阿里電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行相關(guān)問題研究

張立鋒1，徐 潛1，何志強(qiáng)，劉曉明1，鄭 勇，范 宇，晏小彬

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

西藏電網(wǎng)長期維持西藏中部電網(wǎng)和昌都、阿里電網(wǎng)“一大二小”3個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)的供電格局。2018年年底藏中聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)現(xiàn)西藏中部電網(wǎng)與昌都電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，僅剩阿里電網(wǎng)未納入西藏統(tǒng)一電網(wǎng)。根據(jù)規(guī)劃及目前實(shí)際工作進(jìn)展，阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程最早也要在2020年年底左右才能建成投產(chǎn)。

阿里電網(wǎng)目前主要電源為獅泉河水電站以及部分燃油機(jī)組和光伏電站。其中獅泉河水電站受水庫庫容和來水情況限制，出力有限；光伏電站因電網(wǎng)調(diào)峰能力低和儲能未發(fā)揮效果，出力較低；總體上需柴油機(jī)組大量發(fā)電，發(fā)電成本極高。在阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程建成前，阿里電網(wǎng)仍為孤網(wǎng)運(yùn)行，缺電矛盾和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題均較為突出。[1]

下面研究在阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程建成前，在保障阿里電網(wǎng)可靠供電的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并保障電網(wǎng)后續(xù)可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

1 阿里地區(qū)電力系統(tǒng)概況[2-3]

1.1 能源資源概況和主要電源現(xiàn)狀

阿里地區(qū)的能源資源種類較多，其中相對較為豐富的有水能、太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮埽禾?、石油和天然氣等化石能源資源則尚無探明儲量。

阿里電網(wǎng)已建電源主要概況如下：

1)獅泉河水電站：裝機(jī)容量為6.4 MW，年均發(fā)電量約1.34×107kWh。其夏季最大出力可以達(dá)到6.4 MW，一般最大出力約為2.4 MW，最小出力1.1 MW；冬季最大出力約為2.8 MW，最小出力0.8 MW。

2)阿里光伏電站：總裝機(jī)容量10 MW，電站多年平均年發(fā)電量1.837×107kWh，配置10.64 MWh的儲能裝置。目前，阿里光伏電站儲能裝置由于故障原因基本處于停用狀態(tài)。

3)阿里柴油機(jī)組：包括阿里過渡電源、阿里渡冬電源和阿里應(yīng)急電源，合計(jì)裝機(jī)容量約28.2 MW。由于高原降效因素，阿里地區(qū)柴油機(jī)組單機(jī)最大出力僅能達(dá)到額定容量的65%左右。由于長期滿負(fù)荷運(yùn)行，加上運(yùn)行條件惡劣和維護(hù)水平較差等原因，上述柴油機(jī)組大部分已經(jīng)故障停運(yùn)，目前實(shí)際可用僅有9臺機(jī)組，夏季單臺最大出力按0.5 MW控制，合計(jì)可用出力為4.5 MW；冬季單臺最大出力約為0.8 MW，合計(jì)可用出力為7.2 MW。

4)阿里熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組：于2018年年底建成，裝機(jī)容量2×6 MW，扣除廠用電后實(shí)際最大可用出力為6 MW。

5)阿里地區(qū)地方小水電：合計(jì)容量2.35 MW，豐期平均出力可達(dá)1.5 MW，枯期平均出力可達(dá)0.7 MW。

1.2 電網(wǎng)現(xiàn)狀

阿里地區(qū)位于中國西藏自治區(qū)的西部，面積30多萬平方公里，共轄7個(gè)縣，人口不足10萬，是世界上人口密度最小的地區(qū)。阿里電網(wǎng)目前最高電壓等級為110 kV，僅覆蓋噶爾縣獅泉河鎮(zhèn)、札達(dá)縣、革吉縣及周邊部分地區(qū)。

截至2017年年底，阿里電網(wǎng)裝機(jī)容量為46.95 MW，其中水電裝機(jī)容量8.75 MW，占比18.64%；火電(含油機(jī))裝機(jī)容量28.2 MW，占比60.06%；光伏裝機(jī)容量10 MWp，占比21.3%。

