呂祥熙 王由武 熊奇 程曉東盧克勤

摘 要：電能是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的二次能源，對(duì)國(guó)計(jì)民生起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，傳統(tǒng)水電開發(fā)速度放緩，而風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源裝機(jī)容量則快速增長(zhǎng)，所占電網(wǎng)裝機(jī)容量比例逐步追趕傳統(tǒng)水電、火電。隨著越來(lái)越多的新能源裝機(jī)并入電網(wǎng)，伴隨而來(lái)的是電網(wǎng)調(diào)峰困難、新能源供應(yīng)電能不夠穩(wěn)定等問(wèn)題。分析了金沙江下游流域新能源開發(fā)現(xiàn)狀以及新能源對(duì)W、B、X1等傳統(tǒng)水電外送的影響，同時(shí)結(jié)合金沙江下游大型梯級(jí)水電站現(xiàn)有條件，探索當(dāng)前形勢(shì)下通過(guò)建設(shè)集控中心實(shí)現(xiàn)金沙江下游水風(fēng)光發(fā)電打捆外送，以及通過(guò)建設(shè)混蓄電站促進(jìn)新能源與傳統(tǒng)水電互補(bǔ)的可行性。

關(guān)鍵詞：新能源；傳統(tǒng)水電；外送影響

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

作為傳統(tǒng)的發(fā)電方式，水力發(fā)電一直在電力系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展完善，水輪發(fā)電機(jī)在單機(jī)容量、技術(shù)水平以及自動(dòng)控制等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，B電站單機(jī)容量甚至達(dá)到100萬(wàn)kW。常規(guī)水電站和抽水蓄能電站，除了作為電力系統(tǒng)重要的能量來(lái)源，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，還擔(dān)任著調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動(dòng)以及事故備用等關(guān)鍵作用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)清潔能源的需求日益增多，近年來(lái)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，在裝機(jī)容量和容量占比方面均取得了巨大的突破，專家預(yù)計(jì)2050年全球發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到246億kW，年均增長(zhǎng)4.0%，其中新能源發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到167億kW，占全球總發(fā)電裝機(jī)容量的68%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量分別約為25%、41%。

1 金沙江下游流域水電資源開發(fā)現(xiàn)狀

金沙江下游流域擁有豐富的水、風(fēng)、光資源，金沙江干流共規(guī)劃開發(fā)25級(jí)梯級(jí)水電站，總裝機(jī)容量8 002萬(wàn)kW。其中上游電站包括西絨、曬拉、果通、崗?fù)?、巖比、波羅、葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍、昌波、旭龍和奔子欄共13個(gè)梯級(jí)，總裝機(jī)容量約1 450萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量642.3億kW·h；

中游電站包括龍盤、兩家人、梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩⒂^音巖共8個(gè)梯級(jí)，總裝機(jī)容量約2 096萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量930億kW·h；下游河段分布著長(zhǎng)江干流4座梯級(jí)控制性水庫(kù)，依次為W、B、X1、X2，總裝機(jī)容量4 646萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量1 922.5億kW·h。

2 金沙江下游流域新能源資源條件

我國(guó)“十四五”規(guī)劃的大型清潔能源的分部基地總共有九個(gè)，“西南地區(qū)能源基地”是其中之一，包括金沙江上游清潔能源基地、雅礱江流域清潔能源基地和金沙江下游清潔能源基地，涉及的省份包括西藏、四川和云南等。從電力能源構(gòu)成來(lái)看，主要是水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。這一地區(qū)地處我國(guó)一、二級(jí)階梯的交界處，地勢(shì)落差大，降水豐富，發(fā)育了金沙江、雅礱江等眾多河流，水能蘊(yùn)藏量極為豐富，是世界級(jí)的水電開發(fā)區(qū)域。同時(shí)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候和高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫較高，冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行西南風(fēng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，有利于風(fēng)能和太陽(yáng)能的資源開發(fā)利用。

2.1 四川區(qū)域規(guī)劃新能源裝機(jī)分布

金下流域四川側(cè)風(fēng)電及光伏裝機(jī)總量約為1 300萬(wàn)kW，其中風(fēng)電約460萬(wàn)kW、光伏約840萬(wàn)kW

