毛 田,莫帥帥,程蘭芬,張祺順,鄒 金,陳 立,吳 偉,李 毅
(1.直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司),廣東 廣州 510663;2.華能瀾滄江能源銷售有限公司,云南 昆明 650206)
近年來(lái),電網(wǎng)尖峰負(fù)荷不斷攀升,電網(wǎng)峰谷差逐年增大,電網(wǎng)調(diào)度對(duì)發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰能力的需求日趨凸顯。受制于發(fā)電能源結(jié)構(gòu),我國(guó)傳統(tǒng)調(diào)峰手段包括火電和燃油燃?xì)鈾C(jī)組,火電機(jī)組作為調(diào)峰主力,頻繁參與深度調(diào)峰不僅會(huì)降低其使用壽命,更會(huì)增加其運(yùn)行煤耗,拉低火電機(jī)組運(yùn)行效益。相比火電,水電機(jī)組開停機(jī)靈活,調(diào)節(jié)性能好,成本低廉,調(diào)峰深度高[1-3],可對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行形成有力支撐。
長(zhǎng)期以來(lái),水電調(diào)峰被認(rèn)為不存在成本,基本為無(wú)償調(diào)用,缺乏合理的補(bǔ)償機(jī)制。擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù)的水電站,因水電發(fā)電量較少,水電調(diào)峰回報(bào)低,客觀上降低了其市場(chǎng)效益和競(jìng)爭(zhēng)力[4]。實(shí)際運(yùn)行中,水電機(jī)組電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行會(huì)引起不可忽視的機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)軸磨損等固定成本以及造成發(fā)電量減少等機(jī)會(huì)成本。因此,水電機(jī)組無(wú)償調(diào)峰模式將極大影響水電參與調(diào)峰的積極性,導(dǎo)致此類電廠不愿承擔(dān)調(diào)峰任務(wù),無(wú)法充分激發(fā)水電調(diào)峰的潛力,不利于整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5- 6]。未來(lái)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建背景下,風(fēng)電、光伏等新能源大規(guī)模并網(wǎng),電網(wǎng)靈活性調(diào)峰資源需求劇增,研究建立水電調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制,考慮對(duì)水電站的調(diào)峰運(yùn)行給出合理的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償,充分體現(xiàn)水電調(diào)峰價(jià)值,可更進(jìn)一步促進(jìn)發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)峰能力和優(yōu)勢(shì)[7-9]。
本文通過(guò)對(duì)小灣和糯扎渡(“兩庫(kù)”)梯級(jí)電站無(wú)調(diào)節(jié)方式下的電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行仿真模擬,研究分析“兩庫(kù)”電站對(duì)系統(tǒng)起到的調(diào)峰效益,挖掘分析“兩庫(kù)”電站在調(diào)峰方面發(fā)揮的積極作用,調(diào)研梳理“兩庫(kù)”電站現(xiàn)有市場(chǎng)環(huán)境下調(diào)峰機(jī)制的現(xiàn)狀與不足,提出“兩庫(kù)”電站調(diào)峰相關(guān)補(bǔ)償機(jī)制及建議,為建立合理的水電調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制以及促進(jìn)發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)峰能力提供科學(xué)依據(jù)。
小灣水電站是國(guó)家十五重點(diǎn)工程、國(guó)家西電東送骨干電源和重點(diǎn)工程,工程裝機(jī)4 200 MW,總庫(kù)容150億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容99億m3;糯扎渡水電站是國(guó)家西電東送、云電外送的重要骨干項(xiàng)目,裝機(jī)5 850 MW,總庫(kù)容237億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容113億m3?!皟蓭?kù)”電站具有多年調(diào)節(jié)能力[10]。為定量分析“兩庫(kù)”電站的調(diào)節(jié)能力對(duì)全系統(tǒng)的清潔能源消納的影響,將“兩庫(kù)”電站替代修改為同容量的無(wú)調(diào)節(jié)能力水電站,電站的出力特性采用典型徑流式電站的平均出力曲線,即假定“兩庫(kù)”電站不具備調(diào)節(jié)能力。此外,由于梯級(jí)電站特性,與小灣水電站相關(guān)聯(lián)的漫灣、大朝山水電站,與糯扎渡水電站相關(guān)聯(lián)的景洪水電站也將失去調(diào)節(jié)能力,這些水電站的出力特性同樣也采用徑流式電站的平均出力曲線。分別以2022年及2025年的云南規(guī)劃方案為基礎(chǔ)案例,在此基礎(chǔ)上對(duì)“兩庫(kù)”電站無(wú)調(diào)節(jié)能力情況下的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬。
