抽水蓄能是适应新能源大规模发展的最有效工具

2011-05-18刘殿海

中国三峡 2011年3期

刘殿海

2010年，哈尔滨电机厂有限责任公司车间内，工人们正在加工安徽省响水涧水电站2号抽水蓄能式机组球阀阀体。摄影/黑龙江日报苏强/CFP

风能、太阳能等新能源是我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面具有重要作用。以风电、太阳能为代表的新能源产业属于国家战略性新兴产业，具有科技含量高、市场潜力大、增长速度快、产业带动强的特点，加快风电等新能源发展对振兴国民经济，保障能源安全具有重要战略意义。

受能源资源条件限制，风电、太阳能等新能源发电的大规模发展给我国电力系统的安全稳定运行带来较大的压力。电力系统急需配置大容量的储能装置，优化电源结构，改变运行方式，适应风电等新能源的大规模发展。抽水蓄能是当前最经济、最成熟的大规模储能装置，在电力系统中配置适当规模的抽水蓄能，是解决当前风电等新能源大规模发展影响电网安全稳定问题的最佳选择。

2010年，在戈壁风力的推动下，位于玉门市大唐风电厂的风机在均匀地运转发电。玉门市南依祁连山脉，北邻马鬃山，两山夹一谷的地形成为东西风的天然通道，被称为“世界风口”。摄影/张铁梁/CFP

我国风电等新能源发展现状及规划

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿KW（依据地面以上10米高度风力资料计算），海上可开发利用的风能约7.5亿KW，共计约10亿KW。

从20世纪80年代发展并网风电开始，我国政府高度重视风电等新能源发展，先后出台了《可再生能源发展“十一五”规划》、《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源风电价格及费用分摊管理试行办法》等一系列政策法规以促进风电等新能源发展。

2000年以来我国风电装机容量快速增长，尤其是2006年-2009年连续4年增长率超过100%。据最新数据，2010年我国新增风电装机1600万KW，同比增加23%，累计风电装机总量已达4182.7万KW，首次超过美国，位居世界首位。

我国太阳能发电目前发展也非常迅速。太阳能光伏发电方面，我国已经成为世界上最大的光伏电池组件生产国，据预测，我国2010年光伏太阳能电池产量将达到8GW，占世界生产总量的50%，居世界首位。2009年，全国光伏发电市场装机量约160MW，占全球当年装机总量的2%；2010年，预计装机约380MW，在全球总装机量中占3%。

根据国家风电发展规划，2020年我国将建成哈密、酒泉、河北、吉林、江苏沿海、蒙东、蒙西七个千万千瓦风电基地。预计到2020年，我国风电、太阳能的发展规模将分别达到1.5亿KW和2000万KW。

图1 有无风电等新能源情况下电力系统日调节情况比较

我国风电等新能源大规模发展对电力系统的影响

风电出力受来风情况影响，太阳能发电受云层情况影响，都具有间歇性、随机性和不可控性的特点。风电、太阳能等新能源大规模并网，对电力系统的安全稳定经济运行产生较大影响。目前，新能源发电技术中最成熟的是风电，发展速度最快、规模最大、对电网影响较大的也是风电，因此，本文以风电为例说明新能源大规模发展给电力系统带来的影响。

风电大规模接入电网后，对电网的安全稳定经济运行的影响主要表现在以下两个方面。安全性方面，风力发电具有随机和局部反调峰特性，有风时瞬间大规模并网、无风时瞬间大规模停机，影响系统的频率稳定性和电压稳定性，对电力系统产生非常大的冲击。经济性方面，我国电源结构以煤电为主，调节手段缺乏，由于风电的随机波动特性,其出力随风力大小变化,风电的大规模接入，给用户的供电质量造成较大影响。为保证对用户的供电质量,电网需根据并网风电容量增加相应旋转备用火电机组容量,风电上网越多,旋转备用容量也越多，电力系统的整体煤耗增大。图1为研究机构所做的风电等可再生能源对国外某电力系统安全影响的比较图，从图中可以看出，有风电情况下，电力系统的峰谷差加大，煤电的调节幅度增大，电力系统的安全稳定经济性变差。

