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抽水蓄能:西北地區(qū)新能源發(fā)展的“破壁者”

能源發(fā)展網(wǎng)發(fā)布時(shí)間:2021-09-18 00:00:00

當(dāng)前,全球氣候治理的未來(lái)備受關(guān)注。我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上,要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

西北地區(qū)得天獨(dú)厚的新能源大規(guī)模發(fā)展是助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的主力軍,是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中新能源的重要組成。風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電因其隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn),新型電力系統(tǒng)中迫切需要建設(shè)抽水蓄能電站以提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和促進(jìn)大規(guī)模新能源發(fā)展。

根據(jù)《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》,重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模4.21億千瓦,其中西北地區(qū)近1億千瓦,抽水蓄能電站將成為西北地區(qū)新能源大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。

 

一、西北地區(qū)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)是落實(shí)雙碳目標(biāo)的重要抓手

西北地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng),戈壁荒漠廣布,太陽(yáng)能、風(fēng)能資源十分豐富,具備規(guī)模化、一體化基地開(kāi)發(fā)的良好條件。全區(qū)域風(fēng)能資源儲(chǔ)量約26億千瓦,技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量約11億千瓦;全區(qū)域太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量約780億千瓦,技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量約164億千瓦。截至2020年底,西北地區(qū)已建風(fēng)電、光電裝機(jī)總規(guī)模近1.3億千瓦,開(kāi)發(fā)潛力巨大。

隨著西部大開(kāi)發(fā)、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等重大戰(zhàn)略的實(shí)施,西北地區(qū)在社會(huì)主義現(xiàn)代化進(jìn)程中電力電量需求仍將不斷增長(zhǎng)。預(yù)測(cè)到2035年西北地區(qū)年用電量約1.5萬(wàn)億千瓦時(shí),西北地區(qū)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量對(duì)應(yīng)的年發(fā)電量可達(dá)28萬(wàn)億千瓦時(shí),約為西北地區(qū)年用電量的19倍。充分發(fā)揮風(fēng)能、太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展新能源,一部分滿足當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)電量需求和非水可再生能源消納責(zé)任權(quán)重要求,另一部分通過(guò)跨區(qū)域輸送通道送至能源資源、土地資源受限的中東部、南部地區(qū)進(jìn)行更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。預(yù)計(jì)到2035年,西北地區(qū)各省區(qū)新能源規(guī)模將達(dá)到或超過(guò)1億千瓦,總規(guī)模約6億千瓦。大規(guī)模開(kāi)發(fā)西北地區(qū)新能源是促進(jìn)資源優(yōu)化配置、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、落實(shí)雙碳目標(biāo)的重要抓手。

二、抽水蓄能是西北地區(qū)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的“綠色巨型充電寶”、“穩(wěn)定器”、“助推劑”

抽水蓄能電站是西北地區(qū)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的“綠色巨型充電寶”。到2035年,西北地區(qū)預(yù)測(cè)新能源裝機(jī)規(guī)模比西北電網(wǎng)最大負(fù)荷要大約4.4億千瓦,即使考慮外送通道送電負(fù)荷,在新能源大發(fā)時(shí)刻,新能源出力仍要遠(yuǎn)大于負(fù)荷需求。抽水蓄能電站可以利用多余新能源電能,將水從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)并以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存,在晚間新能源發(fā)電出力小或系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí),將水從上水庫(kù)放到下水庫(kù),利用儲(chǔ)存的能量發(fā)電。通過(guò)抽水、發(fā)電工況的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)新能源電量的“時(shí)空挪移”,可以有效提高新能源消納利用率,提升輸電通道輸電小時(shí)數(shù),保障西北地區(qū)新能源開(kāi)發(fā)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

