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抽蓄电站如何在促进新能源消纳中发挥作用?

时间:[2017-08-22 ] 信息来源:国家电网报
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  我国已经成为世界上抽水蓄能装机容量最大的国家。抽水蓄能电站能够在送端电网发挥高效调节作用,在受端电网快速削峰填谷,与特高压输电配合,能促进清洁能源大范围输送和消纳。抽水蓄能电站在未来新能源大规模接入电网、电力系统智能化程度越来越高的趋势下,将扮演越来越重要的角色。

  抽蓄电站:高效调节促清洁能源消纳

  今年上半年,我国弃风率、弃光率相比同期分别下降7个百分点和4.5个百分点。新疆、甘肃、辽宁、吉林、宁夏弃风率下降超过10个百分点;黑龙江、内蒙古弃风率下降超过5个百分点。新疆弃光率同比下降6个百分点,甘肃弃光率同比下降近10个百分点。

  大规模新能源接入电网,由资源中心运送到负荷中心,考验着整个电力系统的友好性、灵活性和安全性,对电力系统技术和管理提出了更加严苛的要求。

  “抽水蓄能电站启停迅速,运行调节灵活,电网系统中建设适当规模的抽水蓄能电站,可以充分发挥抽水蓄能电站与光伏、风电运行的互补性,减少新能源大规模随机并网对系统的冲击。”在世界水电大会上,国网新源控股有限公司代表在发言中提到。

  作为电网系统内重要的“调节器”“稳压器”“平衡器”,如今,抽水蓄能电站已成为接纳大规模清洁能源入网后的首选“标配”。它是如何在促进新能源消纳中发挥作用的?

  快速削峰填谷:保障清洁能源安全入网

  大规模新能源消纳一直是世界性难题。在中国,能源中心与负荷中心分布不均的矛盾由来已久。“三北”地区新能源聚集,电源结构单一,灵活调节电源比重偏低,特别是近几年用电需求增速放缓,消纳市场总量不足。怎样保证新能源平安上网、灵活消纳和安全送出,是新能源快速发展必须面对的挑战。

  东北电网正面临这样的难题。

  一方面,火电机组多,尤其是供热机组比重大,调峰能力弱。另一方面,蒙东、辽宁、吉林等地蓬勃发展的风电却“等着”上网。如何减少风电上网对电力系统的扰动?

  “东北电网是典型的送端电网,电力供需形势总体上供大于求,系统调峰调频能力严重不足。东北电网装机容量13268万千瓦,火电占总容量的68.06%,风电占20.50%,而具备灵活调峰能力的水电和抽水蓄能电站仅占4.96%、1.13%。”国网发展部相关负责人说。

  2012年之后,随着辽宁丹东蒲石河抽水蓄能电站的投运,这种状况有所改变。机组启停速度快、适应性强、电能稳定,让蒲石河抽水蓄能电站能够适应电网负荷急剧增长或下降的状况。这正符合了风电“来去自如”的特性。

  “抽水蓄能电站快速转变的灵活性,可以弥补风力等新能源发电的随机性和不均匀性,突破电网规模对新能源容量的限制,为大力发展新能源创造条件。抽水蓄能电站建在送端电网,主要是减少大规模新能源接入后对电网的冲击,为电网接纳更多新能源打好基础。”辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司总工程师袁波说。

  同时,蒲石河电站在电力系统中还可以发挥调峰、调频、调相和事故备用等重要功能,对保障供电安全、提高供电质量发挥重要作用。

  每天夜晚,蒲石河的抽水机组准时启动,将下水库的水抽上来,将富余电力转换成水的势能储存。白天的用电高峰期,再将水能转换成电能输送回电网,起到削峰填谷的作用。因为风电出力“随机”,有时候,蒲石河的机组每天要启动十几次,以帮助电网达到平衡的状态,减少频率波动对电网造成的影响。

  自投产运行至今,蒲石河抽水蓄能电站累计消纳清洁能源95.78亿千瓦时,累计发电78.33亿千瓦时。在消纳清洁能源,减少化能源消耗,改善大气环境和保障电网安全方面发挥了重要作用。

  这只是抽水蓄能电站在消纳清洁能源方面的一个缩影。近年来,国家电网公司持续加快电网调峰能力建设,发挥抽水蓄能电站作用,促进新能源多发多用。今年上半年,丰宁等抽水蓄能电站和丰满重建工程顺利推进。下半年将开工建设河南洛宁、浙江宁海等6座抽水蓄能电站。“十三五”期间,公司规划开工29座抽水蓄能电站,总投资超过2000亿元。

  促进清洁能源消纳:配合特高压实现大范围资源优化配置

  东部省份浙江能源需求非常旺盛,截至2016年年底,浙江省装机容量8311万千瓦,预计到2020年装机容量将超过1亿千瓦,其中核电和区外来电超过3000万千瓦,是典型的受端电网。这种能源结构特点,使浙江非常期待抽水蓄能电站的建设。

  从2008年开始,特高压的建设逐渐加速。目前,已有8条特高压直流线路的落点选在华东,输送电力包括四川的水电、“三北”地区的新能源发电,输送容量达到3976万千瓦。

  如此大规模的清洁能源输入,电网安全成为重要的考量因素。

  7月13~27日,浙江安吉,在天荒坪抽水蓄能电站工作的卢衍海告诉记者,近期天荒坪机组的启停次数频频升高,达到日启动21次,日均发电量968万千瓦时,为高温天气下电网安全稳定运行提供了保障。

