水光互補模式下阿青水電站裝機容量優化選擇

張海龍，趙言穩

(1.西藏開發投資集團有限公司，西藏 拉薩 850000；2.四川省港航開發有限責任公司，四川 成都 610072)

在國家提倡節能減排，大力發展太陽能發電、風電、生物質能發電等新能源的情況下，具有較好調節性能的水電站將責無旁貸地擔當系統調峰、備用的重任[1]。合理確定裝機規模，做到既不浪費水資源，又充分發揮裝機容量的規模效益，從電力系統調峰需求，綜合分析增加裝機容量的得與失，需要科學發展的觀點不斷完善和改進裝機容量優化比選方法[2- 3]。利用水電站調節速度快，調峰、調頻性能佳等優勢，在水電站裝機容量確定過程中，改變現有水電裝機容量確定中的有關問題，從當地電網需求和社會效益最大化的角度考慮，適當增加水電站的調峰容量是十分有利的[4]。尤其在西藏偏遠地區，環境條件差，工程建設難度大，按照長遠的電力電量發展需求研究最優的裝機規模，可避免建設成后擴容帶來的各類困難和風險。根據劉威[5]對西藏水光互補發電研究現狀的介紹，目前，西藏地區缺乏水光互補發電的開發利用。充分利用西藏地區豐富的太陽能優勢資源，積極探索發展水光多能互補的清潔能源利用模式，既是改善能源結構、保障能源安全、推動生態文明建設的重要任務[6]，也是西藏偏遠地區緩解電力需求增長、保護青藏高原生態環境的必然選擇。

西藏阿里地區電網長期孤網運行，電源裝機容量不足、出力受限，長期“以供定需”制約了用電需求的合理增長。結合阿里地區豐富的太陽能資源，從資源利用的合理性、增加系統調節能力和調峰能力、優化系統電源結構、維持電網長期穩定運行、環境保護以及經濟效益角度分析，“調節水庫電站+光伏”的水光互補能源體系是阿里地區最適合的電源建設方案。

1 供電地區負荷預測及電力市場空間

1.1 電源現狀

截止目前，阿里電網總裝機規模為4.46萬kW，其中水電0.64萬kW，占14.3%；光伏1.0萬kW，占22.4%；柴油機組2.82萬kW，占63.2%。電網有效輸出容量約1.23萬kW，其中：水電0.64萬kW，柴油機組0.59萬kW。存在著電源建設不足，枯水期缺電嚴重，柴油發電成本高，電網供電可靠性差等問題。

1.2 負荷預測

根據阿里地區經濟社會發展規劃及相關部門的分析預測，充分考慮地區產業發展、電網擴建、用電人口增加等對負荷水平的影響，阿里電網負荷需求預測成果見表1。

表1 西藏阿里電網負荷需求預測成果

1.3 電力空間分析

根據預測的最大負荷，考慮負荷備用和事故備用容量需求，預計2025年、2030年系統電力缺口達3.735萬、5.33萬kW。從系統長遠發展的角度，若已建柴油機組僅作應急電源，事故備用由水電承擔，則2025、2030年系統電力缺口達4.325萬、5.92萬kW，即阿里電網近、遠期需投入約4.3萬、6萬kW左右的水電裝機。阿里電網電力市場空間分析見表2。

表2 西藏阿里電網電力市場空間分析表 單位：萬kW

2 阿里電網電源優選

隨著阿里地區經濟社會快速發展和人民生活水平的不斷提高，電力系統用電大幅增長，特別是高峰用電負荷增長較快，系統迫切需要更多的調峰容量。為滿足阿里地區近中期的電力需求，按同等程度滿足阿里地區2025年的電力需求，初擬7組電源建設方案進行分析論證。詳見表3。

表3 阿里電網可能的電力供應方案(2025年)

綜合比較分析，加快具有調節性能的水電站開發建設，并配備一定規模的光伏電站是阿里地區解決電力緊缺、保證電網穩定經濟運行的最優方案。

3 阿青水電站裝機容量選擇

3.1 裝機容量方案擬定

阿青水電站是西藏阿里地區不可多得的年調節電站，調節性能好、裝機規模大，可擔任系統調峰、事故備用等任務。裝機容量的選擇首先根據電站自身的特性、供電系統的特性以及在供電系統中的作用，確定方案的比較范圍[7- 8]。同時，立足于合理利用水能資源、充分發揮電站在系統中的調峰作用和容量效益，挖掘其潛力并充分利用當地優勢光伏資源，滿足阿里電網近遠期(2022—2032)電力電量需求分析，擬定3.3萬、4.2萬、5.1萬、6萬kW四個裝機容量方案進行比較，考慮水光互補運行，各方案相應配套的光伏電站規模為1萬、2萬、3.5萬、5萬kW。

3.2 電力電量平衡分析

根據阿里地區能源資源分布特點和開發利用條件，從調整系統電源結構，維護系統穩定運行及優化電源的角度考慮，本次參與阿里電網電力電量平衡的電源僅考慮獅泉河水電站、阿青水電站作為骨干電源，2020年并入阿里電網的3個地方小水電也參與系統電力電量平衡；光伏電站僅參與電量平衡(2025年僅考慮已建1萬kW、2032年考慮新增光伏)；已建燃油機組僅作為應急電源，不參與系統電力電量平衡。