（截至2022年8月）。X2電站近區(qū)風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)較少，無(wú)光伏規(guī)劃裝機(jī)；X1電站近區(qū)的四川側(cè)風(fēng)電和光伏規(guī)劃裝機(jī)主要集中在美姑縣，以光伏裝機(jī)為主，雷波縣規(guī)劃裝機(jī)較少；B電站近區(qū)的四川側(cè)風(fēng)電和光伏規(guī)劃裝機(jī)主要集中在會(huì)東縣、寧南縣、布拖縣、普格縣、金陽(yáng)縣，昭覺(jué)縣、會(huì)理縣、美姑縣，規(guī)劃裝機(jī)較多但距離較遠(yuǎn)，仁和縣、鹽邊縣規(guī)劃裝機(jī)較少且距離較遠(yuǎn)。

2.2 云南區(qū)域規(guī)劃新能源裝機(jī)分布

金沙江下游流域云南側(cè)風(fēng)電及光伏裝機(jī)總量約760萬(wàn)kW，其中風(fēng)電約310萬(wàn)kW、光伏約440

萬(wàn)kW（截至2022年8月）。永善縣、會(huì)澤縣、巧家縣、昭通市等地區(qū)規(guī)劃風(fēng)電和光伏裝機(jī)較少；多數(shù)資源集中在W電站近區(qū)的祿勸縣、尋甸縣。

3 新能源對(duì)大水電的影響

截至2021年底，南方電網(wǎng)裝機(jī)總量37 067萬(wàn)kW，新能源裝機(jī)6 510萬(wàn)kW，其中風(fēng)電裝機(jī)3 395萬(wàn)kW，集中式光伏裝機(jī)1 997萬(wàn)kW，分布式光伏裝機(jī)602萬(wàn)kW，生物質(zhì)裝機(jī)516萬(wàn)kW。云南、貴州、廣東、廣西、海南新能源裝機(jī)分別為2 494萬(wàn)、1 116萬(wàn)、1 294萬(wàn)、1 417萬(wàn)、182萬(wàn)kW。2021年，南網(wǎng)全網(wǎng)新能源發(fā)電量1 089億kW·h，占總發(fā)電量的8.3%，其中全網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電量627億kW·h，全網(wǎng)光伏發(fā)電量221億kW·h。全網(wǎng)新能源基本實(shí)現(xiàn)全額消納，風(fēng)電利用率99.84%，光伏利用率99.81%。

新能源出力波動(dòng)幅度大，南網(wǎng)全網(wǎng)新能源出力占裝機(jī)容量比例在2.2%～80%。為了保證新能源消納，勢(shì)必增加全網(wǎng)調(diào)峰壓力。W電站是南方電網(wǎng)最大的骨干電源，除承擔(dān)正常的發(fā)電任務(wù)外，在風(fēng)光等新能源大發(fā)期間，為確保其能發(fā)盡發(fā)，W水電站需進(jìn)行大幅度調(diào)峰以騰出發(fā)電空間，直接導(dǎo)致W電站的發(fā)電空間受限，在主汛期階段，控制庫(kù)水位的難度相應(yīng)增大。2022年W電站全年計(jì)劃修改900余次，大部分修改是受新能源發(fā)電影響而需平衡系統(tǒng)負(fù)荷，電站大幅度調(diào)峰伴隨著機(jī)組頻繁啟停、頻繁運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)工況以及發(fā)電計(jì)劃曲線頻繁調(diào)整等問(wèn)題，以下以W電站運(yùn)行調(diào)峰情況為例進(jìn)行說(shuō)明。

W電站全部機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，除機(jī)組全天滿發(fā)或外送系統(tǒng)受限等少數(shù)情況無(wú)法調(diào)峰外，其余時(shí)段均調(diào)峰運(yùn)行，其中2021年下半年僅27 d未調(diào)峰，最大調(diào)峰量達(dá)全廠裝機(jī)容量的88%（2021年10月15日）；2022年全年調(diào)峰，最大調(diào)峰量達(dá)全廠裝機(jī)容量的88%（2022年10月25日）。W電站平均日調(diào)峰量約為全廠裝機(jī)容量的48%，整體調(diào)峰情況呈現(xiàn)出豐水期（6—10月）大、枯水期（11—次年5月）小的特點(diǎn)，其中豐水期平均調(diào)峰量約為全廠裝機(jī)容量的56.7%，枯水期平均調(diào)峰量約為全廠裝機(jī)容量的40%。