  “相较其他的调峰手段,抽水蓄能电站启停速度快,调峰容量大,尤其对于外来电比较多的特高压受端地区,能有效保证电网安全稳定运行。”华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司副总经理朱兴兵告诉记者。

  抽水蓄能机组在旋转备用时,几秒内就能满负荷运行,机组全停到满负荷运行也仅需要两分钟的时间,而在运行中紧急切掉负荷,只需要零点几秒的时间。相比较下,火电机组从全停到满负荷运行,至少要1小时左右。

  “抽水蓄能电站既能满足快速发电的要求,又能响应因为系统故障导致电量多余这种紧急情况的处理。它发挥作用后,对于特高压电网消纳清洁能源是强有力的保障。”朱兴兵介绍,天荒坪抽水蓄能电站,满负荷运行,能提供5个小时的电能。他们目前还在研究“同抽同发”模式和紧急支援系统功能,这意味着未来抽水蓄能处理电网紧急事故的能力将提升到秒级别。

  华东电网的另一个特点,也让抽水蓄能显得格外重要。

  “在受端电网建设抽水蓄能电站,有两个主要的功能。首先是保证电网安全运行,作为重要的备用电源使用。二是消纳系统低谷清洁电能,并作为网内用户负荷应急切除。”国网新源公司发展策划部主任余贤华表示。

  “华东电网2016年可调配容量达到2.78亿万千瓦,最高负荷1.85亿万千瓦,最高峰谷差6000多万千瓦。”天荒坪抽水蓄能电站有限公司总经理李浩良介绍,华东电网峰谷差大,外来电多,晚上必须要有“大客户”来消纳外来的低谷风电,这个“大客户”,就是抽水蓄能电站。

  如果没有抽水蓄能电站,夜间负荷低谷时,为保证风电充分消纳,将导致火电机组功率降低,甚至被迫停机,而白天需要再开机运行。一开一关,增加了火电机组单位发电煤耗和污染排放。

  “天荒坪抽水蓄能电站把夜间低谷的清洁电储存起来,白天为系统提供更多充足的高峰电。”天荒坪公司运检部副主任王海涛说,这一储一发之间,抽水蓄能电站的综合效益充分体现:吸纳清洁能源,又生产清洁发电,达到零排放、零污染,对当地的环境改善助益很大。

  据统计,天荒坪抽水蓄能电站投运以来,已累计消纳清洁来电450余亿千瓦时。节能减排效果也非常明显,天荒坪电站年均节约标煤11.45万吨,减少二氧化硫445吨,减少二氧化碳25.18万吨,已成为消纳华东电网外来清洁电,提高电能质量,改善当地环境的有效方式。

  这样的例子不仅仅发生在华东。根据北京电力交易中心发布的报告,华中区域抽水蓄能电站机组利用效率显著提高,利用抽蓄低谷调峰能力省间清洁能源消纳成效显著。

  2016年,湖北白莲河、湖南黑麋峰、河南宝泉三座抽水蓄能电站完成发电量46亿千瓦时。2016年全年湖北消纳四川、重庆富余低谷水电3亿千瓦时,计划外消纳西北新能源13亿千瓦时,有效减少了低谷时段的弃风、弃光、弃水。

  跃居“世界第一”:抽水蓄能正处于加快发展的重要机遇期

  “新能源出力具有波动性和随机性,特别是高比例新能源电源接入电力系统后,要实现有效消纳,系统内必须配备必要的灵活调节电源。”余贤华说,“这就需要有大规模、高效环保的安全保障辅助服务和储能需求设备作为系统调节器。”

  从国内外发展经验看,抽水蓄能电站的发展,与各国新能源发电规模快速扩大保持着近似“同步”的节拍。它以水能转换为载体,通过提供系统储能服务和多工况调度运行,在电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等任务,已经成为现代电力系统不可或缺的重要组成部分。

  今年5月,我国抽水蓄能电站装机容量达到2773万千瓦,超过日本成为世界上抽水蓄能装机容量最大的国家。在建机组容量达到3095万千瓦,我国抽水蓄能在建和运行电站机组容量均居世界第一。

  根据对国外抽水蓄能产业发展规模的调查,一般电力系统内配备5%、10%到12%不等比例的抽蓄电站作为调节电源。

  “究竟我国需要配备多大比例的抽水蓄能电源,有人提出5%,也有人认为还要高一点。尽管我国抽水蓄能装机规模已位居世界首位,但是目前装机容量占发电总装机比例仅为1.7%,这个比例在后两年还有下降的趋势,总体上,发展规模是远低于合理水平的。但是,由于不同区域需求差异较大,后期发展既要关注增量,更要关注布局的优化。”余贤华说,而这也意味着,我国抽水蓄能的发展空间和潜能,依旧很大,但布局优化更显重要。

  根据国家能源局《电力发展“十三五”规划》和《水电发展“十三五”规划》的要求,未来,我国将快速大幅提高抽水蓄能机组比例。“十三五”期间,计划新开工抽水蓄能容量6000万千瓦左右,到2020年中国抽水蓄能运行容量将达到4000万千瓦。

  “抽水蓄能正处于加快发展的重要机遇期。未来更多抽水蓄能电站的投运,将充分发挥削峰填谷等综合辅助服务的功能,有助于电网安全调控能力和调峰能力的提升,将为促进新能源大规模、大范围消纳打好基础。”余贤华说。