2017年，阿里電網(wǎng)實(shí)際最大負(fù)荷13.6 MW，同比增長29.5%；實(shí)際用電量6.4×107kWh，同比增長18.5%。

根據(jù)規(guī)劃，到2020年阿里電網(wǎng)將納入西藏統(tǒng)一電網(wǎng)，主電網(wǎng)覆蓋范圍將擴(kuò)大到全部7個(gè)縣的主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)。由于覆蓋范圍的不斷增加導(dǎo)致阿里電網(wǎng)負(fù)荷快速增長，與西藏中部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前阿里電網(wǎng)缺電問題十分突出。

1.3 “十三五”后期電網(wǎng)規(guī)劃簡述[4]

1.3.1 負(fù)荷預(yù)測

阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程建成前，阿里電網(wǎng)將維持覆蓋噶爾縣、札達(dá)縣、日土縣和革吉縣等4縣。在現(xiàn)有負(fù)荷的基礎(chǔ)上，2019—2020年阿里電網(wǎng)新增主要負(fù)荷如下：

1)邊防用電負(fù)荷，2～4 MW；

2)熱電廠站外系統(tǒng)用電負(fù)荷，約1.5 MW；

3)日土、札達(dá)和革吉縣采暖負(fù)荷，各約2.5 MW。

按照上述新增主要點(diǎn)負(fù)荷及阿里電網(wǎng)用電負(fù)荷的自然增長，預(yù)測2019年和2020年阿里電網(wǎng)最大負(fù)荷分別為23.3 MW和30.3 MW。

1.3.2 電源規(guī)劃

2019—2020年，阿里電網(wǎng)暫無電源投產(chǎn)。

1.3.3 2019—2020年電力空間分析

根據(jù)阿里電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測和電源規(guī)劃進(jìn)行電力平衡計(jì)算得出其電力空間結(jié)果見表1和表2。從計(jì)算結(jié)果來看，2019—2020年阿里電網(wǎng)缺電問題將十分嚴(yán)重，到2020年其最大電力缺額將達(dá)到18.1 MW。

表1 2019—2020年電力平衡 單位：MW

表2 2019—2020年電量平衡 單位：108 kWh

2 阿里電網(wǎng)供電問題解決方案研究

2.1 電源建設(shè)方案

2.1.1 電源建設(shè)方案選擇

根據(jù)前述阿里電網(wǎng)電力空間分析計(jì)算結(jié)果，如果只考慮目前已建電源，2019—2020年阿里電網(wǎng)缺電問題十分嚴(yán)重，在聯(lián)網(wǎng)工程建成前需要通過自建電源加以解決。

根據(jù)阿里地區(qū)能源資源情況，阿里電網(wǎng)可能的電源建設(shè)方案有擴(kuò)建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、建設(shè)地?zé)犭娬?、建設(shè)太陽能熱電站、建設(shè)太陽能光伏電站、建設(shè)風(fēng)電站、建設(shè)水電站和擴(kuò)建柴油機(jī)組等方案。

除2025年以后方可投產(chǎn)的阿青水電站外，阿里地區(qū)暫無其他規(guī)劃水電電源，因此建設(shè)水電站方案無法解決阿里電網(wǎng)近期缺電問題。

由于阿里地區(qū)地處青藏高原，空氣密度低、風(fēng)中含沙量大，這會造成風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行難度大、發(fā)電功率不穩(wěn)定、機(jī)組軸承損壞故障等問題。因此在現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)條件下，阿里地區(qū)不宜開發(fā)風(fēng)電作為主力電源。

雖然阿里地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，但由于西藏地區(qū)地?zé)犭娬窘ㄔO(shè)周期約為18～24個(gè)月，再加上阿里地區(qū)尚無明確的地?zé)衢_發(fā)規(guī)劃，因此建設(shè)地?zé)犭娬痉桨敢矡o法滿足阿里電網(wǎng)近期缺電需要。

