西北地区发展抽水蓄能的意义与面临的主要问题
2015/3/18 14:19:28 新闻来源：作者：冯黎 王社亮 来自：中国能源报
西北地区发展抽水蓄能电站的意义
《能源发展"十二五"规划》提出，2015年全国并网风电装机10000万kW，太阳能发电2100万kW。《可再生能源发展"十二五"规划》提出，到2020年累计并网风电装机达到20000万kW，并网太阳能发电达到5000万kW。截止2012年底，全国并网风电6083万kW，并网太阳能发电328万kW，距规划目标尚有一定的距离，因此规模化开发风电与光电，实现大基地开发对实现能源发展规划具有重要的意义。
1 、西北地区是我国重要的新能源基地
西北地区能源资源富集，在我国能源发展总体布局和"西电东送"战略规划中，是重要的能源外送基地。近年来，西北地区积极加快电力发展，推进电力送出通道和本区电网的建设，促进能源资源在全国实现更好的优化配置。风能和太阳能是西北地区的优势能源资源之一，适合建设大基地集中开发及外送，在我国能源和电力发展战略中具有重要地位。
西北地区是我国风能资源最丰富地区之一，特别是新疆、甘肃等省区风能资源开发潜力巨大。根据气象部门风能资源详查成果，新疆和甘肃70m高风能资源技术可开发量分别为4亿kW和2.4亿kW，仅次于内蒙古。为了有效利用西北地区的风能资源，国家从2005年开始组织完成了甘肃酒泉和新疆哈密千万千瓦基地规划工作，并在2010年的风电接入电网和市场消纳研究中就西北地区风电的市场消纳做了重点研究，进一步明确了西北各省(区)风电的可开发潜力和消纳市场。基于上述研究，国家在全国风电"十二五"发展规划中，将新疆、甘肃以及宁夏列为重点开发区域，初步规划到2015年西北地区实现风电装机2600万kW以上，其中新疆规划规模1000万kW，甘肃规划1100万kW，宁夏规划规模300万kW，青海和陕西规划规模力争达到200万kW以上。《可再生能源发展"十二五"规划》提出，到2020年，甘肃、新疆风电装机分别达到2000万kW，宁夏达到400万kW。
西北地区也是我国太阳能资源最丰富地区之一，根据全国太阳能发电"十二五"发展规划，预计到2015年西北地区实现安装规模560万kW以上，其中：青海规划200万kW，新疆规划200万kW，甘肃规划100万kW，宁夏规划100万kW，陕西规划60万kW。
为解决西北地区新能源的市场消纳问题，国家规划建设新疆哈密至河南郑州、哈密至重庆、甘肃酒泉至湖南株洲、宁东-浙江±800kV直流输电通道以及新疆至陕甘青宁电网750kV第二通道。
2 、风电与光电并网存在的主要问题
目前西北电网新能源接纳存在的主要问题有：
(1)西北电网负荷水平相对较低，对风电、光电等新能源的接纳空间有限。西北地区风能资源、太阳能资源富集区均远离主电网负荷中心，大多位于电网末端，当地消纳能力十分有限。
(2)电网调峰能力不足。陕西、宁夏、新疆主电网等都是以火电为主的电力系统，加上热电机组比较多、常规水电受综合利用制约，调峰能力成为制约电网接纳风电、光电能力的重要因素。
(3)配套的电网送出工程、调峰电源建设滞后。大规模风电、光电等新能源仅仅依托西北电网以750kV为主的主网架和网内调峰电源无法完全消纳，需和其它具有调峰调频能力电源共同组建输电平台，依托特高压输电线路外送至区外消纳。风电、光电工程建设周期短，相应配套的电网送出工程和调峰电源建设周期均较长，两者的建设管理模式亦不同，协调难度较大，制约了风电、光电等新能源的大规模开发。
(4)风、光功率预测系统，电能质量在线监测等新能源接入电网相关技术仍需进一步完善;动态无功补偿装置、功率控制系统等装备水平有待进一步提高。
