黑山峡水利枢纽对水风光互补基地的作用研究

翟 鑫，杨程皓，高冉冉

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 概 述

黑山峡水利枢纽位于黄河上游水电基地的下端，在黄河治理开发保护中具有承上启下的战略地位。根据《“十四五”现代能源体系规划》[1]，黑山峡附近区域为国家重点开发的黄河“几字弯”多能互补基地，随着国家“碳达峰、碳中和”战略的深入实施，附近区域风电、光伏的开发进程将加快；但由于风电、光伏发电出力的不确定性，风光电大规模并网后西北电网弃电现象严重，迫切需要增强电网调节能力。建设黄河黑山峡水利枢纽，不仅可提供装机容量2 600 MW的可调节电源，而且通过水库的反调节作用可保障上游梯级水电站按照水风光互补基地要求的最优发电方式运行；同时可促进附近地区的抽水蓄能电站建设，进一步增强电网的调节能力，构建水风光清洁能源互补基地。以往研究仅主要针对黑山峡河段水能资源开发规模、附近地区风光资源分布等进行，本文从构建水风光互补基地的角度，分析黑山峡水利枢纽的重要作用。

2 西北电网现状及发展规划

2.1 电网现状

陕甘青宁电网为全国六大跨省电网之一，东西直线长约1 400 km，南北宽度约900 km，西安、兰州、西宁、银川等地区是电网的负荷中心和电网核心。截至2020年底，电网总装机容量180 544 MW，其中水电24 698 MW、火电81 193 MW、风电36 335 MW、太阳能38 318 MW，水电、火电、风电及太阳能所占比例分别为13.7%、45.0%、20.1%、21.2%，新能源装机容量占比已超过40%。2020年，陕甘青宁四省(区)全社会用电量4 702.2亿kW·h，其中陕、甘、青、宁用电量分别为1 546.3、1 375.7、742.0、1 038.2亿kW·h，最高用电负荷分别为28 400、17 310、10 440、13 910 MW。

陕甘青宁电网主网运行电压为750、330、220 kV，作为一个整体，多年来形成了多种能源互补运行、省际间电力电量互相备用、相互调剂的格局，在陕甘青宁四省(区)经济建设方面发挥了重要作用。西北电网还与华北(山东)、四川(德阳)、青藏联网。

陕甘青宁电网存在的主要问题是：局部地区主网架薄弱，送受电能力较差，不能满足地区电源发展需要；局部地区新能源装机规模大，电网调峰困难，影响新能源消纳，造成新能源弃电。

2.2 发展规划

根据《电力发展“十三五”规划(2016—2020年)》[2]成果，西北地区经济发展将以能源化工、装备制造、高新技术为重点，保持相对较高的速度增长。以“十三五”规划的2020年电力规划成果为基础，考虑到经济增长的实际情况，按经济增长率5%、3%左右，对2025年和2030年的负荷及电量进行预测。预测2030年陕甘青宁电网最高负荷为118 420 MW，需电量为7 468亿kW·h。考虑陕甘青宁电网区内负荷及向华北、四川、西藏联网送电要求，最大负荷为123 920 MW。

西北电网电源建设的思路是积极发展水电，加快煤电转型升级，促进清洁能源有序发展，提高风光电就近消纳能力，推进可再生能源跨省区消纳。根据“西电东送”需要，国家电力发展“十三五”规划提出，“十三五”期间西北地区重点加大电力外送和可再生能源消纳能力，适时推进陕北(神府、延安)电力外送通道建设。结合受端市场情况，积极推进新疆、呼盟、蒙西(包头、阿拉善、乌兰察布)、陇(东)彬(长)、青海等地区电力外送通道论证。

3 黄河“几字弯”清洁能源基地及开发需求

西北地区风电和太阳能等资源丰富，而且开发利用方便，截至2021年底，西北电网新能源发电装机容量达到84 730 MW，其中风电41 040 MW、太阳能发电43 690 MW。在文献[3]中明确提出要建设黄河“几字弯”清洁能源基地。黑山峡附近地区风光资源较为丰富，具有建设大规模风电、光伏电的条件，是黄河“几字弯”清洁能源基地的重要组成部分。

黑山峡附近的甘肃省白银市位居腾格里沙漠与黄土高原的过渡地带，最高海拔3 321 m，最低海拔1 276 m，地势呈西南高、东北低；宁夏中卫市地貌类型有黄河冲积平原、台地、沙漠、山地与丘陵五种类型，地势西南高、东北低。该区域日照充足，气候干旱，年日照小时数约2 200 h，年辐射总量在6 680～8 400 MJ/m2之间，属太阳能资源的Ⅰ类区；风功率在100～150 W/m2之间，属风能资源的Ⅲ类区；风能、光能资源丰富，植被条件差，大部分属荒山、荒坡、荒地，适宜建设大型风电和光电项目[4]。根据两岸的地形地貌条件，初步估算黑山峡河段沿黄两岸附近区域风光能源基地装机规模约44 500 MW。