抽水蓄能電站是西北地區(qū)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的“穩(wěn)定器”。一是抽水蓄能電站以其快速反應(yīng)能力平抑新能源發(fā)電出力波動(dòng)性。經(jīng)統(tǒng)計(jì),盡管在90%-95%的情況下新能源出力波動(dòng)在10%以內(nèi),但當(dāng)新能源規(guī)模達(dá)到千萬(wàn)千瓦級(jí)乃至億千瓦級(jí)時(shí),即使考慮區(qū)域間新能源具備自然互補(bǔ)的特征,其波動(dòng)百分比雖減小,但波動(dòng)絕對(duì)值增大,其發(fā)電出力波動(dòng)將達(dá)到百萬(wàn)千瓦至千萬(wàn)千瓦,且出力波動(dòng)速率快,往往在數(shù)分鐘乃至分鐘級(jí)內(nèi)完成裝機(jī)容量10%左右的出力波動(dòng)。為了平抑新能源出力的不穩(wěn)定性,提高以新能源為主體新型電力系統(tǒng)電能質(zhì)量,需要為新能源配置快速反應(yīng)容量,追蹤新能源出力過(guò)程,以互補(bǔ)形式使得電力系統(tǒng)更加平穩(wěn)。抽水蓄能電站運(yùn)行靈活,響應(yīng)速度快,一般在100秒內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)從靜止到滿出力運(yùn)行。抽水蓄能電站利用其快速跟蹤能力配合新能源運(yùn)行,可降低因新能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響。

二是抽水蓄能電站既可保障高峰需求,也可穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行,以彌補(bǔ)新能源發(fā)電保證出力不足。光伏電站僅在白天出力,風(fēng)電有其隨機(jī)性的特征,因此,在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰期需要各類電源加大出力的時(shí)段,風(fēng)電、光電均無(wú)法保證提供出力。對(duì)于西北地區(qū)數(shù)億千瓦的新能源裝機(jī),其在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段可保證提供的出力僅約千萬(wàn)千瓦左右,高峰時(shí)段需要抽水蓄能電站提供保障電力支撐。西北地區(qū)新能源開(kāi)發(fā)以特高壓直流外送為主,也需要抽水蓄能電站在外送輸電平臺(tái)中提供一定的穩(wěn)定出力,以滿足特高壓直流輸電要求。同時(shí),在遭遇極端災(zāi)害天氣時(shí),風(fēng)電、光伏往往難以為電網(wǎng)提供電力電量支撐,更需要抽水蓄能電站來(lái)保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三是抽水蓄能電站調(diào)頻調(diào)相能力強(qiáng),增強(qiáng)電力系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,新能源和饋入直流等電力電子類電源大量代替常規(guī)電源,帶來(lái)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低,一次調(diào)頻能力、動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐下降,頻率、電壓穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力惡化等新問(wèn)題出現(xiàn)。抽水蓄能電站除具有調(diào)峰儲(chǔ)能作用外,還可以承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相等功能,并能為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增加電力系統(tǒng)中的抗擾動(dòng)能力。

抽水蓄能電站是西北地區(qū)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的“助推劑”。西北地區(qū)新能源基地建設(shè)多位于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的電網(wǎng)末端地區(qū),如甘肅河西、青海海西和海南、新疆吐哈、陜西北部等,在這些地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)抽水蓄能電站,作為當(dāng)?shù)?、外送支撐電源和智能電網(wǎng)的重要組成,促進(jìn)新能源發(fā)展。西北地區(qū)冬季供暖功能的火電占比高,電網(wǎng)調(diào)峰能力受限,在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,西北電網(wǎng)內(nèi)新能源接入容量及比例將進(jìn)一步增加,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展下系統(tǒng)峰谷差也將進(jìn)一步拉大,網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰儲(chǔ)能需求也將進(jìn)一步增加。西北地區(qū)大規(guī)模新能源發(fā)展需要的儲(chǔ)能、調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相均離不開(kāi)大規(guī)模的抽水蓄能,如果沒(méi)有大規(guī)模抽水蓄能電站建設(shè),新能源發(fā)展將面臨瓶頸,抽水蓄能電站是促進(jìn)西北地區(qū)新能源發(fā)展的“助推劑”。同時(shí),在西北地區(qū)進(jìn)行抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)建設(shè),帶動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,對(duì)于鞏固當(dāng)?shù)孛撠毠?jiān)成果,促進(jìn)共同富裕,加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)等均具有重要的意義。

三、西北地區(qū)抽水蓄能電站需求規(guī)模巨大、特點(diǎn)顯著、亟待開(kāi)發(fā)