风电的大规模发展，对电力系统的电网构架和运行方式产生了较大的影响。我国风电主要集中在西北地区大部、华北地区北部、东北大部的北部的“三北”地区和东南沿海地区，七个千万千瓦风电基地开发规模占全国总规模的78%，集中度很高。三北为我国经济欠发达地区，当地根本无法消纳大量风电。风能资源与负荷中心呈逆向分布的特点决定，我国风电大规模开发必须经特高压电网远距离输送到华东沿海等经济发达地区。国家已经规划，新疆风电在当地电网及“三华”（华北、华中、华南）电网消纳；甘肃风电在西北电网及“三华”电网消纳；蒙西风电在蒙西及“三华”电网消纳；蒙东风电在东北电网及“三华”电网消纳；吉林风电在东北电网及“三华”电网消纳；河北风电在“三华”电网消纳；江苏风电在华东电网消纳。我国风电年利用小时仅2000多小时，通过特高压电网远距离输送，面临着复杂的经济技术挑战，带来电网架构的巨大变化，也必然会对电力系统的运行方式产生较大的影响。

抽水蓄能及其对风电等新能源发展的作用

抽水蓄能是最成熟最经济的电能储存工具

抽水蓄能的低吸高发功能，实现了电能的有效存储，有效调节了电力系统生产、供应、使用，保持了三者之间的动态平衡。储能功能是抽水蓄能电站调峰填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等功能和在电力系统中多种作用发挥的基础。抽水蓄能是当前最成熟、最经济的大规模电能储存工具。

电力系统中主要储能技术详见电力系统主要储能技术分类图，抽水蓄能与其他储能方式的技术特点比较详见表1。

图2 电力系统主要储能技术分类图

表1：抽水蓄能与各储能方式的技术特点对比表

从表1的对比可以看出，目前大规模的储能装置除抽水蓄能外，仅有压缩空气储能、部分化学电池储能装置。大规模压缩空气储能，对地下洞室的地质条件、严密性等要求比较苛刻，同时需要燃气轮机配合运行，在国外处于示范运行阶段，在我国尚没有应用实例。化学储能存在深度充放电时间长、效率衰减快和单位投资高、工作环境要求较高等问题，且目前批量生产能力有限。据了解，各化学储能电池的单位千瓦造价为：液流电池2.5万元/KW，钠硫电池2.8万元/kW，锂电池1万元/KW，寿命周期与充放电次数有关，一般不大于15年；工作过程中对环境温度有较高要求，必须配备空调降温。

与这些储能装置相比，抽水蓄能电站投资较低，单位千瓦造价3000-5000元；使用寿命长，机组使用寿命25年，水工建筑物使用寿命达百年以上；能量转换效率稳定，不存在衰减问题。抽水蓄能是目前电力系统中当之无愧的最成熟、最实用的大规模储能方式。

抽水蓄能是适应我国风电等新能源大规模发展的最有效工具。

2010年4月1日正式颁布实施的《可再生能源法》（修订案）将发展储能装置写入国家法律。配套建设适当规模的抽水蓄能电站，是保障电力系统安全稳定经济运行，解决风电等新能源大规模发展瓶颈问题的最有效工具。

在电力系统中配置适当的抽水蓄能，可以充分发挥抽水蓄能与风电、太阳能等新能源运行的互补性，利用抽水蓄能电站的储能特性，平滑风电、太阳能发电出力，减小其随机性、波动性，平衡风电发电量的不均衡性、参加电网运行调频，减少风电等新能源对电力系统的冲击，保障电力系统的安全稳定运行，减少煤电机组的旋转备用容量，降低系统煤耗。这里所说的适当的抽水蓄能，一是指装机规模合适，抽水蓄能电站的出力与调节风电的规模，以及电网的结构相适应；二是指蓄能时间合适，根据风电的特点和抽水蓄能站址的地形地质条件，确定抽水蓄能电站的库容和蓄能时间，确定抽水蓄能电站是日调节、周调节还是月调节。

针对我国风电集中度较高，需远距离输送、大范围消纳的特性，在风电资源丰富区域配置适当的抽水蓄能与火电机组，实现风、火、蓄优化配置，打捆外送，可以充分发挥抽水蓄能电站的电能储存功能，在风电出力大时将多余电力转换为水能储存起来，在无风时放水发电，保证特高压输送电力的稳定性，提高特高压输送线路的经济性。

发展风电、太阳能等新能源是我国实现2020年碳减排承诺的重要举措，风电、太阳能等新能源的大规模发展急需电力系统配置大量切实有效的调节手段。但受一次能源资源条件限制，我国油、气资源短缺，以煤电为主的电源结构出力调节速度慢、调节幅度小，适度发展、优化配置抽水蓄能，是保障电力系统安全稳定经济运行、解决我国当前风电等新能源大规模发展问题的最有效工具。