“兩庫(kù)”電站有、無(wú)調(diào)節(jié)能力方案下系統(tǒng)的電力平衡變化見圖1。從圖1可知,“兩庫(kù)”電站無(wú)調(diào)節(jié)能力方案下,系統(tǒng)逐月最大負(fù)荷日的電力盈余均有所降低,且在2025年的5月、6月、7月、10月出現(xiàn)了少量電力缺口,說(shuō)明“兩庫(kù)”電站可有效支撐系統(tǒng)電力平衡。
在“兩庫(kù)”電站無(wú)調(diào)節(jié)能力方案下進(jìn)一步考慮火電機(jī)組的出力限制,對(duì)云南電網(wǎng)2022年和2025年的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,分析清潔能源的消納情況。2022年和2025年,風(fēng)、光、水的逐月棄電量見圖2。從圖2可知,在“兩庫(kù)”電站無(wú)調(diào)節(jié)能力情況下,火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力受限將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步減弱,在汛期月份,清潔能源出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄電現(xiàn)象。在棄電嚴(yán)重的汛期月份(7月~9月),2022年累計(jì)棄電63.06億kW·h,分別為棄風(fēng)27.55億kW·h、棄光3.56億kW·h、棄水31.93億kW·h;2025年累計(jì)棄電49.13億kW·h,分別為棄風(fēng)34.96億kW·h、棄光9.1億kW·h、棄水5.07億kW·h。從上述結(jié)果可知,在火電出力受限的情況下,“兩庫(kù)”電站的調(diào)節(jié)作用將發(fā)揮更加重要的作用,更大程度促進(jìn)新能源的消納。
2025年枯期(2月)、汛期(7月)月份的最大負(fù)荷日的云南電網(wǎng)各類電源的運(yùn)行位置見圖3、4。從圖3、4可知:
(1)當(dāng)“兩庫(kù)”電站具有庫(kù)容調(diào)節(jié)能力,其運(yùn)行出力可以進(jìn)行控制,因此其在系統(tǒng)中承擔(dān)的是峰荷位置,而無(wú)調(diào)節(jié)時(shí)則只能承擔(dān)基荷的作用。
(2)在枯期(2月份),由于“兩庫(kù)”電站在枯期進(jìn)行發(fā)電,減少庫(kù)容,其整體出力相較無(wú)調(diào)節(jié)方案更大,且其通過(guò)調(diào)整負(fù)荷高峰和低谷出力為系統(tǒng)貢獻(xiàn)了調(diào)峰能力,而火電在枯期月份基本只承擔(dān)基荷作用,且在無(wú)調(diào)節(jié)方案下火電的出力更高。
(3)在汛期(7月份),“兩庫(kù)”電站同樣能發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用,在系統(tǒng)峰荷位置運(yùn)行。而在無(wú)調(diào)節(jié)能力方案下,“兩庫(kù)”電站出力承擔(dān)基荷作用,此時(shí)系統(tǒng)調(diào)峰困難,部分火電機(jī)組開始調(diào)峰,但調(diào)峰能力仍然不足,系統(tǒng)在低谷時(shí)段仍然出現(xiàn)了棄水和棄風(fēng)。
綜上,“兩庫(kù)”電站的調(diào)節(jié)能力有效支持了系統(tǒng)調(diào)峰需求,促進(jìn)了風(fēng)電、光伏以及水電等清潔能源的消納,尤其在汛期,系統(tǒng)調(diào)峰壓力較大,“兩庫(kù)”電站可以減少其在負(fù)荷低谷時(shí)段出力,以減少負(fù)荷低谷時(shí)段清潔能源棄電。
為考慮新能源極端出力可能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響,以風(fēng)電為例,在2025年2月系統(tǒng)負(fù)荷需求最低月份,考慮風(fēng)電出現(xiàn)極端出力情形下風(fēng)電出力變化見圖5。從圖5可知,風(fēng)電出力在負(fù)荷較低的夜間,最高達(dá)容量的80%,而在負(fù)荷較高的白天,最低出力僅為容量的30%。
對(duì)風(fēng)電極端出力場(chǎng)景下的系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行模擬,以2月周一工況為例進(jìn)行說(shuō)明,系統(tǒng)各類電源的出力變化見圖6。從圖6可以看出,風(fēng)電極端出力情形下,火電機(jī)組整體出力將降至較低水平,水電為配合系統(tǒng)調(diào)峰,則在負(fù)荷低谷時(shí)段降低了出力,負(fù)荷高峰時(shí)段提升了出力,但由于新能源整體出力較高,且反調(diào)峰作用明顯,系統(tǒng)仍然出現(xiàn)了一定的棄風(fēng)。盡管風(fēng)電極端出力情形下系統(tǒng)仍然產(chǎn)生了棄風(fēng),但相比于基礎(chǔ)方案,“兩庫(kù)”電站在風(fēng)電極端出力情形下參與調(diào)峰的容量更高,在一定程度上減少了系統(tǒng)的棄風(fēng)。
