金沙江下游(四川侧)风光水互补开发研究初探

李良县，李 宁

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

金沙江发源于青藏高原唐古拉山脉的沱沱河，沱沱河与当曲汇合后称通天河，通天河流至玉树附近与巴塘河汇合后始称金沙江。金沙江流经青、藏、川、滇四省(区)，至宜宾纳岷江后称为长江，宜宾至宜昌河段又称川江。金沙江流域面积47.32万km2，占长江流域面积的26%。多年平均流量4 920 m3/s，多年平均径流量1 550亿m3，占长江宜昌站来水量的1/3。金沙江全长3 479 km，天然落差5 100 m，水能资源丰富，是全国最大的水电能源基地，水能资源蕴藏量达1.124亿kW，约占全国的16.7%[1]。

金沙江下游河段(雅砻江河口至宜宾)水能资源的富集程度最高，河段长782 km，落差729 m，整个河段规划分四级开发。金沙江下游规划电站均具有较大库容，并且调节库容大，调节性能强，能够实现流域内的多年调节。根据金沙江下游(四川侧)最新的风能和太阳能资源普查成果，流域内除具有丰富的水能资源外，还具有规模巨大的风能和太阳能资源。本文在分析流域内风能和太阳能资源的基础上，着重研究风、光、水三种清洁能源的出力特性，并结合出力特点明确提出统筹协调开发风光水能源的总体思路。

1 区域风光水能储量和分布

1.1 风 能

受西南季风、四川省地形及环流特点影响，金沙江下游(四川侧)覆盖的凉山州、攀枝花为四川省风能资源主要集中分布区域，属于风能资源相对较好的区域。根据流域内测风塔观测数据分析成果，风能资源主要集中在高海拔山地和高台地，平均海拔超过3 000 m，平均风速大多在6 m/s以上，风能资源等级多为2级及以上(见图1)[2]，具备较大开发价值。根据风资源模拟计算结果，金沙江下游(四川侧)风能资源储量较为丰富，风能技术可开发量超过700万kW。

从年内分布来看，金沙江下游(四川侧)风能资源主要集中在冬春季节，即每年11月到次年5月，基本是河流的枯水期；从日内分布来看，风能资源从12时、13时风速开始加大，至16时风速最大，然后逐渐减小，至凌晨最小，与四川省电力系统日负荷高峰相匹配。

1.2 太阳能

四川省太阳能分布大致以龙门山脉、邛崃山脉和大凉山为界，东部较差，西部较好，全省太阳能资源最丰富地区年总辐射量达6 000 MJ/m2以上，年日照时数为2 400～2 600 h[2]。根据四川省年太阳总辐射量分布(见图2)和流域内太阳能辐射观测数据，金沙江下游(四川侧)年太阳总辐射量在5 500 MJ/m2左右，属于全国太阳能资源二类和三类地区，尤其是凉山州和攀枝花地区具备较大开发价值，主要分布在仁和、盐边、会理、会东、昭觉等地区。根据太阳能辐射量分布和太阳能开发场址条件，区域内太阳能技术可开发量超过500万kW。

1.3 水 能

金沙江下游从上至下依次为乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四座梯级水电站，总装机规模约4 646万kW，相当于两个三峡水电站。溪洛渡和向家坝水电站于2014年全部投运，一举成为中国第二、第三大水电站。金沙江下游干流河段梯级开发规划见图3。

图1 金沙江下游(四川侧)70 m高度年平均风功率密度分布

图2 金沙江下游(四川侧)年太阳总辐射量分布(单位：MJ/m2)

图3 金沙江下游干流河段梯级开发规划

2 区域风光水能开发现状

截至目前，金沙江下游规划的四个梯级电站中，向家坝、溪洛渡水电站已投产，共计2 026万kW。乌东德和白鹤滩水电站已进入施工阶段，预计分别于2020年和2021投产发电。

金沙江下游(四川侧)已建、在建风电项目共37个，总计规模242万kW，其中已建风电项目15个，总装机规模74万kW；在建项目22个，总装机规模168万kW。区域内已投产光伏项目2个，总装机规模8万kW；在建项目10个，总装机规模33万kW。受制于项目送出条件和省内消纳市场因素的影响，流域内风光项目还未实现规模化开发的经济效益。

3 区域风光水能出力特性

3.1 年内出力特性

金沙江下游(四川侧)风速年内分布具有明显的季节性差异，风速的季节变化直接造成了风电场出力的季节性差异。从风电场年内出力曲线可以看出，风电场11月～次年4月出力较大，6～10月出力较小，如图4(a)所示。简言之，区域风电场出力呈冬春季大、夏秋季小的显著特点[3]。

