抽水蓄能电站与风电配合运行研究报告(简本).pdf
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1、抽水蓄能电站与风电配合运行研究报告(简要本)水电水利规划设计总院目录1.概述.11.1 研:究目的.11.2 研究思路.11.3 主要研究成果.32.风能资源与风电特性.72.1我国风能资源.72.2我国大型风电基地.92.3风电出力过程.112.4风电上网容量率与并网弃风率.152.5低谷风电上网容量与调峰弃风率.152.6风电保证出力与有效容量.162.7 经济弃风率.172.8 风电出力变率问题.193.风电消纳能力及其消纳方向.223.1欧美等国风电消纳调研.223.2 蒙西等风电场的风电消纳调研.243.3 风电消纳限制因素分析.243.4 风电消纳能力分析初步成果.253.5 八大
2、风电基地消纳方向初步分析.324.风电送端抽水蓄能与风电配合运行理论研究.354.1风电对送端输电平台的影响及可能的对策.354.2风电集中上网与分散上网.374.3 纯风电送出可行性研究.384.4 风电与抽水蓄能协同送出研究.384.5 风电与煤电协同送出研究.394.6 风电与抽水蓄能、煤电协同送出研究.465.风电受端抽水蓄能与风电配合运行理论研究.475.1风电接入电力系统存在问题及可能的对策.475.2 合理配置抽水蓄能.475.3 电力系统其它协同发展措施.506.我国抽水蓄能电站建设条件.536.1东北电网.536.2华北电网.536.3华东电网.546.4华中电网.556.5
3、西北电网.567.抽水蓄能与风电配合运行初步规划.577.1风电送端抽水蓄能配合运行初步规划.587.2风电受端抽水蓄能配合运行初步规划.657.3与风电开发时序相应的系统协同发展方案初步分析.878.我国抽水蓄能初步规划研究.888.1我国抽水蓄能初步规划.888.2配套抽水蓄能的安全、节能作用.928.3配套抽水蓄能的经济作用.969.抽水蓄能电价政策研究.10110.结论及建议.10210.1 风电出力特性研究主要结论.10210.2风电消纳能力研究主要结论.10310.3风电送端抽水蓄能配合运行研究主要结论.10410.4风电受端抽水蓄能配合运行研究主要结论.10710.5我国抽水蓄能
4、初步规划成果.10810.6配套抽水蓄能的安全、节能、经济作用.10910.7抽水蓄能电价政策研究.11010.8 建议.111附图.112附表:我国2020年新增抽水蓄能站点分析.1191.概述1.1 研究目的随着气候变暖不断严重,世界各国的工业和能源发展面临着严重考验,迫切 需要减少温室气体排放量。我国作为一个人口大国和发展中国家,能源消费总量 大。为了承担与经济发展相适应的社会责任,我国提出了自己的减排目标,一是 到2020年非化石能源在能源消费中的比重达到15%,二是2020年的单位GDP二氧化 碳排放量比2005年减少40%45%。为此我国加大了发展可再生能源的力度,特别 是在风电和
5、太阳能发电方面,近几年发展速度较快。风力发电受自然气候影响较 大,发电稳定性差。大规模的风电接入电力系统后,会对电力系统的稳定、安全、经济运行产生较大的影响。因此,必须要采取相应的措施,合理消纳风电,使电 力系统安全、稳定、经济运行。中国水电工程顾问集团公司一直致力于我国水电、抽水蓄能电站、风电的发 展规划研究,在2009年度集团公司科技项目内设立了本科研项目一抽水蓄能电 站与风电配合运行研究。本项目将通过国内外调研,分析国外风电发展较快的国 家保证电网优质高效运行的方式,结合国内的实际情况,研究风电特性以及合理 消纳风电需要采取的措施,通过进行2020年我国能源结构调整后的电力系统协同 发展
6、规划研究,重点研究提出抽水蓄能与风电配合运行的合理配置规模、布局及 其运行方式,并进行初步的经济分析。研究成果可为政府部门决策提供参考材料。1.2 研究思路1.2.1 研究范围本次研究范围涉及东北、西北、华北风能资源比较丰富的“三北”地区,以 及华中和华东能源资源相对比较缺乏的地区,这些地区将来也是部分接受“三北”风能资源的地区。故本次研究范围涉及到我国20多个省(自治区、直辖市)(以 下简称各省),涉及西北电网、华北电网、东北电网、华东电网和华中电网,研究 范围几乎覆盖了国家电网经营的除四川省、西藏自治区之外的所有供电区域。本次研究涉及的我国八大千万千瓦级风电基地,分别为甘肃酒泉、新疆哈密、