上述问题涉及输送通道建设、负荷水平、调峰能力、运行调度及管理体制等多方面。对于输送通道不足的问题，需加强规划协调，加快电网和配套电源建设;对于负荷水平低，电力市场空间不足的问题，需考虑将一部分新能源外送消纳;对于电网调峰能力和快速反应能力不足的问题，在充分发挥黄河上游常规水电调峰能力的基础上，还需配置一定规模的抽水蓄能电站。
3 、抽水蓄能电站对促进风电与光电消纳具有重要的作用
(1)抽水蓄能电站可以增强电网调峰能力，并相应提高电网接纳风电、光电的能力。抽水蓄能电站调峰能力强，反应速度快，运行方式灵活，可显著提高电网调峰和快速反应能力，相应提高电网对风电、光电的接纳能力。
(2)抽水蓄能电站是当前最具规模化和最经济的"储能"方式。利用这种独特的"储能"功能，可以平滑风电、光电的出力过程，减轻对电网安全稳定运行的影响。
(3)抽水蓄能电站是构建"多能互补"平台的关键组成部分。抽水蓄能、风电、光电、水电、火电等多种电源合理组合形成"多能互补"平台，能够取长补短，发挥各类电源的优势，能对出力过程进行控制、调节和优化。抽水蓄能电站具有发电和抽水，即增、减出力的双重功能，因此，是调节、优化出力过程的关键和有效措施。
(4)抽水蓄能与风电、光电具有较好的容量和电量互补特性。风电、光电主要为电网提供电量，而抽水蓄能电站则以容量作用为主，因此，抽水蓄能是风电、光电合适的配套互补电源。抽水蓄能与风电、光电协同发展，配合运行，对促进风电、光电规模化持续发展具有重要作用和长远意义。
西北地区风电、光电的快速发展对建设抽水蓄能电站提出了迫切要求。在风电大规模并网之前，西北电网依靠常规水电和火电调峰就能满足电网调峰需要，未规划建设抽水蓄能电站。但随着风电、光电并网规模不断加大，加之常规水电资源大部分已得到开发，后劲不足，仅靠常规水电和火电调峰已难以满足风电、光电快速发展对调峰的要求。目前，甘肃、新疆等地已经出现因为电网调峰能力不足而制约风电消纳的情况，今后更大规模的风电、光电并网对电网调峰能力的要求将更高，因此，在这些地区建设抽水蓄能电站已变得十分必要。
在远离负荷中心的大型风电、光电基地附近，配套建设一定规模的抽水蓄能电站和其他电源，构建"多能互补"平台和坚强送端电网，可显著提高长距离外送电力的稳定性和经济性。甘肃酒泉、新疆哈密千万千瓦风电基地和青海柴达木千万千瓦光电基地，都具有大规模开发的优良资源条件，但远离负荷中心，并且也难以全部在本区电网内消纳，所以需要长距离输送到其他区域消纳。在这些基地附近配套建设一定规模的抽水蓄能电站，构建"多能互补"平台，对促进大型风电、光电基地开发和电力外送，实现可再生能源在更大区域范围的优化配置，具有重要作用和深远影响。
西北地区
发展抽水蓄能电站面临的主要问题
1、前期工作推进难度大
近年来根据国家发改委、能源局的安排，水电水利规划设计总院、国网新源公司委托西北院相继完成了新疆、甘肃、陕西、宁夏等省区的抽水蓄能电站选点规划，规划结果表明，西北地区具有一定的抽水蓄能站点资源，但是前期工作推进困难。长期以来，西北地区的经济结构中重工业比重较大，日负荷率保持在0.8左右，电力供给中电量需求矛盾为主，而与之相交，电源结构中，水电比重保持在30%左右，且调节性能较好，电网调峰矛盾不突出，因此难以接受抽水蓄能电站对电量的消耗，前期工作推进慢，配合千万千瓦级新能源基地外送的抽蓄前期工作远滞后于输电通道的工作进程。
2 、工程投资相对较高
西北地区由于其独特的地理位置、地形地质条件与气候条件，西北地区的抽水蓄能电站有自己独有的特点。
