金沙江下游(四川側)風光水互補開發研究初探

李良縣，李 寧

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

金沙江發源于青藏高原唐古拉山脈的沱沱河，沱沱河與當曲匯合后稱通天河，通天河流至玉樹附近與巴塘河匯合后始稱金沙江。金沙江流經青、藏、川、滇四省(區)，至宜賓納岷江后稱為長江，宜賓至宜昌河段又稱川江。金沙江流域面積47.32萬km2，占長江流域面積的26%。多年平均流量4 920 m3/s，多年平均徑流量1 550億m3，占長江宜昌站來水量的1/3。金沙江全長3 479 km，天然落差5 100 m，水能資源豐富，是全國最大的水電能源基地，水能資源蘊藏量達1.124億kW，約占全國的16.7%[1]。

金沙江下游河段(雅礱江河口至宜賓)水能資源的富集程度最高，河段長782 km，落差729 m，整個河段規劃分四級開發。金沙江下游規劃電站均具有較大庫容，并且調節庫容大，調節性能強，能夠實現流域內的多年調節。根據金沙江下游(四川側)最新的風能和太陽能資源普查成果，流域內除具有豐富的水能資源外，還具有規模巨大的風能和太陽能資源。本文在分析流域內風能和太陽能資源的基礎上，著重研究風、光、水三種清潔能源的出力特性，并結合出力特點明確提出統籌協調開發風光水能源的總體思路。

1 區域風光水能儲量和分布

1.1 風 能

受西南季風、四川省地形及環流特點影響，金沙江下游(四川側)覆蓋的涼山州、攀枝花為四川省風能資源主要集中分布區域，屬于風能資源相對較好的區域。根據流域內測風塔觀測數據分析成果，風能資源主要集中在高海拔山地和高臺地，平均海拔超過3 000 m，平均風速大多在6 m/s以上，風能資源等級多為2級及以上(見圖1)[2]，具備較大開發價值。根據風資源模擬計算結果，金沙江下游(四川側)風能資源儲量較為豐富，風能技術可開發量超過700萬kW。

從年內分布來看，金沙江下游(四川側)風能資源主要集中在冬春季節，即每年11月到次年5月，基本是河流的枯水期；從日內分布來看，風能資源從12時、13時風速開始加大，至16時風速最大，然后逐漸減小，至凌晨最小，與四川省電力系統日負荷高峰相匹配。

1.2 太陽能

四川省太陽能分布大致以龍門山脈、邛崍山脈和大涼山為界，東部較差，西部較好，全省太陽能資源最豐富地區年總輻射量達6 000 MJ/m2以上，年日照時數為2 400～2 600 h[2]。根據四川省年太陽總輻射量分布(見圖2)和流域內太陽能輻射觀測數據，金沙江下游(四川側)年太陽總輻射量在5 500 MJ/m2左右，屬于全國太陽能資源二類和三類地區，尤其是涼山州和攀枝花地區具備較大開發價值，主要分布在仁和、鹽邊、會理、會東、昭覺等地區。根據太陽能輻射量分布和太陽能開發場址條件，區域內太陽能技術可開發量超過500萬kW。

1.3 水 能

金沙江下游從上至下依次為烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四座梯級水電站，總裝機規模約4 646萬kW，相當于兩個三峽水電站。溪洛渡和向家壩水電站于2014年全部投運，一舉成為中國第二、第三大水電站。金沙江下游干流河段梯級開發規劃見圖3。

圖1 金沙江下游(四川側)70 m高度年平均風功率密度分布

圖2 金沙江下游(四川側)年太陽總輻射量分布(單位：MJ/m2)

圖3 金沙江下游干流河段梯級開發規劃

2 區域風光水能開發現狀

截至目前，金沙江下游規劃的四個梯級電站中，向家壩、溪洛渡水電站已投產，共計2 026萬kW。烏東德和白鶴灘水電站已進入施工階段，預計分別于2020年和2021投產發電。

金沙江下游(四川側)已建、在建風電項目共37個，總計規模242萬kW，其中已建風電項目15個，總裝機規模74萬kW；在建項目22個，總裝機規模168萬kW。區域內已投產光伏項目2個，總裝機規模8萬kW；在建項目10個，總裝機規模33萬kW。受制于項目送出條件和省內消納市場因素的影響，流域內風光項目還未實現規模化開發的經濟效益。

3 區域風光水能出力特性

3.1 年內出力特性

金沙江下游(四川側)風速年內分布具有明顯的季節性差異，風速的季節變化直接造成了風電場出力的季節性差異。從風電場年內出力曲線可以看出，風電場11月～次年4月出力較大，6～10月出力較小，如圖4(a)所示。簡言之，區域風電場出力呈冬春季大、夏秋季小的顯著特點[3]。