7、蒙西、蒙东、河北、吉林、江苏沿海以及山东沿海。除江苏、山东沿海风电基地 处于经济较发达地区外,其他六大风电基地所处地区经济均相对欠发达,开发的 风能资源在当地难以消纳,需外送到华中、华东等经济较发达但能源资源缺乏的 地区。1.2.2 研究内容主要研究内容包括以下几个方面:(1)风电出力过程研究。主要分析各风电基地典型代表年的lOmin年内出力 过程,选取的代表年基本能够反映该风电基地多年平均情况。(2)风电的特性分析。主要分析研究风电年际、年内、周、日、瞬时特性变 化规律。包括同时率、最大、最小出力、保证出力、平均出力等。找出风电上网 容量、电网调峰要求与风电弃风率之间的关系。(3)风电上网对
8、电力系统的影响及相应的消纳方法。提出我国各省区对风电 的消纳能力。(4)分析研究各风电基地消纳方式及输电平台可能搭建方案。提出各风电基 地输电平台建设方案,其中提出抽水蓄能配合运行方案。(5)分析研究受端消纳风电电力系统可能的协同发展方案。提出我国各省区 抽水蓄能配合运行方案。(6)分析研究抽水蓄能在我国新能源结构格局中的安全、节能、经济作用。1.2.3研究方法与技术线路第一步,开展风电规划理论专题研究,其中:(1)从风力发电的基本原理、风的自然特性入手,分析各风电场的地理等差 异及风电基地中各测风塔资料的代表性,研究计算基地各风电场的实际出力过程,再对各风电场的实际出力过程进行叠加。(2)根
9、据风电基地的出力过程,再结合电力系统负荷侧、各类电源侧、电网 特性,分析风电出力特性。(3)对风电送端,从对风电对特高压直流输电平台可能产生的影响分析入手,以1OOOOMW规模的风电场为例,分析研究输电平台可能搭建方案。如单独送风电,风电与蓄能电站配合外送,与当地电网联系问题,风电、火电、蓄能电站进行一 2定比例配置外送等,配套蓄能电站的调节性能问题。(4)对受端电网,从对风电接入电力系统可能存在的问题入手,提出可能的 对策措施,分析抽水蓄能的规模需求及布局要求。第二步,开展具体的风电送端、受端抽水蓄能与风电的配合运行研究,其中:(1)对风电送端,分析当地能源资源条件,如煤电基地建设条件、常规
10、水电 建设条件、抽水蓄能站点资源条件等,分析研究各风电基地输电平台可能搭建方 案,以及抽水蓄能电站的具体配合运行方式。(2)对受端电网,分析电力系统电力需求特性,分析风电开发电力系统其它 协同发展措施,如常规水电扩机等;分析抽水蓄能可能最大有效装机容量和前期 工作可能达成的2020年水平的抽水蓄能电站装机容量;分析电力市场空间及其对 风电的消纳能力;再根据全国统筹风电消纳方案,分析研究提出抽水蓄能的规模 需求及布局要求。第三步,根据电力市场研究成果,研究全国风电的统筹消纳方案,其中:(1)分析全国各省区的能源资源条件,根据电力市场研究成果,分析研究我 国能源的可持续合理流向。(2)研究全国统筹
11、的风电消纳方案,其中进行技术经济比较。第四步,研究全国抽水蓄能初步发展规划方案,其中:(1)根据研究的全国风电统筹消纳方案,分析研究我国各省区抽水蓄能配合 运行方案。(2)用电源扩展优化理论,分析研究抽水蓄能在我国新能源结构格局中的安 全、节能、经济作用。各步研究内容相互关联,反复迭代,寻求适合我国国情的2020年与风电开发 要求相适应的抽水蓄能初步发展规划基础。1.3主要研究成果1.3.1 理论研究成果(1)风电出力过程计算研究成果:首先是在同一时间具备相似气象特性的风 区可作为一个风电场进行出力过程计算;风电场实际出力将根据理论出力和各风 3速段的发电特性进行修正而得;我国各风电基地幅员辽
12、阔,其中各风电场之间的 气象特性有一定差异,根据搭建输电平台的风电场打捆情况,各风电基地的实际 出力过程等于相关风电场同时段出力简单叠加而得。(2)我国八大风电基地出力特性:风电出力具有不完全随机性;当风电上网 容量为其装机容量的60%70%时,相应弃风率仅约9.2%2.3%;风电保证出力 很小,可为电力系统提供的有效容量接近0;风电场规模较小时瞬时出力变率较大;各小风电场之间具有一定的互补性,集中上网可缓解风电出力的急剧变化,并可 提高风电容量、电量的利用。(3)风电送端抽水蓄能与风电的配合运行:在尽可能有较大的风电容量打捆 接入输电平台集中送出、与当地电网建立联系、因地制宜配套打捆一定容量