雖然阿里地區(qū)太陽能資源也較為豐富，但由于西藏尚無光熱電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，加之光熱電站建設(shè)周期也至少約為18～24個(gè)月，因此建設(shè)光熱電站也無法解決阿里電網(wǎng)近期缺電問題。

綜上所述，要解決阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程建成前阿里電網(wǎng)缺電問題，可供選擇的僅有擴(kuò)建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、建設(shè)太陽能光伏電站和擴(kuò)建柴油機(jī)組等方案。

2.1.2 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較

1)方案經(jīng)濟(jì)性

表3為各方案成本電價(jià)初步比較結(jié)果。由表可見，建設(shè)太陽能光伏電站方案成本電價(jià)同擴(kuò)建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和擴(kuò)建柴油機(jī)組方案相比有明顯優(yōu)勢。

表3 成本電價(jià)比較表

2)建設(shè)周期

擴(kuò)建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組建設(shè)周期為18～24個(gè)月以內(nèi)。建設(shè)太陽能光伏電站一般建設(shè)周期約為4～6個(gè)月[5]。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，阿里地區(qū)擴(kuò)建燃油機(jī)組建設(shè)周期需要6～12個(gè)月。

相比之下，建設(shè)太陽能光伏電站方案能夠最快滿足阿里電網(wǎng)缺電需要。

3)環(huán)保問題

建設(shè)太陽能光伏電站利用的是清潔能源，其建設(shè)和運(yùn)行不會帶來環(huán)保問題。擴(kuò)建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃油機(jī)組開機(jī)方案使用的分別是煤炭和燃油，其運(yùn)行和運(yùn)輸過程中均有可能會對環(huán)境造成污染。

4)建設(shè)方案靈活性和可行性

擴(kuò)建阿里熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目、擴(kuò)建燃油機(jī)組方案和建設(shè)光伏電站均可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)展需要投產(chǎn)所需機(jī)組，其建設(shè)靈活性均較高。

由于阿里地區(qū)均有建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，3個(gè)方案的技術(shù)方案和可行性也均較為明確。

2.1.3 推薦方案

根據(jù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較結(jié)果，由于建設(shè)光伏電站(配置儲能)方案經(jīng)濟(jì)性相對較優(yōu)，能夠最快滿足阿里電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)展需要，不會帶來環(huán)保問題，建設(shè)方案靈活度較高，方案可行性不存在制約因素，因此推薦作為阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前阿里電網(wǎng)缺電問題方案。

2.2 電源建設(shè)規(guī)模

2.2.1 電源建設(shè)規(guī)模

若推薦建設(shè)光伏電站解決阿里電網(wǎng)近期缺電問題，則光伏電站建設(shè)規(guī)模應(yīng)按滿足最大日電量缺額考慮。

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果及阿里電網(wǎng)夏季和冬季典型日負(fù)荷曲線，阿里電網(wǎng)冬季日最大電量需求約為561 000 kWh，夏季日最大電量需求約為390 000 kWh。

根據(jù)目前阿里電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，其夏季和冬季水電日均發(fā)電量分別為68 000 kWh和37 000 kWh；應(yīng)急柴油機(jī)組日最大發(fā)電量分別為108 000 kWh和173 000 kWh；熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組冬季日最大發(fā)電量為144 000 kWh；阿里光伏電站日均發(fā)電量約為50 000 kWh。

由此計(jì)算得出阿里電網(wǎng)夏季典型日電量缺額為164 000 kWh，冬季典型日電量缺額為157 000 kWh。

因此，阿里電網(wǎng)2020年最大日電量缺額為164 000 kWh。按照阿里電網(wǎng)已建光伏電站運(yùn)行特性(10 MWp光伏項(xiàng)目日均電量約50 000 kWh)，需新建約32.8 MWp光伏電站才能完全滿足阿里電網(wǎng)日最大電量缺額的需要。考慮一定裕度后，推薦新建光伏電站的容量按40 MWp考慮(光伏多發(fā)的情況下應(yīng)急柴油機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以少發(fā))。