阿里電網總體上存在電力供應豐多枯少與電力需求豐小枯大的矛盾，枯水期入庫水量較小時，系統出現無足夠水量支撐水電調峰容量的現象，電力嚴重不足。采用“阿青水庫電站+光伏”的電力供應模式，是最優的供電保障方案。枯水期阿青水電站的調節庫容已基本完全利用，沒有富余的季調節以上庫容來進行水光互補，但基本不影響水電站送出方式和日內水量調節。因此，阿青水電站與光伏電站只能在日內進行水光互補運行，以提高阿青水電站的調峰能力[9]。白天光伏電站集中發電時段系統內水電站僅發基荷，水庫電站在相應時段內減小出力(僅發基荷)、蓄水儲能；其余時段系統內容量和電量需求均由水電站(主要是阿青水電站)滿足。光伏電站夜間或極端天氣情況下的出力空缺和出力不穩定，由阿青水電站補充。2025、2032年水平阿里電網枯水年電量平衡成果分析見表4—5及圖1—2所示。

圖1 阿里電網2025年水平電力電量 平衡圖(枯水期)

圖2 阿里電網2032年水平電力電量 平衡圖(枯水期)

表4 2025年水平各裝機容量方案電量平衡成果表(枯水年) 單位：萬kW

表5 2032年水平各裝機容量方案電量平衡成果表(枯水年) 單位：萬kW

近期枯水年平衡成果表明阿青水電站各方案枯期均缺電量，與已建的1萬kW光伏電站進行日內水光互補后，各方案均滿足系統電量需求。遠期枯水年平衡成果表明阿青水電站各方案枯期均缺電量，與配套的光伏電站進行日內水光互補后，僅阿青裝機容量6萬kW配套光伏5萬kW方案能滿足系統電量需求，其余3方案均需燃機補充電量。

3.3 裝機容量選擇

3.3.1系統調峰需求分析

阿青水電站全年均可承擔系統的調峰任務，且在汛期和非汛期均是系統中的主力調峰電源，并承擔系統的事故備用，同時與光伏電站配合運行，光伏電站提供電量，阿青水電站承擔調峰任務，水光互補，共同構建低運行成本的清潔能源體系。阿青水電站投產初期，盡管電站裝機容量暫時不能完全發揮作用，但隨著阿里地區負荷的快速增長，阿青水電站作為系統中重要的調峰、調頻骨干電源，其容量作用非常重要，適當增加裝機規模，對于保障阿里電網電力供應是有利的。

3.3.2動能經濟指標分析

調節計算成果表明，各裝機容量方案的水資源利用已較充分，通過增大裝機來提高水能資源利用的作用較小。從補充單位千瓦投資看，各方案間補充單位千瓦投資在22167～3799元之間，均遠低于各方案本身的單位千瓦投資，說明裝機容量增加所產生的投資費用相比工程投資甚微，增加裝機容量是有利的。各裝機容量方案考慮水光互補后方案間補充單位電能投資分別為13.58、16.84、11.77元，均低于各方案本身的單位電能投資，說明增大裝機容量是經濟的。

3.3.3工程量及工程投資分析

各裝機容量方案僅在廠房布置及引水岔管布置上有所差異，技術難度基本相當。工程量和投資隨裝機容量的增大而增加，各方案的工程靜態總投資分別為241623.41萬、255084.48萬、264674.89萬、268094.11萬元。

3.3.4機電及金屬結構情況分析

四個裝機容量方案機組參數基本在同一水平、電氣設備參數差別不大，設備選型、閘門和啟閉機設計、制造及運輸安裝之間的差異甚微，不影響方案比選。

3.3.5容量、電量的系統吸收情況分析

2025水平年阿青水電站各方案與已建的1萬kW光伏電站進行日內水光互補后，各方案電量全被系統吸收，均滿足系統需求。2032水平年阿青水電站各方案與配套的光伏電站進行日內水光互補后，阿青裝機容量6萬kW配套光伏5萬kW方案電量全被系統吸收，能滿足系統需求。因此，阿青水電站適當增大裝機對帶動阿里地區光伏優勢資源、減少系統燃機裝機容量、保護環境是有利的。

3.3.6總費用現值分析

各裝機容量方案的總費用現值分別為30.4億、27.0億、26.0億、24.0億元，以裝機容量6萬kW方案總費用現值最小。從動態經濟指標看，裝機容量6萬kW較為合適。

4 結語

從更好地發揮阿青水電站調峰作用及效益，優化阿里系統電源結構、構建阿里地區水光互補的清潔能源體系和穩定的電力系統，滿足阿里電網近、遠期電力需求、保障電網安全穩定運行和動能經濟指標等方面綜合分析，適當擴大裝機規模略優。因此，推薦阿青水電站裝機容量為6萬kW更為合適。

西藏地區太陽能資源豐富，在水電開發過程中，尤其具有調節能力的水電資源，應當充分挖掘其水庫調峰潛力并利用好當地太陽能優勢資源，積極探索太陽能資源與水電開發互補運行的新舉措。

進一步提高水電站的調峰能力、發揮水庫效益，協同推進區域水光互補建設模式，為當地構建水光互補的清潔能源體系和穩定的電力系統創造條件。