金沙江下游(四川侧)太阳能资源年内分布存在季节性差异，与出力密切相关的温度也有较明显的季节差异，因此光伏电站出力也存在一定的季节性差异。从光伏电站年内出力曲线可以看出，11月～次年4月出力较大，6～10月出力较小，如图4(b)所示。与风电类似，区域光伏电站同样具有冬春季大、夏秋季小的显著特点。

金沙江下游径流量在年内分布同样存在季节性差异，水电站出力基本随径流的变化而变化，但水库电站建成后，由于对径流的调节作用会一定程度改变水电站的出力特性。从水电站年内出力曲线可以看出，11月～次年4月出力较小，6～10月出力较大，如图4(c)所示。与风光电站出力恰好相反，区域水电出力呈冬春季小、夏秋季大的显著特点。

3.2 月内出力特性

根据电力系统负荷需求重点关注月份，重点选取2月、8月及12月进行月内出力特性分析。由于金沙江下游(四川侧)风速在日间变化的不确定性和间歇性，风电场月内出力变化具有明显的波动性。简言之，风电场在小风季节，月内出力较为稳定，相邻两日出力变化幅度较小；大风季节日出力变化幅度较大，如图5(a)所示。

光伏电站出力受太阳能辐射影响较大，而太阳能辐射受天气影响也具有不确定性。金沙江下游在枯期(2月、12月)降水较少、天气以晴为主，光伏电站月内出力较为稳定，但8月降水增加，阴雨天气使得光伏电站出力发生突变，相邻两日变化幅度较大，如图5(b)所示。

水电站出力受径流和水库调度的影响，在2月、8月、12月具有较强的季节性特征。枯期，水电站出力系数小，但区域水电站具有较好调节性能，出力系数月内相对稳定；汛期，水电站出力系数大，由于水电站具有较好调节性能，出力系数月内相对稳定，如图5(c)所示。因此，无论枯期和汛期，水电站均能够利用调节库容实现风光不稳定电源的月内调节，减少风光月内不稳定出力对电力系统的影响。

图4 区域风光水电站年内出力系数变化曲线

图5 区域风光水电站月内出力系数变化曲线

3.3 日内出力特性

金沙江下游(四川侧)风速日内分布具有显著峰谷特征。尽管风速具有较强的不确定性和间歇性，但风速在日内具有较好的规律性，风电场出力大体呈现出“一峰一谷”的特征。峰时一般出现在14:00～21:00，低谷一般出现在23:00～次日9:00，如图6(a)所示。简言之，下午和晚上出力较大，上午较小，与负荷曲线具有一定的匹配性。

光伏电站出力受太阳能辐射影响，日内出力具有明显的峰值特征。尽管太阳能辐射具有较强的不确定性和波动性，但辐射在日内分布具有较好的规律性，日内基本呈正态分布。因此，光伏电站出力大体呈现出正态分布的特征，峰时一般出现在13：00～15:00，20:00～次日6:00出力为0，昼夜变化较大，如图6(b)所示。

水电站出力受径流和水库调蓄的影响，在日内具有较强的稳定性和可调节性。根据水电站在电力系统的作用，水电站承担电网系统基荷时，其出力较为稳定；当需要增加负荷时，水电站能够迅速开启，承担系统峰荷，其出力能迅速增加，一般发生在负荷高峰时段(见图6)。

图6 区域风光水电站日内出力系数变化曲线

4 区域风光水能互补开发

4.1 风光水互补开发可行性

研究金沙江下游(四川侧)风速、太阳能辐射、径流量多年变化发现，当流域风速相比往年属于大风年时，太阳能辐射也往往较强，降水较少，年径流量在历史记录属于枯水年；当年径流量属于丰水年时，降水较多，风速和太阳能辐射均较弱。风光和水能资源在年际间具有较强的互补性，并且这种互补性具有长期稳定性。

根据金沙江下游(西昌侧)风光水电站的出力特点，风电、光伏和水电的年内出力均呈现出明显的“一峰一谷”形式，风电和光伏的“峰”“谷”恰好与水电的“谷”“峰”在时间上对应，风光水之间在年内形成较为统一的互补关系(见图7)。

金沙江下游(西昌侧)风电和光伏电站出力具有不稳定性和间歇性，月、日内波动性较强，对电网调峰调频造成一定影响。而金沙江下游干流已建和在建水电站具有较大的调节库容，调节能力强(见图8)。通过利用水电站的调节性能，合理配置风光资源规模，按照就近原则将风电、光伏接入水电站联合运行，打捆送入电网，在确保水电不新增弃水的情况下，既消除风电、光伏发电出力的不稳定性，又更好地满足电力负荷要求。因此，在区域内开展风光水互补开发具有充分的科学依据，可行性极强[4]。