2.2.2 建設(shè)規(guī)模適應(yīng)性

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果及阿里電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線及最小日負(fù)荷率(8月份約為0.54)，可計(jì)算得出2020年阿里電網(wǎng)夏季日最小電量需求約為211 000 kWh。由于已建阿里光伏電站和規(guī)劃新建40 MWp光伏項(xiàng)目日均發(fā)電量可達(dá)250 000 kWh，因此在夏季最小負(fù)荷日即便考慮其它電源均不發(fā)電，規(guī)劃新建光伏項(xiàng)目仍可能存在少量棄光問題。根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，規(guī)劃新建光伏項(xiàng)目在夏季最小負(fù)荷日棄光限電比例約18%，其合計(jì)年棄光限電比例合計(jì)不超過10%。

隨著阿里電網(wǎng)負(fù)荷的進(jìn)一步增長及阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)，規(guī)劃新建光伏項(xiàng)目初期棄光問題短期內(nèi)即可得到解決。

2.3 儲能配置方案

2.3.1 儲能方式選擇

儲能技術(shù)是通過裝置或物理介質(zhì)將能量儲存起來以便以后需要時(shí)利用的技術(shù)[6]。鑒于光伏電站發(fā)電具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，在電站配置儲能模塊是解決其接入電網(wǎng)產(chǎn)生各種問題的有效措施。電力系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜間峰谷差、平滑負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)[7]。

儲能技術(shù)按照儲存介質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為機(jī)械類儲能、電氣類儲能、電化學(xué)類儲能、熱儲能和化學(xué)類儲能。根據(jù)阿里地區(qū)能源資源及其開發(fā)現(xiàn)狀，阿里電網(wǎng)儲能方案選擇電氣類儲能、熱儲能和化學(xué)類儲能基本不具備可行性，可供選擇的僅有機(jī)械類儲能中的抽水蓄能和電化學(xué)儲能(蓄電池)方案。但阿里電網(wǎng)選擇抽水蓄能方案存在諸多問題：

1)建設(shè)周期問題。阿里地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站建設(shè)周期約為7～21個(gè)月，難以盡快滿足阿里電網(wǎng)需要。

2)常規(guī)抽水蓄能電站利用效率僅為65%～75%，需要消耗較多電力滿足調(diào)峰需求。

3)根據(jù)電力平衡結(jié)果，阿里電網(wǎng)2020年最大電力缺口為18.1 MW，要建設(shè)相應(yīng)出力能力的抽水蓄能項(xiàng)目才能滿足需求。但由于獅泉河實(shí)際來水量有限，特別是在冬季甚至?xí)霈F(xiàn)斷流現(xiàn)象，阿里地區(qū)建設(shè)較大規(guī)模的抽水蓄能電站基本沒有可能。

4)阿里電網(wǎng)與西藏中部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前其規(guī)模較小，抽水蓄能項(xiàng)目抽水運(yùn)行時(shí)其出力波動(dòng)將給電網(wǎng)帶來較大沖擊。

5)阿里電網(wǎng)后期將實(shí)現(xiàn)與西藏中部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)且還將建成具有年調(diào)節(jié)能力的阿青水電站，遠(yuǎn)期抽水蓄能項(xiàng)目的調(diào)峰能力發(fā)揮空間有限。

6)阿里電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站并無明顯經(jīng)濟(jì)效益，初期只有電網(wǎng)企業(yè)或政府部門投資，遠(yuǎn)期需要配套政策才能維持正常運(yùn)行。

綜上所述，阿里電網(wǎng)不宜建設(shè)抽水蓄能電站作為儲能手段。

阿里電網(wǎng)采用電化學(xué)儲能(蓄電池)則有較高的可行性。考慮到蓄電池的性能參數(shù)、使用壽命、后期維護(hù)難度、技術(shù)成熟度，并且結(jié)合場地占地面積、初期投資成本等因素，初步推薦采用磷酸鐵鋰電池作為阿里電網(wǎng)儲能方案，該方案在國內(nèi)大中型儲能系統(tǒng)中已有多個(gè)應(yīng)用案例[8-11]。

