南疆四地州可靠电力供应保障研究

刘亦嘉，段乃欣，胡 斌，范丽霞，杨攀峰，南亚林

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075；2.国家电网公司西北分部，西安 710048；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065)

0 引 言

新疆地处西北边陲，由于自然和历史原因，经济基础薄弱，基础设施落后，尤其是南疆四地州深度贫困问题突出，攻坚任务艰巨，是中国确定的“三区三州”集中连片深度贫困区域之一[1]。

随着南疆煤改电工程实施及兵团向南发展，南疆用电负荷今后将持续快速增长[2-3]；因煤炭资源匮乏，现有主力火电时常有出力不足的现象；并且晚高峰光伏发电不能稳定出力。面对以上问题，急需研究新技术、新设备应用及网架构筑方案，以提升南疆电网整体输电能力，满足南疆经济社会发展对可靠电力供应的需求。

1 南疆四地州电网概况

1.1 南疆四地州电网现况及电力需求预测

新疆电网是世界上覆盖面积最广的220 kV区域性电网。南疆四地州电网主要由阿克苏、喀克电网(喀什、克州)、和田电网组成，处于新疆电网的末端。2019年，南疆四地州电网现况接线如图1所示[4-5]。

图1 南疆四地州电网2019年地理接线图

根据新疆电网相关规划的负荷水平，综合考虑自然负荷、煤改电用户负荷和集中式煤改电负荷，“十四五”期间南疆四地州综合负荷预测情况可分为高、中、低3个方案，电力需求综合预测结果见表1～3。

表1 南疆四地州综合负荷预测(高方案)

表2 南疆四地州综合负荷预测(中方案)

表3 南疆四地州综合负荷预测(低方案)

1.2 负荷特性分析

从近几年年负荷特性来看，以往南疆四地州电网的最大负荷均出现在夏季的5-8月，最小负荷基本都出现在冬季的1—2月。2018年，煤改电工程开始全面实施后，四地州最大负荷发生时刻转为12月。预计未来随着煤改电负荷的发展，冬季采暖期间负荷会进一步增大。

南疆四地州电网年负荷特性曲线见图2～ 4。

图2 阿克苏电网年负荷特性图

综合考虑自然负荷、集中式采暖负荷、分散式采暖负荷需求及其特性后，得出中负荷水平下2022年和2025年冬季典型日负荷特性曲线如图5～6。冬季典型日负荷特性呈现两台阶特性，高台阶出现在晚上20时至次日凌晨2时，低台阶负荷相对平稳、由凌晨3时持续到晚上19时。

图3 喀克电网年负荷特性图

图4 和田电网年负荷特性图

图5 2022年冬季典型日负荷特性图

图6 2025年冬季典型日负荷特性图

1.3 电源出力特性分析

(1) 水电出力特性

本次研究选取了南疆6大流域具有代表性的水电站进行分析，结果显示，夏季水电出力较大，发电量占全年的70%以上，尤其是7-8月占全年的35%以上。为进一步分析南疆主要水电的调节性能，选取了2019年实际运行数据进行特性分析，从月出力系数来看，夏季水电出力系数要大于春季和冬季；从日出力系数来看，夏季来水丰富，水电日间调节性能好，冬季来水减少，水电出力系数整体较低，日间调节能力较差。

(2) 光伏出力特性

光伏的年利用小时数约为1 488 h，从光伏的月出力特性看，各月的平均出力在0.12～0.20之间，其中7月平均出力最大，12月平均出力最小。全年分时段光伏平均出力的最大值为0.58，大光日光伏电站最大出力约为0.72，小光日光伏电站最大出力约为0.24。

2 电网发展规划及电力平衡分析

2.1 南疆四地州电网规划

2019年，南疆四地州电网之间通过750 kV和220 kV线路相互联系。阿克苏电网通过库车-阿克苏750 kV单回+库车-龟兹220 kV双回与主网联络；疆南(喀克)电网与阿克苏电网通过阿克苏-巴楚750 kV单回+柯坪-金鹿220 kV双回联络；和田电网与疆南(喀克)电网通过莎车-和田750 kV单回+叶城-皮山220 kV双回联络。2019年底新疆750 kV电网接线见图7。