目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)水電調(diào)峰的市場(chǎng)機(jī)制較少,華北已建立電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng),并自2018年12月啟動(dòng)試運(yùn)行,重慶、江蘇、河南、廣西、貴州等地也相繼發(fā)布了電力調(diào)峰輔助服務(wù)規(guī)則,但均未將水電納入調(diào)峰補(bǔ)償。2020年1月,國(guó)家能源局西北監(jiān)管局發(fā)布《西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則》[11-12],明確水電機(jī)組可以“群”模式納入西北省間調(diào)峰市場(chǎng),向調(diào)峰資源不足省區(qū)提供調(diào)峰服務(wù)。根據(jù)黃河上中游大型水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)了“水電豐枯雙向參與”的方式,在豐、枯期根據(jù)水電發(fā)電差異性,靈活轉(zhuǎn)換水電機(jī)組的市場(chǎng)角色。同時(shí),結(jié)合水電梯級(jí)調(diào)節(jié)特性,機(jī)組以“群”模式參與市場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電柔性、高效、節(jié)能調(diào)整。水電有償調(diào)峰可參與日前市場(chǎng)和日內(nèi)市場(chǎng),水電有償調(diào)峰電量采用“日平衡,月收口”的模式在月內(nèi)平衡,確保不影響水庫(kù)計(jì)劃。
2017年12月底,國(guó)家能源局南方監(jiān)管局正式印發(fā)《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”(2017版)》,2018年7月開始正式實(shí)施。南方區(qū)域能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)依法對(duì)區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)發(fā)電廠運(yùn)行管理及考核情況實(shí)施監(jiān)管,主要考核內(nèi)容包括黑啟動(dòng)、日發(fā)電計(jì)劃曲線執(zhí)行偏差、一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、母線電壓曲線合格率、調(diào)峰及旋轉(zhuǎn)備用、AVC等。2020年12月,國(guó)家能源局南方監(jiān)管局印發(fā)《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”(2020版)》,2021年4月開始正式實(shí)施[13-14]?,F(xiàn)有“兩個(gè)細(xì)則”僅對(duì)燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)?、燃油機(jī)組參與調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)償,對(duì)水電參與調(diào)峰和相關(guān)補(bǔ)償未作說(shuō)明。兩個(gè)細(xì)則規(guī)定:
(1)有償調(diào)峰分為深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰。燃煤和生物質(zhì)機(jī)組深度調(diào)峰指有功出力在其額定容量50%以下的調(diào)峰運(yùn)行方式,核電機(jī)組深度調(diào)峰指有功功率在并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議規(guī)定的最小技術(shù)出力以下的調(diào)峰運(yùn)行方式。燃煤機(jī)組、生物質(zhì)機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、燃油機(jī)組啟停調(diào)峰指由于調(diào)峰需要而停運(yùn)后(由于電廠原因停機(jī)除外)并在72 h再次啟動(dòng)本機(jī)組或同一電廠內(nèi)其他機(jī)組的調(diào)峰方式。
(2)燃煤機(jī)組、生物質(zhì)機(jī)組深度調(diào)峰出力在額定容量40%~50%之間的,按照3×R4元/(MW·h)的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償;深度調(diào)峰出力在額定容量 40%以下的,按照 6×R4元/(MW·h)的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償。核電機(jī)組深度調(diào)峰出力在額定容量50%至并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議約定的正常調(diào)節(jié)出力下限之間的,按照3×R4元/(MW·h)的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償;深度調(diào)峰出力在額定容量50%以下的,按照6×R4元/(MW·h)的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償。