由于风电、光伏电站的发电出力主要取决于天气和气候因素，对于该区域光伏电站，夏季(冬季)天气晴朗时一般每天早晨的6∶00—7∶00(8∶00—9∶00)开始发电，中午12∶00—13∶00达到高峰，晚上19∶00—20∶00(17∶00—18∶00)左右停止发电；遇到气候发生变化时，云层分布的变化也对其发电出力造成影响[5]。对于风电，主要受到风力变化的影响，且发电出力随风力变化，具有随机性、波动性、间歇性和不可控性，且当风速小于3 m/s或大于25 m/s时风电机组停机不能发电。

由于风电、光伏发电出力过程具有不确定性，不能适应电力系统负荷需求，若没有相应的配套措施，其大规模上网将影响电力系统的稳定、安全运行。受电网安全运行的制约，目前风电、光伏电站不同程度存在弃风、弃光现象，造成大量的清洁能源浪费。

为此，文献[1]提出要提高电力系统互补互济和智能调节能力，加强源网荷储衔接，提升清洁能源消纳和存储能力。

4 黄河上游梯级电站运行存在的问题

黄河龙羊峡～青铜峡河段(以下简称龙～青段)为全国十二大水电基地，在保障西北电网供电安全、促进区域新能源消纳方面具有重要地位。该河段规划水利水电枢纽24座，总装机容量17 428 MW，多年平均发电量607.2亿kW·h，其中21座分布在黑山峡河段以上，其电站总装机容量和多年平均发电量分别占24座总量的85.9%和83.9%。

目前龙～青段已建、在建水利水电枢纽20座，有18座位于黑山峡河段以上，其电站总装机容量和多年平均发电量分别为14 530 MW和490.6亿kW·h，分别占20座总量的97%和96.1%[6]。该河段梯级电站可以为西北电网和西电东送提供大量的优质电能，电网需要这些水电枢纽按发电最优的方式运行：即水库能够尽量维持较高水位，提高发电水头，增加梯级发电量；梯级水库联合调节，拦蓄丰水期水量，增加枯水期发电流量，提高梯级电站保证出力；各月、日之间的发电量尽量保持均匀，以便于电网的调度安排，充分发挥电站的电力、电量和调峰容量作用，得到最大的发电效益。

目前龙羊峡、刘家峡等水电站的发电出力年内变化较大，在宁蒙地区工农业用水高峰期发电出力大，有些月份电站下泄流量大于电站最大发电流量而产生强迫弃水；在宁蒙河段防凌运用期间发电出力严重下降，现状运用方式时梯级保证出力约为3 900 MW。

若龙羊峡、刘家峡水库按调水调沙要求在汛期大流量下泄时，不仅梯级水库蓄水困难，水库运行水位长期偏低，而且梯级电站将产生发电弃水现象，严重影响梯级发电量；同时凌汛期出力将更小，更增加了梯级出力的不均匀性；估算保证出力将下降至2 610 MW左右，将严重影响梯级电站发电容量效益，增加了电网的调峰困难。

5 黑山峡水利枢纽的作用

黑山峡水利枢纽工程是黄河水沙调控体系的七大骨干工程之一，开发任务为调节水沙、防凌(洪)、南水北调西线工程水量调节与供水、发电及改善生态等综合利用。水库正常蓄水位1 380 m，死水位1 330 m，汛期限制水位1 365 m；正常蓄水位以下原始库容114.8亿m3，淤积50 a长期调节库容67.4亿m3。工程的功能和作用：调节水沙，增强全河的水沙调控能力；防凌防洪，增强宁蒙河段防洪保安能力；有效调配西线来水，保障附近区域城乡和能源基地新增用水需求；开发水电，促进多能互补清洁能源基地建设；保障附近区域生态环境用水，改善区域生态环境[7]。黑山峡水利枢纽工程在促进多能互补清洁能源基地开发的作用主要体现在以下方面：

5.1 促进“几字弯”清洁能源基地建设

大力开发黄河“几字弯”清洁能源基地的风电、光伏等新能源，是合理调整电源结构的需要，是我国能源发展战略的重要组成部分。新能源发电具有随机性、波动性和间歇性的特点，若电力系统调节能力不能适应新能源发电变化的需要，新能源投入运用将给电网安全运行带来很大的冲击，在该情况下预计未来新能源弃风、弃光的现象将会大面积出现。水电站具有启停灵活、响应负荷变化速度快的特点，由水电站承担电力系统调峰任务，不仅可改善火电机组的运行条件，减少火电机组的调峰幅度，降低发电煤耗，从而使水、火电机组得到优化配置，大量节省电力系统的运行费用，而且可以根据电力系统负荷要求对新能源发电出力过程进行补偿，有利于新能源电站的开发和有效利用。