西北大部分地区海拔高，新疆、青海、甘肃抽水蓄能电站基本位于海拔2000-3500m高程。陕西以外，西北其他地区极端最低气温在-30℃以下，甚至达到-40℃。降雨量小、蒸发量大，陕西以外省区年降雨量在150-300mm，蒸发量在2000mm以上。河流含沙量高。
因此，保证过机含沙量不超标、保证电站发电用水及冰冻期电站安全运行是西北地区抽水蓄能电站设计中需要解决的重要问题。此外，适应风电与光伏发电随机性、间歇性、波动性的调频、调峰要求，机组运行工况转换频次增加，对机组性能也会有更高的要求。
目前，防止冰冻和处理冰的问题尚在研究中。为保证发电用水，设计中考虑了水损备用库容。保证过机含沙量满足要求的主要措施是建拦沙坝，即，在水源库上游再修建一座坝和泄洪排沙洞，通过泄洪排沙洞将高含沙量(超过过机含沙量要求)水流排至水库下游，并能保证给水库补充清水。
与我国南方的抽水蓄能电站相比，西北地区抽水蓄能电站受水源条件、地形地质条件的制约，其上、下水库成库自然条件较差，备用库容也要大一些，坝体普遍较高;为满足过机含沙量要求，抽水蓄能电站普遍在库尾布置了拦沙坝。因此，西北地区抽水蓄能电站建设投资相对较大，根据目前进行前期工作的项目分析，西北地区抽水蓄能电站单位千瓦投资较好的站点在4800元左右，一般在5000元左右。
3 、配合大基地外送抽水蓄能电站的运行方式及评价方法有待进一步研究
服务于电网内的抽水蓄能电站主要承担电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用及保安等作用，其大多数运行方式为在负荷高峰时发电、低谷时抽水，虽然其动态效益难以量化，但其在电网中由于调峰填谷产生的静态经济效益可通过电源扩展优化量化计算。
配合大基地外送的抽水蓄能电站其主要运行方式为在风电、光电出力大系统无法消纳时抽水储能，风电、光电出力变化较大时或系统负荷高峰时发电，提高可再生能源利用率、平抑风、光电出力波动对电网安全稳定影响，其主要静态效益包括容量效益、提高可再生能源电量利用率、提高输电线路经济性等，与网内配套抽水蓄能电站的运行方式和评价方法不同，如何量化计算配合大基地外送抽水蓄能电站的效益有待进一步研究，以合理评价其经济性。
促进西北地区
抽水蓄能电站发展的措施建议
1、做好选点规划工作，重新认识抽水蓄能电站。目前，西北五省(区)中陕西、甘肃、新疆、宁夏抽水蓄能电站选点规划已完成，青海抽水蓄能电站选点规划已开展，随着经济社会的不断发展以及电网结构和新能源发展的变化，应适时开展动态的选点规划以适应新的要求。西北地区因黄河上游水电较强的调峰能力，还没有建成的抽水蓄能电站，对抽水蓄能电站在电力系统尤其是配合新能源运行等方面的作用和意义有待重新认识，需在做好必要性论证的基础上加大抽水蓄能电站的宣传力度，认识和接受抽水蓄能电站。
2、加快开展前期工作，优化工程设计。西北地区仅陕西镇安、新疆阜康、甘肃肃南正式开展了前期勘察设计工作，新疆哈密、甘肃玉门、宁夏中宁、青海格尔木等配合风电、光电运行的抽水蓄能电站均未正式开展前期工作，这些区域风电、光电规模大，发展速度快，而抽水蓄能电站建设周期较长，为保障新能源消纳，需加快开展西北地区抽水蓄能电站前期工作。同时，为合理降低抽水蓄能电站投资，保障项目的经济合理性，在设计中应加强方案比较论证，优化工程设计。
3、加强系统理论研究，尤其要加强抽水蓄能电站促进新能源发展的作用和效益研究。电价机制的不完善也是影响抽水蓄能电站建设的重要原因，应尽快开展价格机制研究，理顺价格体制。
4、加强建设管理和运行管理，建立完善的建设运行管理机制。
(作者分别为中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司副总工程师、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司规划发展研究院副院长)