相比于火電機(jī)組,水電機(jī)組開停機(jī)迅速、靈活,且調(diào)峰深度(考慮棄水調(diào)峰)接近100%,具有優(yōu)越的調(diào)峰性能。對(duì)于水電機(jī)組,長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為其調(diào)峰不存在成本,全部無(wú)償調(diào)用,其實(shí)不然。水電機(jī)組調(diào)峰的固定成本主要是調(diào)峰過(guò)程中頻繁調(diào)整出力引起的機(jī)械損失,包括機(jī)組振動(dòng)加大、轉(zhuǎn)軸磨損加重等。這部分費(fèi)用一般在機(jī)組的折舊成本中已經(jīng)計(jì)及,不需要單獨(dú)補(bǔ)償。但在水電機(jī)組調(diào)峰時(shí),由于機(jī)組出力變化會(huì)引起耗水率變化,發(fā)電量減少,從而導(dǎo)致利潤(rùn)損失,即水電機(jī)組調(diào)峰存在機(jī)會(huì)成本,且數(shù)目較大,不可忽視。
近年來(lái),南方電網(wǎng)峰谷差逐年增大,同時(shí)在風(fēng)電、光伏大規(guī)模并網(wǎng)的情況下,整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行面臨嚴(yán)峻考驗(yàn),電網(wǎng)調(diào)度對(duì)機(jī)組深度調(diào)峰能力的需求日趨凸顯。在此背景下,水電機(jī)組無(wú)償調(diào)峰模式將極大影響水電參與調(diào)峰的積極性,無(wú)法充分激發(fā)水電調(diào)峰的潛力和調(diào)峰優(yōu)勢(shì),一定程度上不利于整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
糯扎渡、小灣等龍頭水電站的投運(yùn),顯著改善了流域電站的調(diào)節(jié)性能,對(duì)緩解汛期水電調(diào)峰難問題發(fā)揮了積極作用。通過(guò)對(duì)小灣、糯扎渡水電站有、無(wú)調(diào)節(jié)能力2種情況下的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬,并對(duì)系統(tǒng)的調(diào)峰平衡結(jié)果進(jìn)行分析可知,小灣、糯扎渡水電站具有靈活的調(diào)節(jié)能力,可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況控制其運(yùn)行出力,增加了系統(tǒng)的整體調(diào)峰空間,從而達(dá)到枯期多發(fā)電、汛期少棄水的效果,有利于促進(jìn)全系統(tǒng)的清潔能源消納。從實(shí)際運(yùn)行情況看,“兩庫(kù)”電站投產(chǎn)后大幅提高了電力外送能力和可靠性,并為受電省份承擔(dān)了大量的調(diào)峰義務(wù),在枯水期西電東送日送電負(fù)荷峰谷比最高可達(dá)1∶0.2,極大緩解了廣東地區(qū)調(diào)峰壓力。然而,在現(xiàn)行政策下,“兩庫(kù)”電站調(diào)峰應(yīng)用方面的價(jià)值并未得到充分體現(xiàn)。因此,建議積極探索建立水電調(diào)峰機(jī)制,對(duì)水電機(jī)組參與調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)償,促進(jìn)發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)峰能力。
擔(dān)負(fù)調(diào)峰和備用任務(wù)的水電站,有利支撐了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,但卻因發(fā)電量減少、得到的回報(bào)偏低,降低了其經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力,造成此類電廠不愿承擔(dān)調(diào)峰任務(wù),對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行不利?!皟蓭?kù)”電站具有良好的調(diào)節(jié)特性,相對(duì)于火電和其他能源,調(diào)峰成本便宜,在調(diào)峰容量充裕時(shí)可考慮優(yōu)先安排,建議研究建立水電調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制,考慮對(duì)水電站調(diào)峰運(yùn)行給出合理的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。