4.2 风光水互补开发必要性

(1)区域风光水互补开发能够促进风能和太阳能资源统筹开发，把四川建设成为全国最重要的优质清洁能源基地。近年来，四川省风能和太阳能资源普查工作的不断深入，已基本确定金沙江下游(四川侧)除具有丰富的水能资源外，还具有丰富的风能和太阳能资源。目前，水电作为四川省能源行业的支柱产业，发展快速、规模较大，使四川省具备了成为国家优质清洁能源基地的基本条件，其中金沙江下游(四川侧)的水电建设有力支撑了四川省成为国家优质清洁能源基地。在流域内开展风光水互补建设，能够通过水电开发，促进流域内风电和太阳能发电快速推进，实现流域内清洁能源统筹发展，确保把四川建设成为国家重要的优质清洁能源基地。

(2)区域风光水互补开发能够充分利用水电的调节性能，为风电和太阳能发电开发创造良好的消纳条件。目前，一方面由于风光资源本身的不稳定性，造成电网消纳能力有限；另一方面由于风光项目周边送出能力和通道走廊有限，金沙江下游(四川侧)风能和太阳能资源开发未能实现规模化发展，建设成本较高，项目进展缓慢。实施风光水互补开发，能够充分利用水电站调节性能，减少风电和太阳能发电不稳定出力对电网系统的影响，同时也能增强电力系统对风电和太阳能发电不稳定出力的消纳能力，为风电和太阳能发电建设提供良好的消纳条件[5]。

(3)区域风光水互补开发能够充分利用水电送出通道，为风电和太阳能发电规模化开发提供强大的送出通道。截至目前，金沙江下游(四川侧)已投产总装机规模1 000万kW，全部通过±800 kV特高压直流通道送电华东，目前，正在规划新建两条特高压通道送电华东和华南，水电送出通道容量极大，送出能力较强[6]。结合区域内以水电为主的电网系统，实施风光水互补开发打捆送出，不仅不会带来流域内水电新增弃水，而且为风光资源规模化开发提供了强大的送出通道。

4.3 风光水互补开发突出优势

(1)借助风光水出力特有的互补性，提高风电和太阳能发电的电能品质，提高电网接纳风电和太阳能发电的能力。金沙江下游(四川侧)风电和太阳能发电出力具有随机波动性，短时间内发电出力变化较大时，会对电力系统的有功功率平衡及频率稳定产生影响。为维持系统频率稳定，需要电网配备充足的快速反应容量。流域干流水电站调节性能极好，水力发电启停迅速、运行灵活、跟踪负荷能力强。通过监控风电、光电的出力变化，实时调节水电站的水轮发电机开度，以平抑风电、光电出力变幅及瞬时变率，补充风电、光电的出力，减少对电网频率、无功电压的影响，将随机波动的风电、光电调整为平滑、安全、稳定的优质电源，提高电网接纳风电和太阳能发电的能力[7]。

(2)借助水电送出通道解决风光资源大规模开发问题，提高线路输送效率，减少电网投资。一方面受技术水平限制，风电和太阳能发电的年等效利用小时相对较低，单独新建送出通道的利用率往往不高；另一方面由于电网建设从规划到建成的时间跨度往往较风光项目建设周期长，电网建设远滞后于新能源电源建设。因此，能够充分利用区域已有和规划的大规模水电送出通道[8]，这样既解决了风电和太阳能发电规模化开发上网难的问题，又提高了水电送出通道的利用率，减少新建送出系统投资[9]。

(3)借助风光水互补开发统筹规划流域内清洁能源开发和土地利用，实现区域经济综合开发。金沙江下游(四川侧)风光水互补开发能够从促进风光水清洁能源持续综合开发的角度统筹规划土地利用问题，系统研究电站不同功能主体的用地方式，综合分析风电和太阳能发电的土地效益。考虑到电站和地面动植物的立体布局，在发展清洁能源的同时，实现土地利用的综合开发，带动农业、林业、牧业、渔业、旅游业等一体化发展，真正实现当地的脱贫致富。

5 结 语

金沙江下游(四川侧)具有丰富风能、太阳能和水能资源，风、光、水三种清洁能源出力在年内、日内均有长期稳定的互补性，能够利用出力互补性和水电站的调节性能实现三种电源的稳定输出，降低风光电源消纳对电网造成的不利影响；同时结合区域已有和规划的强大的水电送出通道，实施风、光、水打捆送出，既提高输电线路利用效率，又为规模化开发民族地区的清洁能源，带动这一地区脱贫致富提供支撑。因此，有必要建立金沙江下游(四川侧)风光水互补开发清洁能源示范基地，在目前全国风电和光伏发电“就近接入、就地消纳”基础上探索一种新型的、可再生能源开发模式，对解决风电和太阳能发电送出和消纳具有很好的试验示范意义，也能推动能源互联网的具体实施和电力体制深化改革具体落实。

(说明：本论文受中国电建集团成都院科研项目《大型流域梯级电站风光水互补关键技术研究》资助。)