13、的煤 电等协同发展措施之外,在技术上和经济上分析证明需配套一定比例的抽水蓄能 电站,根据不同风电基地的具体情况,抽水蓄能配套合理比例为10%35%,抽水 蓄能经济连续满发小时数约6h0(4)风电受端抽水蓄能与风电的配合运行:小规模风电分散上网对电网影响 不大,大规模风电打捆上网主要是增加了电网的调峰负担,消纳风电、节省电力 系统化石能源消耗最经济有效的方法是多能互补,主要是配套抽水蓄能,内涵主 要包括五个方面合理配置抽水蓄能、利用好常规水电、合理控制煤电气电的调峰 幅度、合理弃风、优化电网结构。对于能源输出地区的受端电网,可以不增加配置抽水蓄能电站来确定其对风 电的消纳能力;对于缺能地区的受端
14、,可根据最大可能抽水蓄能装机来分析消纳 风电的能力,再据实际消纳风电规模,合理确定抽水蓄能需求和布局。(5)风电消纳能力研究主要结论:风电消纳的限制因素主要是电力市场空间、配套调峰电源建设条件、火电机组调峰技术经济特性、电网配套技术经济性及我 国能源合理流向。通过多能互补、合理弃风等措施,电力系统内风电的装机容量 可以超过20%,甚至可以达到50%,电量比例可以达到20%。(6)本次电价政策研究主要着眼于现状电价体制下的初步合理化建议,以成 本+税金+合理利润测算的个别成本电价为主导。建议从与远景完善电力市场相结 合,进行近期、远景的风电、抽水蓄能电价政策研究。41.3.2具体研究成果(1)2
15、020年我国可消纳风电2.0亿kW,并基本满足非化石能源占15%。我国风电开发潜力巨大,2020年水平,目前规划八大风电基地装机容量1.5 亿kW,各省区初步规划分散开发规模0.83亿kW,共2.3亿kW。在电力系统协同 发展(主要措施是发展抽水蓄能)的前提下,我国可消纳风电装机容量2.0亿kW,其中八大风电基地装机容量1.5亿kW,各省区可消纳分散开发风电装机容量约0.5 亿kWo开发消纳风电2.0亿kW后,我国能基本满足2020年非化石能源占15%的 要求。我国不同风电开发消纳规模节能减排作用分析见表l-lo我国不同风电开发消纳方案方案节能减排作用分析表表1-1风电开发消纳装机容量需求(亿
16、kW)燃料消 耗差(亿t)燃料费 差(亿元)电费差(亿元)占一次能源比重抽水蓄 能煤电公电风电非化石能 源风电0.5亿kW0.610.()00.680.70%12.74%风电1.5亿kW0.9510.1500.312.17%14.41%风电2.0亿kW1.110.000002.87%15.11%说明:常规水电的开发规模对能源结构分析成果影响很大,能源消费总量的取值也有一 定影响,但基本不影响报告所分析方案相互之间的比较关系。本报告暂考虑能源消费总量46 亿吨标煤,水电发电量12045亿kWh(相当于装机3.3亿kW利用3650h,若考虑3.3亿kW利 用3900h,则风电1.5亿kW方案接近1
17、5%要求)。(2)2020年我国抽水蓄能1.1亿kW方案安全、经济、节能减排效果好。2020年我国消纳风电装机容量约2.0亿kW,电力系统协同发展的重要措施之 一是合理配置抽水蓄能电站,推荐2020年全国消纳2.0亿kW风电方案对应配置 抽水蓄能规模1.1亿kWo见表1-2,对不同的电源扩展方案(增配抽水蓄能方案、增配燃气轮机方案、增配煤电并加大煤电调峰幅度和增配煤电并增加风电低谷弃 风方案)进行分析,其中增加配套抽水蓄能方案节能减排效果最好,与其它三个 方案相比,增加配置部分抽水蓄能电站的节煤效益分别为0.2 9亿t、0.2 7亿t和 0.16 亿 t。若2020年全国风电开发总规模为1.2
18、亿kW或1.5亿kW,全国抽水蓄能需求 总规模约0.8亿kW-0.95亿kWo5表1-22020年我国不同电源扩展方案节能减排作用分析表风电开发及系统协同发展方案装机容量需求(亿kW)燃料消 耗差(亿t)燃料费 差(亿元)电费差(亿元)占一次能源比重抽水蓄 能煤电气电风电非化石能 源风电2.0亿kW:配抽水蓄能1.110.000002.87%15.11%配气电(气价2.0元/m3)0.67.82.80.2 9195020302.79%14.96%配煤电(煤电深度调峰)0.610.500.2 72473122.78%14.93%配煤电(风电调峰弃风)0.610.500.161481632.43%
19、14.60%(3)全国风电经济上网容量率约65%,弃风率约8%。2020年我国消纳风电装机容量约2.0亿kW,研究结果,电力系统协同发展的 其它措施有:常规水电扩大装机容量约3000MW以上;煤电综合调峰幅度风电送端 约50%,受端电网约40%;全国风电经济上网容量率约65%(远距离输送部分约55%65%,当地消纳部分约60%80%),平均弃风率约8%(若考虑部分分散上网则可达 10%或以上)。据初步分析,2015年由于抽水蓄能等调峰措施欠缺,全国按1亿kW风电消纳 后的弃风率比2020年正常水平增加约23%。(4)建议抓紧抽水蓄能电站的建设由于我国抽水蓄能建设没有跟上合理需求,导致2020年