金沙江下游(四川側)太陽能資源年內分布存在季節性差異，與出力密切相關的溫度也有較明顯的季節差異，因此光伏電站出力也存在一定的季節性差異。從光伏電站年內出力曲線可以看出，11月～次年4月出力較大，6～10月出力較小，如圖4(b)所示。與風電類似，區域光伏電站同樣具有冬春季大、夏秋季小的顯著特點。

金沙江下游徑流量在年內分布同樣存在季節性差異，水電站出力基本隨徑流的變化而變化，但水庫電站建成后，由于對徑流的調節作用會一定程度改變水電站的出力特性。從水電站年內出力曲線可以看出，11月～次年4月出力較小，6～10月出力較大，如圖4(c)所示。與風光電站出力恰好相反，區域水電出力呈冬春季小、夏秋季大的顯著特點。

3.2 月內出力特性

根據電力系統負荷需求重點關注月份，重點選取2月、8月及12月進行月內出力特性分析。由于金沙江下游(四川側)風速在日間變化的不確定性和間歇性，風電場月內出力變化具有明顯的波動性。簡言之，風電場在小風季節，月內出力較為穩定，相鄰兩日出力變化幅度較小；大風季節日出力變化幅度較大，如圖5(a)所示。

光伏電站出力受太陽能輻射影響較大，而太陽能輻射受天氣影響也具有不確定性。金沙江下游在枯期(2月、12月)降水較少、天氣以晴為主，光伏電站月內出力較為穩定，但8月降水增加，陰雨天氣使得光伏電站出力發生突變，相鄰兩日變化幅度較大，如圖5(b)所示。

水電站出力受徑流和水庫調度的影響，在2月、8月、12月具有較強的季節性特征。枯期，水電站出力系數小，但區域水電站具有較好調節性能，出力系數月內相對穩定；汛期，水電站出力系數大，由于水電站具有較好調節性能，出力系數月內相對穩定，如圖5(c)所示。因此，無論枯期和汛期，水電站均能夠利用調節庫容實現風光不穩定電源的月內調節，減少風光月內不穩定出力對電力系統的影響。

圖4 區域風光水電站年內出力系數變化曲線

圖5 區域風光水電站月內出力系數變化曲線

3.3 日內出力特性

金沙江下游(四川側)風速日內分布具有顯著峰谷特征。盡管風速具有較強的不確定性和間歇性，但風速在日內具有較好的規律性，風電場出力大體呈現出“一峰一谷”的特征。峰時一般出現在14:00～21:00，低谷一般出現在23:00～次日9:00，如圖6(a)所示。簡言之，下午和晚上出力較大，上午較小，與負荷曲線具有一定的匹配性。

光伏電站出力受太陽能輻射影響，日內出力具有明顯的峰值特征。盡管太陽能輻射具有較強的不確定性和波動性，但輻射在日內分布具有較好的規律性，日內基本呈正態分布。因此，光伏電站出力大體呈現出正態分布的特征，峰時一般出現在13：00～15:00，20:00～次日6:00出力為0，晝夜變化較大，如圖6(b)所示。

水電站出力受徑流和水庫調蓄的影響，在日內具有較強的穩定性和可調節性。根據水電站在電力系統的作用，水電站承擔電網系統基荷時，其出力較為穩定；當需要增加負荷時，水電站能夠迅速開啟，承擔系統峰荷，其出力能迅速增加，一般發生在負荷高峰時段(見圖6)。

圖6 區域風光水電站日內出力系數變化曲線

4 區域風光水能互補開發

4.1 風光水互補開發可行性

研究金沙江下游(四川側)風速、太陽能輻射、徑流量多年變化發現，當流域風速相比往年屬于大風年時，太陽能輻射也往往較強，降水較少，年徑流量在歷史記錄屬于枯水年；當年徑流量屬于豐水年時，降水較多，風速和太陽能輻射均較弱。風光和水能資源在年際間具有較強的互補性，并且這種互補性具有長期穩定性。

根據金沙江下游(西昌側)風光水電站的出力特點，風電、光伏和水電的年內出力均呈現出明顯的“一峰一谷”形式，風電和光伏的“峰”“谷”恰好與水電的“谷”“峰”在時間上對應，風光水之間在年內形成較為統一的互補關系(見圖7)。

金沙江下游(西昌側)風電和光伏電站出力具有不穩定性和間歇性，月、日內波動性較強，對電網調峰調頻造成一定影響。而金沙江下游干流已建和在建水電站具有較大的調節庫容，調節能力強(見圖8)。通過利用水電站的調節性能，合理配置風光資源規模，按照就近原則將風電、光伏接入水電站聯合運行，打捆送入電網，在確保水電不新增棄水的情況下，既消除風電、光伏發電出力的不穩定性，又更好地滿足電力負荷要求。因此，在區域內開展風光水互補開發具有充分的科學依據，可行性極強[4]。