主要包括:①開展水電消納的邊際補(bǔ)償準(zhǔn)則研究,建立水電參與調(diào)峰的補(bǔ)償規(guī)則和計(jì)算方法;②打破簡(jiǎn)單地按電量計(jì)價(jià)的方式,研究水電參與受端電網(wǎng)調(diào)峰等輔助服務(wù)的峰谷差異化價(jià)格機(jī)制,理順峰谷電價(jià)和豐枯電價(jià),以價(jià)格為驅(qū)動(dòng),體現(xiàn)水電調(diào)峰價(jià)值和優(yōu)勢(shì),引導(dǎo)送端電站或電網(wǎng)主動(dòng)調(diào)整水電輸送計(jì)劃,盡可能響應(yīng)受端精細(xì)化負(fù)荷調(diào)節(jié)要求;③水電在多個(gè)受端的網(wǎng)間電力分配問題是多個(gè)利益主體相互博弈和利益均衡的問題,在研究網(wǎng)省和網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調(diào)問題過(guò)程中,需同時(shí)研究網(wǎng)間電力互濟(jì)的調(diào)峰閾值和補(bǔ)償規(guī)則,充分考慮饋入水電在不同電網(wǎng)不同時(shí)段的價(jià)值差異,均衡各電網(wǎng)調(diào)峰效益。
調(diào)峰權(quán)是一種向下調(diào)峰容量購(gòu)買選擇權(quán),調(diào)峰權(quán)擁有者(購(gòu)買方)有權(quán)在約定的時(shí)間內(nèi)向調(diào)峰權(quán)的出售方按約定的數(shù)量和時(shí)段購(gòu)買其向下調(diào)峰容量,并按約定的價(jià)格支付調(diào)峰容量的使用費(fèi)用。在約定的時(shí)間內(nèi),調(diào)峰權(quán)購(gòu)買方可自由選擇是否購(gòu)買調(diào)峰權(quán)出售方的調(diào)峰容量,但調(diào)峰權(quán)出售方不退還調(diào)峰權(quán)的購(gòu)買費(fèi)用。調(diào)峰權(quán)以競(jìng)標(biāo)方式購(gòu)售,價(jià)格由提供調(diào)峰服務(wù)的機(jī)組確定。
引入調(diào)峰權(quán)交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)調(diào)峰容量的獨(dú)立購(gòu)售,構(gòu)建基于價(jià)值的競(jìng)爭(zhēng)性交易,一方面可充分發(fā)揮發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍大的機(jī)組的優(yōu)勢(shì),增加額外收益;另一方面也可避免調(diào)節(jié)能力不足的機(jī)組頻繁啟停,降低運(yùn)行成本,提高運(yùn)行效率。
2021年3月15日,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議明確指出,“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系,控制化石能源總量,著力提高利用效能,實(shí)施可再生能源替代行動(dòng),深化電力體制改革,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的提出意味著未來(lái)新能源將保持持續(xù)快速增長(zhǎng)。云南具有相對(duì)豐富的風(fēng)光資源,其風(fēng)光資源均屬于全國(guó)II類地區(qū),根據(jù)《南方電網(wǎng)“十四五”智能電網(wǎng)規(guī)劃研究報(bào)告》,云南風(fēng)電資源潛在可開發(fā)容量約4 972萬(wàn)kW,而具有較好開發(fā)價(jià)值的光伏發(fā)電容量約5 000萬(wàn)kW,風(fēng)、光資源將繼續(xù)得到發(fā)展,同時(shí)新能源大量接入也給電網(wǎng)調(diào)峰帶來(lái)了巨大壓力。鑒于“兩庫(kù)”電站優(yōu)良的調(diào)峰性能和調(diào)峰效益,為更好應(yīng)對(duì)新能源發(fā)展規(guī)劃,建議探索建立云南調(diào)峰市場(chǎng),將具備調(diào)節(jié)性能的水電納入調(diào)峰市場(chǎng)。
糯扎渡、小灣等龍頭水電站的投運(yùn),顯著改善了流域電站的調(diào)節(jié)性能,對(duì)于緩解汛期水電調(diào)峰難的問題發(fā)揮了積極作用。研究表明,“兩庫(kù)”電站的調(diào)節(jié)能力有效支持了系統(tǒng)調(diào)峰需求,促進(jìn)了風(fēng)電、光伏以及水電等清潔能源的消納,其調(diào)峰能力年均可減少系統(tǒng)清潔能源棄電量56.1億kW·h(考慮火電機(jī)組調(diào)節(jié)能力受限情況下)。
為充分體現(xiàn)和發(fā)揮“兩庫(kù)”電站調(diào)峰服務(wù)價(jià)值,促進(jìn)發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)峰能力,提出了水電調(diào)峰機(jī)制相關(guān)建議,將水電納入《南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》有償調(diào)峰服務(wù)范圍;參照華北等區(qū)域建立電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng);探索引入調(diào)峰權(quán)交易等機(jī)制。