《能源发展"十二五"规划》提出，2015年全国并网风电装机10000万kW，太阳能发电2100万kW。《可再生能源发展"十二五"规划》提出，到2020年累计并网风电装机达到20000万kW，并网太阳能发电达到5000万kW。截止2012年底，全国并网风电6083万kW，并网太阳能发电328万kW，距规划目标尚有一定的距离，因此规模化开发风电与光电，实现大基地开发对实现能源发展规划具有重要的意义。
1 、西北地区是我国重要的新能源基地
西北地区能源资源富集，在我国能源发展总体布局和"西电东送"战略规划中，是重要的能源外送基地。近年来，西北地区积极加快电力发展，推进电力送出通道和本区电网的建设，促进能源资源在全国实现更好的优化配置。风能和太阳能是西北地区的优势能源资源之一，适合建设大基地集中开发及外送，在我国能源和电力发展战略中具有重要地位。
西北地区是我国风能资源最丰富地区之一，特别是新疆、甘肃等省区风能资源开发潜力巨大。根据气象部门风能资源详查成果，新疆和甘肃70m高风能资源技术可开发量分别为4亿kW和2.4亿kW，仅次于内蒙古。为了有效利用西北地区的风能资源，国家从2005年开始组织完成了甘肃酒泉和新疆哈密千万千瓦基地规划工作，并在2010年的风电接入电网和市场消纳研究中就西北地区风电的市场消纳做了重点研究，进一步明确了西北各省(区)风电的可开发潜力和消纳市场。基于上述研究，国家在全国风电"十二五"发展规划中，将新疆、甘肃以及宁夏列为重点开发区域，初步规划到2015年西北地区实现风电装机2600万kW以上，其中新疆规划规模1000万kW，甘肃规划1100万kW，宁夏规划规模300万kW，青海和陕西规划规模力争达到200万kW以上。《可再生能源发展"十二五"规划》提出，到2020年，甘肃、新疆风电装机分别达到2000万kW，宁夏达到400万kW。
西北地区也是我国太阳能资源最丰富地区之一，根据全国太阳能发电"十二五"发展规划，预计到2015年西北地区实现安装规模560万kW以上，其中：青海规划200万kW，新疆规划200万kW，甘肃规划100万kW，宁夏规划100万kW，陕西规划60万kW。
为解决西北地区新能源的市场消纳问题，国家规划建设新疆哈密至河南郑州、哈密至重庆、甘肃酒泉至湖南株洲、宁东-浙江±800kV直流输电通道以及新疆至陕甘青宁电网750kV第二通道。
2 、风电与光电并网存在的主要问题
目前西北电网新能源接纳存在的主要问题有：
(1)西北电网负荷水平相对较低，对风电、光电等新能源的接纳空间有限。西北地区风能资源、太阳能资源富集区均远离主电网负荷中心，大多位于电网末端，当地消纳能力十分有限。
(2)电网调峰能力不足。陕西、宁夏、新疆主电网等都是以火电为主的电力系统，加上热电机组比较多、常规水电受综合利用制约，调峰能力成为制约电网接纳风电、光电能力的重要因素。
(3)配套的电网送出工程、调峰电源建设滞后。大规模风电、光电等新能源仅仅依托西北电网以750kV为主的主网架和网内调峰电源无法完全消纳，需和其它具有调峰调频能力电源共同组建输电平台，依托特高压输电线路外送至区外消纳。风电、光电工程建设周期短，相应配套的电网送出工程和调峰电源建设周期均较长，两者的建设管理模式亦不同，协调难度较大，制约了风电、光电等新能源的大规模开发。
(4)风、光功率预测系统，电能质量在线监测等新能源接入电网相关技术仍需进一步完善;动态无功补偿装置、功率控制系统等装备水平有待进一步提高。