(一)抽水蓄能電站需求規(guī)模巨大

傳統(tǒng)電網(wǎng)下,西北地區(qū)各省區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷小,日負(fù)荷變化相對(duì)不大,對(duì)抽水蓄能電站需求不明顯。隨著新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā),尤其是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),相關(guān)各省區(qū)預(yù)測(cè)新能源規(guī)模達(dá)1億千瓦以上,新能源規(guī)模數(shù)倍于最大負(fù)荷需求,需要建設(shè)抽水蓄能“蓄峰”(電力系統(tǒng)不能消納的新能源發(fā)電出力高峰)“補(bǔ)缺”(新能源發(fā)電出力小從而不滿足電力系統(tǒng)需要的空缺);在新能源基地,大部分新能源需要和有調(diào)節(jié)電源打捆外送,抽水蓄能電站建設(shè)多作為基地配套電源的一部分,以多能互補(bǔ)形式來(lái)促進(jìn)新能源消納和保障輸電平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。西北地區(qū)大規(guī)模新能源發(fā)展,其無(wú)論在當(dāng)?shù)叵{還是跨區(qū)域資源優(yōu)化配置,均需要建設(shè)大規(guī)模抽水蓄能電站。初步估計(jì)到2035年西北地區(qū)抽水蓄能電站需求規(guī)模約1億千瓦,抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)需求規(guī)模巨大。

(二)西北地區(qū)抽水蓄能電站特點(diǎn)顯著

1.工程建設(shè)特點(diǎn)顯著。西北大部分地區(qū)以干旱半干旱氣候?yàn)橹?,海拔高,氣溫低,水資源較為缺乏且部分河流泥沙含量大。為滿足過(guò)機(jī)含沙量要求,往往需要在庫(kù)尾布置攔沙壩或在取水后設(shè)置沉砂池;由于缺乏地下水補(bǔ)給,上、下水庫(kù)普遍需要采用全庫(kù)盆的防滲措施。由于海拔高、氣溫低,在后期施工建設(shè)中也具有一定難度,同時(shí)需要處理好高寒冰凍問(wèn)題。因多數(shù)服務(wù)于大規(guī)模新能源發(fā)展,為跟蹤新能源出力的快速波動(dòng),抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換將更加頻繁,對(duì)機(jī)組性能要求更高,尤其是對(duì)變速機(jī)組需求更為迫切。在部分區(qū)域,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,圍巖條件略差,也會(huì)降低站點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

2.服務(wù)新能源的運(yùn)行特征明顯。相較于一般抽水蓄能在電網(wǎng)低谷抽水、高峰發(fā)電的運(yùn)行方式,西北地區(qū)抽水蓄能電站多在新能源大發(fā)時(shí)抽水儲(chǔ)能,新能源不足且系統(tǒng)需求大、或者新能源出力波動(dòng)大時(shí)發(fā)電運(yùn)行,同時(shí)提供調(diào)頻調(diào)相服務(wù),充分考慮與新能源配合運(yùn)行。

3.投資主體多元化趨勢(shì)明顯。根據(jù)相關(guān)政策,抽水蓄能電站容量電費(fèi)可在特定電源和電力系統(tǒng)間分?jǐn)?。西北地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站多服務(wù)于大規(guī)模新能源發(fā)展,乃至作為新能源基地配置電源的一部分打捆開(kāi)發(fā),其容量電費(fèi)在特定電源疏導(dǎo)形式可考慮從新能源發(fā)電量中計(jì)提部分收益或配套一定規(guī)模的新能源資源打捆開(kāi)發(fā),電站投資主體多元化趨勢(shì)明顯。

(三)西北地區(qū)抽水蓄能電站亟待開(kāi)發(fā)

西北地區(qū)抽水蓄能電站的規(guī)劃研究始于上世紀(jì),本次列入中長(zhǎng)期規(guī)劃重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目和儲(chǔ)備項(xiàng)目總計(jì)規(guī)模約1.5億千瓦,但截至目前,西北地區(qū)尚無(wú)已建抽水蓄能電站,只有在建的陜西鎮(zhèn)安、新疆阜康和哈密等3座抽水蓄能電站,總裝機(jī)規(guī)模僅380萬(wàn)千瓦,開(kāi)發(fā)潛力巨大,且與巨大的需求相比,亟待加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程以服務(wù)于大規(guī)模新能源發(fā)展。

“我們的藍(lán)圖是宏偉的,我們的奮斗必將是艱巨的”。現(xiàn)階段,西北地區(qū)抽水蓄能發(fā)展仍較為緩慢,為高質(zhì)量完成抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃各階段目標(biāo),需要各相關(guān)方盡早開(kāi)展前期工作,共同促進(jìn)規(guī)劃站點(diǎn)按時(shí)序落地實(shí)施。(作者系中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司副總經(jīng)理趙光竹;中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師王社亮)

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