4.2 風光水互補開發必要性

(1)區域風光水互補開發能夠促進風能和太陽能資源統籌開發，把四川建設成為全國最重要的優質清潔能源基地。近年來，四川省風能和太陽能資源普查工作的不斷深入，已基本確定金沙江下游(四川側)除具有豐富的水能資源外，還具有豐富的風能和太陽能資源。目前，水電作為四川省能源行業的支柱產業，發展快速、規模較大，使四川省具備了成為國家優質清潔能源基地的基本條件，其中金沙江下游(四川側)的水電建設有力支撐了四川省成為國家優質清潔能源基地。在流域內開展風光水互補建設，能夠通過水電開發，促進流域內風電和太陽能發電快速推進，實現流域內清潔能源統籌發展，確保把四川建設成為國家重要的優質清潔能源基地。

(2)區域風光水互補開發能夠充分利用水電的調節性能，為風電和太陽能發電開發創造良好的消納條件。目前，一方面由于風光資源本身的不穩定性，造成電網消納能力有限；另一方面由于風光項目周邊送出能力和通道走廊有限，金沙江下游(四川側)風能和太陽能資源開發未能實現規模化發展，建設成本較高，項目進展緩慢。實施風光水互補開發，能夠充分利用水電站調節性能，減少風電和太陽能發電不穩定出力對電網系統的影響，同時也能增強電力系統對風電和太陽能發電不穩定出力的消納能力，為風電和太陽能發電建設提供良好的消納條件[5]。

(3)區域風光水互補開發能夠充分利用水電送出通道，為風電和太陽能發電規模化開發提供強大的送出通道。截至目前，金沙江下游(四川側)已投產總裝機規模1 000萬kW，全部通過±800 kV特高壓直流通道送電華東，目前，正在規劃新建兩條特高壓通道送電華東和華南，水電送出通道容量極大，送出能力較強[6]。結合區域內以水電為主的電網系統，實施風光水互補開發打捆送出，不僅不會帶來流域內水電新增棄水，而且為風光資源規模化開發提供了強大的送出通道。

4.3 風光水互補開發突出優勢

(1)借助風光水出力特有的互補性，提高風電和太陽能發電的電能品質，提高電網接納風電和太陽能發電的能力。金沙江下游(四川側)風電和太陽能發電出力具有隨機波動性，短時間內發電出力變化較大時，會對電力系統的有功功率平衡及頻率穩定產生影響。為維持系統頻率穩定，需要電網配備充足的快速反應容量。流域干流水電站調節性能極好，水力發電啟停迅速、運行靈活、跟蹤負荷能力強。通過監控風電、光電的出力變化，實時調節水電站的水輪發電機開度，以平抑風電、光電出力變幅及瞬時變率，補充風電、光電的出力，減少對電網頻率、無功電壓的影響，將隨機波動的風電、光電調整為平滑、安全、穩定的優質電源，提高電網接納風電和太陽能發電的能力[7]。

(2)借助水電送出通道解決風光資源大規模開發問題，提高線路輸送效率，減少電網投資。一方面受技術水平限制，風電和太陽能發電的年等效利用小時相對較低，單獨新建送出通道的利用率往往不高；另一方面由于電網建設從規劃到建成的時間跨度往往較風光項目建設周期長，電網建設遠滯后于新能源電源建設。因此，能夠充分利用區域已有和規劃的大規模水電送出通道[8]，這樣既解決了風電和太陽能發電規模化開發上網難的問題，又提高了水電送出通道的利用率，減少新建送出系統投資[9]。

(3)借助風光水互補開發統籌規劃流域內清潔能源開發和土地利用，實現區域經濟綜合開發。金沙江下游(四川側)風光水互補開發能夠從促進風光水清潔能源持續綜合開發的角度統籌規劃土地利用問題，系統研究電站不同功能主體的用地方式，綜合分析風電和太陽能發電的土地效益。考慮到電站和地面動植物的立體布局，在發展清潔能源的同時，實現土地利用的綜合開發，帶動農業、林業、牧業、漁業、旅游業等一體化發展，真正實現當地的脫貧致富。

5 結 語

金沙江下游(四川側)具有豐富風能、太陽能和水能資源，風、光、水三種清潔能源出力在年內、日內均有長期穩定的互補性，能夠利用出力互補性和水電站的調節性能實現三種電源的穩定輸出，降低風光電源消納對電網造成的不利影響；同時結合區域已有和規劃的強大的水電送出通道，實施風、光、水打捆送出，既提高輸電線路利用效率，又為規模化開發民族地區的清潔能源，帶動這一地區脫貧致富提供支撐。因此，有必要建立金沙江下游(四川側)風光水互補開發清潔能源示范基地，在目前全國風電和光伏發電“就近接入、就地消納”基礎上探索一種新型的、可再生能源開發模式，對解決風電和太陽能發電送出和消納具有很好的試驗示范意義，也能推動能源互聯網的具體實施和電力體制深化改革具體落實。

(說明：本論文受中國電建集團成都院科研項目《大型流域梯級電站風光水互補關鍵技術研究》資助。)