上述问题涉及输送通道建设、负荷水平、调峰能力、运行调度及管理体制等多方面。对于输送通道不足的问题，需加强规划协调，加快电网和配套电源建设;对于负荷水平低，电力市场空间不足的问题，需考虑将一部分新能源外送消纳;对于电网调峰能力和快速反应能力不足的问题，在充分发挥黄河上游常规水电调峰能力的基础上，还需配置一定规模的抽水蓄能电站。
3 、抽水蓄能电站对促进风电与光电消纳具有重要的作用
(1)抽水蓄能电站可以增强电网调峰能力，并相应提高电网接纳风电、光电的能力。抽水蓄能电站调峰能力强，反应速度快，运行方式灵活，可显著提高电网调峰和快速反应能力，相应提高电网对风电、光电的接纳能力。
(2)抽水蓄能电站是当前最具规模化和最经济的"储能"方式。利用这种独特的"储能"功能，可以平滑风电、光电的出力过程，减轻对电网安全稳定运行的影响。
(3)抽水蓄能电站是构建"多能互补"平台的关键组成部分。抽水蓄能、风电、光电、水电、火电等多种电源合理组合形成"多能互补"平台，能够取长补短，发挥各类电源的优势，能对出力过程进行控制、调节和优化。抽水蓄能电站具有发电和抽水，即增、减出力的双重功能，因此，是调节、优化出力过程的关键和有效措施。
(4)抽水蓄能与风电、光电具有较好的容量和电量互补特性。风电、光电主要为电网提供电量，而抽水蓄能电站则以容量作用为主，因此，抽水蓄能是风电、光电合适的配套互补电源。抽水蓄能与风电、光电协同发展，配合运行，对促进风电、光电规模化持续发展具有重要作用和长远意义。
西北地区风电、光电的快速发展对建设抽水蓄能电站提出了迫切要求。在风电大规模并网之前，西北电网依靠常规水电和火电调峰就能满足电网调峰需要，未规划建设抽水蓄能电站。但随着风电、光电并网规模不断加大，加之常规水电资源大部分已得到开发，后劲不足，仅靠常规水电和火电调峰已难以满足风电、光电快速发展对调峰的要求。目前，甘肃、新疆等地已经出现因为电网调峰能力不足而制约风电消纳的情况，今后更大规模的风电、光电并网对电网调峰能力的要求将更高，因此，在这些地区建设抽水蓄能电站已变得十分必要。
在远离负荷中心的大型风电、光电基地附近，配套建设一定规模的抽水蓄能电站和其他电源，构建"多能互补"平台和坚强送端电网，可显著提高长距离外送电力的稳定性和经济性。甘肃酒泉、新疆哈密千万千瓦风电基地和青海柴达木千万千瓦光电基地，都具有大规模开发的优良资源条件，但远离负荷中心，并且也难以全部在本区电网内消纳，所以需要长距离输送到其他区域消纳。在这些基地附近配套建设一定规模的抽水蓄能电站，构建"多能互补"平台，对促进大型风电、光电基地开发和电力外送，实现可再生能源在更大区域范围的优化配置，具有重要作用和深远影响。
西北地区
发展抽水蓄能电站面临的主要问题
1、前期工作推进难度大
近年来根据国家发改委、能源局的安排，水电水利规划设计总院、国网新源公司委托西北院相继完成了新疆、甘肃、陕西、宁夏等省区的抽水蓄能电站选点规划，规划结果表明，西北地区具有一定的抽水蓄能站点资源，但是前期工作推进困难。长期以来，西北地区的经济结构中重工业比重较大，日负荷率保持在0.8左右，电力供给中电量需求矛盾为主，而与之相交，电源结构中，水电比重保持在30%左右，且调节性能较好，电网调峰矛盾不突出，因此难以接受抽水蓄能电站对电量的消耗，前期工作推进慢，配合千万千瓦级新能源基地外送的抽蓄前期工作远滞后于输电通道的工作进程。
2 、工程投资相对较高
西北地区由于其独特的地理位置、地形地质条件与气候条件，西北地区的抽水蓄能电站有自己独有的特点。
西北大部分地区海拔高，新疆、青海、甘肃抽水蓄能电站基本位于海拔2000-3500m高程。陕西以外，西北其他地区极端最低气温在-30℃以下，甚至达到-40℃。降雨量小、蒸发量大，陕西以外省区年降雨量在150-300mm，蒸发量在2000mm以上。河流含沙量高。
