.4億、27.0億、26.0億、24.0億元，以裝機(jī)容量6萬(wàn)kW方案總費(fèi)用現(xiàn)值最小。從動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，裝機(jī)容量6萬(wàn)kW較為合適。

4 結(jié)語(yǔ)

從更好地發(fā)揮阿青水電站調(diào)峰作用及效益，優(yōu)化阿里系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)、構(gòu)建阿里地區(qū)水光互補(bǔ)的清潔能源體系和穩(wěn)定的電力系統(tǒng)，滿足阿里電網(wǎng)近、遠(yuǎn)期電力需求、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面綜合分析，適當(dāng)擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模略優(yōu)。因此，推薦阿青水電站裝機(jī)容量為6萬(wàn)kW更為合適。

西藏地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，在水電開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其具有調(diào)節(jié)能力的水電資源，應(yīng)當(dāng)充分挖掘其水庫(kù)調(diào)峰潛力并利用好當(dāng)?shù)靥?yáng)能優(yōu)勢(shì)資源，積極探索太陽(yáng)能資源與水電開(kāi)發(fā)互補(bǔ)運(yùn)行的新舉措。

進(jìn)一步提高水電站的調(diào)峰能力、發(fā)揮水庫(kù)效益，協(xié)同推進(jìn)區(qū)域水光互補(bǔ)建設(shè)模式，為當(dāng)?shù)貥?gòu)建水光互補(bǔ)的清潔能源體系和穩(wěn)定的電力系統(tǒng)創(chuàng)造條件。