20、需新增抽水蓄能规模 很大,约0.71.1亿kW,要快马加鞭才行,要早做科学决策,在优化风电消纳方 案的同时,抓紧抽水蓄能选点规划及其审查、落实工作;建议研究落实抽水蓄能 电价;建议改革抽水蓄能投资体制,按当前体制,抽水蓄能定满足不了需求,2020 年消纳1.5亿kW2.0亿kW风电将落空,迫切需要投资多元化,先按规划抓紧建 设,发展是硬道理。(5)建议后续开展我国抽水蓄能发展规划等研究建议抓紧开展我国抽水蓄能发展规划研究,抽水蓄能及水电扩机工程电价政 策研究,各风电基地尤其是甘肃酒泉基地的输电平台建设研究,西北电网调峰电 源规划研究等。62.风能资源与风电特性2.1我国风能资源我国陆上高度50
21、nl区3级(年平均风功率密度大于300W/ni2)以上风能资源可开 发量约2 3.8亿kW,近海水深52 5nl高度50m区3级以上风能资源可开发量约2亿kW,我国风能资源分布见图2-1。根据大型风电基地规划和各省初步规划情况,2020年、2030年我国风电可能开发装机容量分别约达2.3亿kW、3.7亿1。经课题初步研究 后调整的2020年、2030年我国风电开发装机容量分别约达2.0亿kW、3.0亿kW。我国各省风电初步开发规划情况见表2-1。我国各省风电初步开发规划表表2-1 单位:MW省份2010 年2020 年2030 年(不含八大风电基地)初步规划研究后调整初步规划研究后调整北京市6
22、0110110110110天津市10230230230230山西省320120004000160007000辽宁省7001000070001500010000吉林省0100000150000黑龙江省4001783080004613010000上海市1001550155059505950浙江省20004500400072005000安徽省160240240800800福建省8004100180063003300江西省120560560960960河南省130230230300300湖北省116270270540540湖南省140440440860860广东省9654170240050004000
23、广西壮族自治区8032032021102110海南省370640110012402000重庆市148150150570570四川省5020020020502050贵州省10045045022002200云南省1283780170045002700西藏自治区010101010陕西省50400400600600青海省3095()95010001000宁夏回1族自治区3702150380030004500新疆维吾尔自治区1400840096001625014550以上合计8747836804951015391081340八大风电基地6000148515150490215860218660全国合计14
24、7472321952000003697703000007图2-1我国风能资源分布图82.2我国大型风电基地我国规划开发的八大风电基地高度50m区3级以上风能资源可开发量约18.5亿kW,可装机容量约5.7亿kW。根据大型风电基地规划,我国八大风电基地的2020年、2030年可能开发装机容量分别约达1.5亿kW、2.2亿kW。我国八大千万千瓦级风电基地主要技术经济指标 表见表2-2。我国八大风电基地地理位置示意图见图2-2。我国八大千万千瓦级风电基地主要技术经济指标表表2-2项目单位甘肃酒泉新疆哈密蒙西蒙东河北吉林江苏沿海山东沿海合计2020年:装机容量MW2395011000383002081
25、016430150001000015000150490年发电量亿kWh539.602 62.8957.88476.55362.3332 6.2 52 2 9.6345.923500.93装机年利用小时数h225323892501229023182175229623062339单位千瓦投资元/kW90009125800080009650850015950165009848单位电度投资元/kWh3.993.823.2 003.4934.163.916.957.154.2 12030年:装机容量MW3998021800500002731018430272902100027500218660年发电量亿
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