图7 2019年底新疆750 kV电网接线示意图

根据新疆电网2020年年度运行方式报告[6]相关结论，莎车和田断面受电能力约为580 MW，向主网送电能力约为280 MW；阿克苏巴楚断面受电能力约为800 MW，向主网送电能力约为550 MW；库车阿克苏断面受电能力约为1 000 MW，向主网送电能力约为900 MW。

2021年，规划建成吐鲁番-巴州-库车2回、莎车-和田2回750 kV输变电工程，喀什、和田750 kV主变扩建工程，南疆四地州电网与主网的联系进一步增强。

2.2 电力平衡分析

电力平衡原则：① 风电和光伏加装储能装置后，按照装机容量的10%参加电力平衡；② 光热电源按照装机容量的50%参加电力平衡；③ 网内总备用按年最高负荷的13%计算。

南疆四地州分区电力平衡结果汇总见表4。根据电力平衡结果，冬季水电出力受阻，叠加采暖负荷后，南疆四地州电力严重不足。低负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力缺额约1 480～1 550 MW；中负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力缺额约2 530～2 670 MW；高负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力缺额约4 110～4 340 MW。

表4 南疆四地州电力平衡结果汇总表

3 南疆四地州电力保障方案

3.1 方案思路

截至2019年底，建成库车-和田第一回750 kV交流输电通道，向三地州送电能力约800 MW，向和田送电能力约580 MW；规划到2021年，建成库车-和田第二回750 kV交流输电通道，向三地州送电能力增加1 680 MW，向和田电网送电能力增加650 MW；如继续建设库车-和田第三回750 kV交流输电通道，向三地州送电能力增加820 MW，向和田电网送电能力增加不大于200 MW。

由于新疆主网距南疆四地州距离远，四地州电网支撑电源不足，建成库车-和田第一、二回750 kV交流输电通道后，提高了和田地区受电能力，但2回750 kV交流线路送电能力仅有1 200 MW，继续发展交流输电通道，技术经济性均较差。因此有必要对比研究多种电力保障方案。本次研究提出电化学储能[7-8]、新建火电方案、交流网架加强方案、新建柔性直流输电工程[9-10]等4类方案并进行分析。

3.2 电力保障方案

(1) 储能方案

根据四地州电网冬季负荷特性和电力需求，在和田新建储能电站，储能规模可根据需要灵活确定，为与其它方案比较，暂考虑650 MW，储能时长按照6 h考虑，储能方案示意如图8。

图8 储能方案示意图

(2) 新建火电方案

在和田地区新建2×350 MW火电电源，暂考虑以220 kV电压等级两回出线接入和田750 kV变电站220 kV侧。新建火电方案示意如图9。

图9 新建火电方案示意图

(3) 交流电网加强方案

新建且末、民丰750 kV变电站，新增主变容量3 000 MVA；新建若羌-且末-民丰-和田750 kV线路，线路总长896.5 km。交流电网加强方案示意如图10。

图10 交流电网加强方案示意图

(4) 柔性直流方案

新建库车-和田柔性直流工程，电压等级±350 kV，输送容量1 000 MW。建设直流输电线路约645 km。±350 kV库车-和田柔性直流输电工程交流网侧电压采用220 kV，建设库车换流站、和田换流站，220 kV出线规模本期均暂按3回考虑，分别接入库车、和田750 kV变电站220 kV侧。柔性直流方案示意如图11所示。

图11 柔性直流方案示意图

3.3 方案比选

(1) 总投资及年费用估算

计算各方案投资及年费用时，考虑以下原则：

1) 储能电站投资约1 000元/kWh，火电机组投资分别为4 500、3 500元/kWh，交流电网工程参照以往750 kV输变电工程造价水平，柔直工程投资暂按3 060元/kWh；