W電站日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)明顯雙峰雙谷過(guò)程。其中高峰分為早高峰和晚高峰，晚高峰持續(xù)時(shí)間、最大負(fù)荷與早高峰持平或高于早高峰；低谷時(shí)段23—次日6時(shí)、午間12—14時(shí)調(diào)峰幅度較大。出力曲線雙峰雙谷的情況下，存在兩個(gè)突出問(wèn)題：一是出力曲線短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)幅度過(guò)大（如1 h內(nèi)密集開停多臺(tái)機(jī)組）；二是出力曲線波動(dòng)調(diào)節(jié)頻次高（如開機(jī)不到1 h甚至0.5 h立即需要停機(jī)），出力曲線呈現(xiàn)鋸齒狀。以2022年12月13日為例，早高峰向午間低谷過(guò)渡時(shí)，30 min內(nèi)全廠出力下降幅度約為全廠裝機(jī)容量的40%，且高晚高峰鋸齒明顯，機(jī)組頻繁啟停。具體過(guò)程如圖1所示。

W電站2022年全年開停機(jī)次數(shù)為6 780次，日平均開停機(jī)18.58次。12月中旬，現(xiàn)貨市場(chǎng)試運(yùn)行期間，日開停機(jī)達(dá)39次，深度調(diào)峰導(dǎo)致的開停機(jī)頻繁帶來(lái)了諸多不利影響，機(jī)組頻繁穿越振動(dòng)區(qū)，水力不平衡會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪應(yīng)力大幅度波動(dòng)，日積月累，會(huì)對(duì)流道、廠房等產(chǎn)生一定的影響；發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）在頻繁分合過(guò)程中的振動(dòng)可能導(dǎo)致螺栓松動(dòng)、絕緣墊片滑動(dòng)等，從而降低GCB動(dòng)作的可靠性；發(fā)電機(jī)組調(diào)速器、高壓油等管路壓力油和回油反復(fù)切換，則會(huì)降低相應(yīng)管件的使用壽命。

4 新能源與傳統(tǒng)水電外送矛盾的應(yīng)對(duì)策略

4.1 新能源與大水電打捆外送

通過(guò)水風(fēng)光一體化能源基地建設(shè)，合理優(yōu)化水風(fēng)光資源配置，根據(jù)水電站周邊新能源資源條件，以傳統(tǒng)水電與新能源打捆輸送的形式，利用水電外送通道統(tǒng)一輸送至受端市場(chǎng)[1]。建立以金沙江下游流域梯級(jí)水電站為依托的“風(fēng)光水”一體化集控中心，加強(qiáng)多廠站協(xié)同調(diào)控能力，對(duì)水、風(fēng)、光電站的電力生產(chǎn)、運(yùn)行管理、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和智能化運(yùn)維等環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光多能源互補(bǔ)[2]。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)潮流、氣象條件、電站發(fā)電能力等生產(chǎn)信息進(jìn)行整合處理，實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光能源利用最大化。金沙江下游流域風(fēng)電和光伏項(xiàng)目呈零散式分布于多個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），可以考慮將新能源以低電壓等級(jí)匯流后，整體升壓至220 kV送出，以減少投資。再將片區(qū)內(nèi)多個(gè)220 kV匯集站統(tǒng)一接入500 kV匯集站，最終通過(guò)500 kV電壓等級(jí)接入水電站500 kV母線[3]。

4.1.1 W、B、X1近區(qū)外送能力限制

W右岸電站采用500 kV一級(jí)電壓出線3回接至近區(qū)換流站500 kV側(cè)，W右岸電站送出線路極限輸送功率受制于N-1熱穩(wěn)定校核。在W近區(qū)新能源接入W右岸電站后，如果考慮汛期水電站滿發(fā)情況，新能源留存本省消納，該種運(yùn)行方式將受制于電站送出通道極限輸送能力。W右岸電站滿發(fā)期間，新能源最大可輸送功率僅為42萬(wàn)kW。

B左岸電站采用500 kV出線4回接至近區(qū)換流站500 kV側(cè)，B右岸電站采用500 kV出線4回接至近區(qū)流站500 kV側(cè)，B左、右岸電站送出線路極限輸送功率均受制于N-1熱穩(wěn)定校核。在B近區(qū)新能源接入B左、右岸電站后，如果考慮汛期水電站滿發(fā)情況，新能源留存本省消納，該種運(yùn)行方式將受制于電站送出通道極限輸送能力。B左、右岸電站滿發(fā)時(shí)刻，新能源最大可輸送功率均為148萬(wàn)kW。