按照黑山峡水利枢纽工程开发方案，电站装机容量约为2 600 MW[7]，其本身可向系统提供2 600 MW调峰容量，可增加约2 800 MW新能源装机；再考虑增加上游其他梯级水电站的保证出力和调峰能力的作用，利用黑山峡水库及周边地形建设抽水蓄能电站，将更有利于促进西北地区“几字弯”新能源基地的扩大发展。根据有关初步规划，黑山峡河段附近地区规划水风光储多能互补基地总装机容量约为61 900 MW，其中风光总装机容量约为44 500 MW，抽水蓄能电站装机容量约为14 800 MW[7]。

5.2 支撑“西电东送”战略实施

目前规划的西北电网西电东送工程主要是水火电打捆外送，水电火电配比1∶1。未来西电东送的主要电源将主要依靠水风光储清洁能源基地。根据文献[8]，规划2030年建设风光基地总装机容量约为455 GW，其中“十四五”和“十五五”规划建设风光基地总装机容量分别约为200、255 GW，外送分别为150、165 GW。根据特高压直流外送研究，外送通道的新能源电量占比要达到50%以上。

黑山峡水电站工程位于甘肃、宁夏的交界处，其工程建成后，可与西北电网的其他大型水电站配合，形成“西电东送”的骨干电源，在开发河段自身水能资源、提供保证出力和发电量的基础上，还可增加上游其他水电梯级的保证出力和发电量；有利于充分发挥上游水电基地在水风光储多能互补清洁能源基地的作用，有利于保障西电东送的电力供应；且结合黑山峡电站的送出工程，可形成“西电东送”骨干网络，对实现“西电东送”非常有利。

5.3 保障西北电网安全运行

从西北电网电力长远发展要求分析，为了满足电网的电力、电量和调峰容量需要，充分发挥火电的优势，配合风电安全稳定运行，保障电网的供电安全，需要上游水电站担任调峰任务。开发建设黑山峡水库，按照流域综合规划赋予的宁蒙河段防凌、调节水沙、工农业供水功能定位运用，可使黑山峡河段以上梯级电站的发电制约条件得到释放，可增加上游梯级电站的保证出力和发电量(初步估算南水北调生效以前黑山峡可增加上游梯级电站保证出力1 296 MW，增加发电量14.3亿kW·h)；同时黑山峡河段水能资源得到开发，可为西北电网提供2 600 MW的装机容量和72.26亿kW·h的电量。黑山峡河段的开发，将大幅度增加上游水电基地的调峰能力，在解决西北电网调峰矛盾、保障电网安全稳定经济运行方面具有极为重要的作用。

5.4 减少碳排放对大气污染的作用

文献[3]提出，落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，制定2030年前碳排放达峰行动方案；锚定努力争取2060年前实现碳中和，采取更加有力的政策和措施。实现“双碳”目标，要加快推动清洁能源大规模开发和电能广泛使用，全方位减少煤、油、气消费，实现能源生产清洁主导、能源消费电能主导的“双主导”以及能源电力发展与碳脱钩、经济社会发展与碳排放脱钩的“双脱钩”新格局。根据《中国2060年前碳中和研究报告》[9]数据，碳中和实现路径要求减排二氧化碳109亿t，其中能源活动需减排87亿t，占总减排量的80%；能源活动中电力生产需减排38亿t，占能源生产减排量的44%。

水力发电作为一种可再生的清洁能源，与火电相比，在生产过程中不耗费煤炭等一次能源。用水电替代火电，可有效降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘等大气污染物排放量，促进空气质量好转。黑山峡工程水电装机容量可达2 600 MW，多年平均发电量72.26亿kW·h。每年可减少煤炭消费223万t，折合原煤312万t，减少二氧化碳排放量545万t，减少二氧化硫排放量1.64万t，减少氮氧化物排放量1.64万t，减少烟尘排放量0.30万t。考虑工程建成后带动风电、光伏等新能源发电增加，则大气污染防治效果将更为显著。

6 结 语

(1)西北电网目前虽然水电比重较大，但受到综合利用要求的制约，电网调节能力不足，新能源弃电问题突出，亟需进一步加强调节能力强的电源建设。

(2)黑山峡工程附近地区是国家规划的几字弯多能互补清洁能源基地，随着双碳战略的实施和新能源开发进程加快，对电网调节能力的要求越来越高。

(3)建设黑山峡工程，在满足宁蒙河段防凌(包括防洪)、减淤、生态建设、工农业供水等综合利用要求的前提下，可充分发挥上游梯级电站发电效益，并且开发黑山峡河段水电资源，可支撑水风光互补新能源基地建设，在促进新能源的开发利用、支撑“西电东送”战略实施、保障西北电网安全运行、减少大气污染等方面也具有十分重要的作用。