2) 储能电站使用寿命为10 a，火电、电网工程使用寿命25 a；

3) 基准贴现率：储能、电网工程6.5%，火电工程8%；

4) 运行维护费率：储能0.5%、电网工程2.5%，火电工程4%；

5) 火电利用小时数3 000 h，和田火电、北疆火电标煤价格分别按照700、300元/t；

6) 根据全疆电力平衡情况分两种情景分析：情景1，全疆电力富裕，不需要补充火电装机；情景2，全疆电力不足，需要补充火电装机投资。各方案总投资及年费用见表5～6。

表5 各方案总投资及年费用(情景1)

表6 各方案总投资及年费用(情景2)

(2) 输电能力分析

各方案实施后三地州及和田电网受电、送电能力情况见表7所示。

表7 各方案提升受电、送电能力表

(3) 国民经济分析

各方案国民经济分析见表8～9。在情景1下，柔直方案提升电网送受电双向能力的单位千瓦投资及年费用最低。在情景2下，考虑到补充火电电源投资后，由于储能可替代火电装机，从电网送受电能力单位千瓦投资及年费用来看，储能方案最优，柔直方案次之。

表8 各方案提升单位输电能力经济比较(情景1)

表9 各方案提升单位输电能力经济比较(情景2)

(4) 盈利能力分析

当不考虑中央预算内资金补助时，各方案每年需要补助分别为火电方案24 889万元，柔直方案29 394万元，交流方案31 135万元，储能方案47 715万元。柔直方案及交流方案补助的通过输配电价形式体现，火电方案及储能方案可通过容量电价形式体现，各方案最终都需要反映在终端电价水平上。

(5) 适应性分析

储能方案建设灵活、具有较强的适应性，但大规模储能技术发展存在不确定性，另外储能方案能否充分发挥容量效应，还需结合电力供需情况进一步研究；火电方案可提高本地供电能力、对电网具有较强支撑作用，但是火电建厂条件差、利用小时数低，企业建设积极性不高；交流方案前期对电网输电能力提升有限、技术经济性差，但具有较强可拓展性，有利于南疆电网中长期发展；柔性直流输电在送电距离远、电压支持能力差的电网具有明显技术优势，在保障受电的同时还能提升送出能力，为未来和田地区发展水电和光伏创造条件，适应南疆电网中长期发展需要，随着柔性直流技术的发展及造价水平下降，柔性直流成为可行的备选方案。

4 结 论

(1) 负荷及电源

针对煤改电不同实施及使用程度，分别提出高、中、低3个负荷水平，预计南疆四地州2022年最大发电负荷为6 890～9 230 MW，2025年将达到8 460～11 080 MW。预计2025年南疆四地州总装机容量为17 218 MW，其中火电7 394 MW、水电4 873 MW、光伏4 951 MW。

(2) 电网发展及送受电能力

规划至2021年，建成库车-阿克苏-巴楚2回、莎车-和田2回750 kV输变电工程后，电网向南通过双回750 kV和双回220 kV链式网络延伸至和田地区。2021年，库车-阿克苏断面受电能力3 330 MW、向主网送电能力2 380 MW，阿克苏-巴楚断面受电能力2 680 MW、向主网送电能力2 100 MW，莎车-和田断面受电能力1 230 MW、向主网送电能力820 MW。

(3) 南疆四地州电力供需平衡

低负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力〗缺额约1 480～1 550 MW；中负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力缺额约2 530～2 670 MW；高负荷水平下，南疆四地州2022—2025年电力缺额约4 110～4 340 MW。

(4) 南疆四地州电力供应方案

由于居民使用煤改电设备的积极性较低，2021年建成库车-和田第1、第2回750 kV交流输电通道后，基本可以满足中方案负荷水平下的电力需求(煤改电使用率50%)。在高负荷水平下，为提高南疆四地州电力供应能力，应从电源、电网等多方面着手规划：① 在和田布局2×350 MW热电机组，就地满足电力需求、同时提高电网受电能力；② 适时建设巴州-铁干里克-若羌-且末-民丰750 kV输变电工程，在提升四地州电网整体受电能力的同时，兼顾环塔里木盆地新能源外送；③ 在大电网未覆盖区域，采用以水电-光伏互补、光伏-储能互补为主要形式的微电网，解决边远地区的供电问题；④ 根据远期南疆电力供需情况，适时开展柔性直流输电工程研究工作。