X1左岸電站采用500 kV一級(jí)電壓出線3回接至近區(qū)換流站500 kV側(cè)，送出線路長(zhǎng)度約長(zhǎng)度60 km，X1左岸電站送出線路極限輸送功率受制于N-1熱穩(wěn)定校核。在X1近區(qū)新能源接入X1左岸電站后，如果考慮汛期水電站滿發(fā)，新能源留存本省消納，該種運(yùn)行方式將受制于電站送出通道極限輸送能力。X1左岸電站滿發(fā)期間，新能源最大可輸送功率為64萬(wàn)kW。

4.1.2 W、B、X1電站接入新能源可行性

W電站左、右岸出線規(guī)模均為4回，目前左右岸電站500 kV出線各3回，左、右岸電站均利用預(yù)留的1回500 kV出線間隔，分別裝設(shè)1組母線高抗。在W電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到適應(yīng)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展，W左岸或右岸電站的第4回線，母線高抗可以轉(zhuǎn)為線路高抗，為新能源的匯集接入提供了可能。W電站近區(qū)風(fēng)電和光伏資源距離負(fù)荷中心均較遠(yuǎn)，優(yōu)先考慮新能源接入W右岸電站，統(tǒng)一打捆外送。新能源打捆接入W右岸電站無(wú)需跨越金沙江，但是為滿足新能源接入，右岸電站電廠需進(jìn)行改造；新能源打捆接入W左岸電站廠內(nèi)改造費(fèi)用較低，但需跨越金沙江，此外，W左岸電站配套直流容量?jī)H有300萬(wàn)kW，且存在一定程度的外送受阻，在實(shí)際研究過(guò)程中應(yīng)予以考慮。

B電站目前左右岸出線豎井各預(yù)留1回500 kV出線間隔，具備較好的新能源匯集接入條件?；诂F(xiàn)階段外部條件，暫考慮接入B左岸電站500 kV預(yù)留間隔，后期如果新增新能源接入規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，可考慮接入B右岸電站500 kV預(yù)留間隔。B電站近區(qū)風(fēng)電和光伏資源距離負(fù)荷中心均較遠(yuǎn)，優(yōu)先考慮新能源接入B左岸電站（匯集送出線路無(wú)需跨越金沙江），在無(wú)法滿足新能源并網(wǎng)需求情況下再考慮接入B右岸電站，統(tǒng)一打捆外送。

X1左岸電站500 kV GIS開關(guān)站位于地下廠房，500 kV出線采用GIL管道穿過(guò)約475 m的垂直豎井，從GIS開關(guān)站引至500 kV出線場(chǎng)，GIL管道兩端分別與地下廠房和外部架空輸電線路連接?，F(xiàn)左岸廠房?jī)?nèi)共3回GIL在戶外出線場(chǎng)與3回架空線路進(jìn)行連接。為提高X1左岸電站電源外送的可靠性，計(jì)劃在左岸GIS站新增一回GIL到出線場(chǎng)，新增一個(gè)地面開關(guān)站，將4回GIL作為新建開關(guān)站的進(jìn)線，增加新能源的進(jìn)線連接點(diǎn)，3回架空線路作為新增開關(guān)站的出線。新建開關(guān)站初期預(yù)留2回風(fēng)光新能源接入點(diǎn)，為后期新能源接入提供可能。X1電站近區(qū)風(fēng)電和光伏資源距離負(fù)荷中心均較遠(yuǎn)，優(yōu)先考慮新能源接入X1左岸電站，統(tǒng)一打捆外送。優(yōu)先考慮距離水電站較近的新能源項(xiàng)目，并統(tǒng)籌考慮升壓站匯集接入容量限制、預(yù)留間隔限制、地理地形限制等因素，擬定新能源匯集接入電站方案。

4.2 建設(shè)混蓄電站消納新能源發(fā)電

考慮到金沙江下游流域未來(lái)風(fēng)電、光伏發(fā)電體量持續(xù)增長(zhǎng)，水電站外送通道可能難以滿足汛期水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電的打捆功率需求，造成棄水、棄光、棄風(fēng)的情況。可以采用在W、B、X1等庫(kù)區(qū)合適位置建設(shè)混合式抽蓄能電站的方式確保能源利用最大化。