因此，保证过机含沙量不超标、保证电站发电用水及冰冻期电站安全运行是西北地区抽水蓄能电站设计中需要解决的重要问题。此外，适应风电与光伏发电随机性、间歇性、波动性的调频、调峰要求，机组运行工况转换频次增加，对机组性能也会有更高的要求。
目前，防止冰冻和处理冰的问题尚在研究中。为保证发电用水，设计中考虑了水损备用库容。保证过机含沙量满足要求的主要措施是建拦沙坝，即，在水源库上游再修建一座坝和泄洪排沙洞，通过泄洪排沙洞将高含沙量(超过过机含沙量要求)水流排至水库下游，并能保证给水库补充清水。
与我国南方的抽水蓄能电站相比，西北地区抽水蓄能电站受水源条件、地形地质条件的制约，其上、下水库成库自然条件较差，备用库容也要大一些，坝体普遍较高;为满足过机含沙量要求，抽水蓄能电站普遍在库尾布置了拦沙坝。因此，西北地区抽水蓄能电站建设投资相对较大，根据目前进行前期工作的项目分析，西北地区抽水蓄能电站单位千瓦投资较好的站点在4800元左右，一般在5000元左右。
3 、配合大基地外送抽水蓄能电站的运行方式及评价方法有待进一步研究
服务于电网内的抽水蓄能电站主要承担电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用及保安等作用，其大多数运行方式为在负荷高峰时发电、低谷时抽水，虽然其动态效益难以量化，但其在电网中由于调峰填谷产生的静态经济效益可通过电源扩展优化量化计算。
配合大基地外送的抽水蓄能电站其主要运行方式为在风电、光电出力大系统无法消纳时抽水储能，风电、光电出力变化较大时或系统负荷高峰时发电，提高可再生能源利用率、平抑风、光电出力波动对电网安全稳定影响，其主要静态效益包括容量效益、提高可再生能源电量利用率、提高输电线路经济性等，与网内配套抽水蓄能电站的运行方式和评价方法不同，如何量化计算配合大基地外送抽水蓄能电站的效益有待进一步研究，以合理评价其经济性。
促进西北地区
抽水蓄能电站发展的措施建议
1、做好选点规划工作，重新认识抽水蓄能电站。目前，西北五省(区)中陕西、甘肃、新疆、宁夏抽水蓄能电站选点规划已完成，青海抽水蓄能电站选点规划已开展，随着经济社会的不断发展以及电网结构和新能源发展的变化，应适时开展动态的选点规划以适应新的要求。西北地区因黄河上游水电较强的调峰能力，还没有建成的抽水蓄能电站，对抽水蓄能电站在电力系统尤其是配合新能源运行等方面的作用和意义有待重新认识，需在做好必要性论证的基础上加大抽水蓄能电站的宣传力度，认识和接受抽水蓄能电站。
2、加快开展前期工作，优化工程设计。西北地区仅陕西镇安、新疆阜康、甘肃肃南正式开展了前期勘察设计工作，新疆哈密、甘肃玉门、宁夏中宁、青海格尔木等配合风电、光电运行的抽水蓄能电站均未正式开展前期工作，这些区域风电、光电规模大，发展速度快，而抽水蓄能电站建设周期较长，为保障新能源消纳，需加快开展西北地区抽水蓄能电站前期工作。同时，为合理降低抽水蓄能电站投资，保障项目的经济合理性，在设计中应加强方案比较论证，优化工程设计。
3、加强系统理论研究，尤其要加强抽水蓄能电站促进新能源发展的作用和效益研究。电价机制的不完善也是影响抽水蓄能电站建设的重要原因，应尽快开展价格机制研究，理顺价格体制。
4、加强建设管理和运行管理，建立完善的建设运行管理机制。
(作者分别为中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司副总工程师、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司规划发展研究院副院长)