混合式抽蓄能電站是兼具抽水蓄能和徑流發(fā)電功能的水電站，裝備若干可逆式機(jī)組。電站上水庫(kù)有充足的天然徑流補(bǔ)給，利用天然徑流可為原有水電站提供備用容量，能夠根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求，快速調(diào)整發(fā)電功率，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰能力。電網(wǎng)電力過(guò)剩時(shí)段，混蓄電站可通過(guò)抽水蓄能方式將新能源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，避免棄風(fēng)、棄光等能源浪費(fèi)，提高能源利用率[4]。

在W、B、X1等大水電和新能源同時(shí)大發(fā)期間，四川、云南省內(nèi)無(wú)法消納多余電力，送往華東、華南地區(qū)的配套外送通道極限輸電能力可能受限。在此期間，可利用混蓄機(jī)組工況轉(zhuǎn)換靈活的特點(diǎn)，進(jìn)行新能源電力消納，將水電站下游流水抽至大壩上游，風(fēng)光等能量資源轉(zhuǎn)換為水的重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，既避免了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象的發(fā)生，也能緩解大發(fā)時(shí)期新能源搶占水電外送通道的不利局面，進(jìn)而減小大水電日內(nèi)巨大的調(diào)峰量。同時(shí)也可規(guī)避電網(wǎng)上級(jí)調(diào)度頻繁修改廠站側(cè)發(fā)電計(jì)劃，導(dǎo)致W、B、X1等控制性水庫(kù)水位控制不滿足調(diào)度要求的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新能源發(fā)電是未來(lái)世界能源發(fā)展的必然方向，對(duì)于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題具有重要意義。金沙江流域是我國(guó)水風(fēng)光資源較為豐富的地區(qū)，但遠(yuǎn)離電力負(fù)荷中心，需要大容量長(zhǎng)線路進(jìn)行電力外送，使得傳統(tǒng)大水電與新能源發(fā)電的打捆輸送極具研究?jī)r(jià)值。金沙江流域太陽(yáng)能及風(fēng)能資源呈現(xiàn)冬春季大、夏秋季小的特點(diǎn)，這使得該地區(qū)的風(fēng)、光資源在季節(jié)上具有互補(bǔ)性，X1、B、W三大控制性水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)346億m3，利用水電優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能，可以有效平抑風(fēng)能、光能出力變化，提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能、光能的接納能力。建設(shè)水電站配套的外送線路消納清潔能源，以及建設(shè)混蓄電站利用抽水蓄能消納風(fēng)光能源，是解決新能源與傳統(tǒng)水電相互融合較為可行的途徑，值得推廣實(shí)踐。

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Response Recommendations for Impacts of New Energy Sources on Traditional Hydropower Transmission

Xiangxi，WANG Youwu，XIONG Qi，CHENG Xiaodong，LU Keqin

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：As a high-quality，efficient and clean secondary energy source，electricity is vital to the country's economy and people's livelihood. Recently，compared to the slowdown in traditional hydropower development，new energy sources such as wind and solar power has seen rapid increase in installed capacity. The proportion of installed capacity of new energy sources in the power grid has gradually surpassed those of traditional hydropower and thermal power. As new energy sources are increasingly integrated into the grid，various consequential challenges arise，such as the grid peaking difficulty and the instability of electricity supply generated from these new sources. This paper focuses on analyzing the current situation of new energy development in the lower Jinsha River basin and the impact of new energy on the transmission of traditional hydropower such as W，B and X1. Additionally，given the existing conditions of the large-scale cascade hydropower stations on the lower Jinsha River，we explore two approaches to increase the feasibility of integrating new energy sources with traditional hydropower. These two approaches include the construction of a collective control centre to achieve bundled transmission of hydro and wind power from the lower Jinsha River，and the construction of a hybrid storage power station.

Key words：new energy；traditional hydropower；impact of outward transmission

作者簡(jiǎn)介：呂祥熙，男，工程師，主要從事水電站運(yùn)行管理及水風(fēng)光、抽蓄、電力市場(chǎng)等新業(yè)務(wù)研究工作。Email：lv_xiangxi@ctg.com.cn