2.3.2 儲能建設(shè)規(guī)模

1)儲能功率選擇

根據(jù)電力平衡結(jié)果，儲能裝置出力達(dá)到18.1 MW即可滿足需求。但由于規(guī)劃新建光伏電站裝機(jī)容量為40 MWp且與儲能共用逆變器，為充分發(fā)揮項(xiàng)目裝機(jī)容量的作用，儲能功率仍可選擇為40 MW。

2)儲能容量選擇

規(guī)劃新建光伏電站配置儲能裝置，一方面是要滿足“削峰填谷”的需求，另一方面則需要滿足平滑光伏發(fā)電出力波動(dòng)的需要。

根據(jù)阿里電網(wǎng)已建電源的可調(diào)出力及典型日負(fù)荷曲線，為滿足“削峰填谷”需求，計(jì)算得出2020年夏季典型日和冬季典型日有效儲能容量分別達(dá)到130 MWh和155 MWh，才能滿足將規(guī)劃新建光伏電站高峰時(shí)刻所發(fā)電力的余額全部儲存的需求。

獅泉河水電站從停機(jī)狀態(tài)到滿載的啟動(dòng)時(shí)間約為6 min，柴油機(jī)組從停機(jī)狀態(tài)到滿載的啟動(dòng)時(shí)間為2 min左右。為滿足平滑光伏發(fā)電出力波動(dòng)的需要，考慮實(shí)際運(yùn)行中的時(shí)間裕度，這部分儲能容量可按照保證電網(wǎng)在光伏出力突降后可穩(wěn)定運(yùn)行15～30 min來考慮。由于規(guī)劃新建光伏電站最大出力為40 MWp，因此平滑光伏發(fā)電出力波動(dòng)所需的最大有效儲能容量為10～20 MWh。

規(guī)劃新建光伏電站初步推薦采用磷酸鐵鋰電池，其電池效率可達(dá)85%，放電深度可達(dá)90%。實(shí)際工程中蓄電池配置容量計(jì)算公式為

蓄電池配置容量(MWh)=蓄電池有效儲能容量(MWh)/放電深度(%)/電池效率(%)

計(jì)算得出規(guī)劃新建光伏電站需要配置蓄電池容量約為230 MWh。

3 解決方案研究經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性

3.1 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)西藏近期工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，初步估算阿里電網(wǎng)建設(shè)一座容量為40 MWp的光伏電站并配置儲能容量為230 MWh的磷酸鐵鋰電池投資約為6.9億元，其中光伏發(fā)電部分造價(jià)約為4.4億元，儲能部分造價(jià)約為2.5億元。

阿里電網(wǎng)已建光伏電站年利用小時(shí)數(shù)約為1800 h。按照年發(fā)電量7.20×107kWh及目前西藏光伏上網(wǎng)電價(jià)1.05元/kWh計(jì)算，其投資回報(bào)率約為10%，對光伏發(fā)電企業(yè)將有一定的吸引力。

由于西藏光伏項(xiàng)目建設(shè)熱度較高，實(shí)際還可考慮引進(jìn)投資商以配額的方式在阿里地區(qū)建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目(如將在阿里地區(qū)建設(shè)“光伏+蓄電池”項(xiàng)目作為在西藏其他地區(qū)建設(shè)常規(guī)光伏項(xiàng)目的前提條件)以解決本項(xiàng)目的投資問題。

3.2 遠(yuǎn)期適應(yīng)性

根據(jù)2025和2030年電力供需平衡結(jié)果(詳見表4)，阿里電網(wǎng)遠(yuǎn)期豐期有明顯電力富余，特別是2030年考慮阿青電站投產(chǎn)后，豐期電力富余將達(dá)到38.1 MW。根據(jù)平衡結(jié)果，遠(yuǎn)期規(guī)劃新建光伏項(xiàng)目枯期將主要滿足阿里電網(wǎng)自身負(fù)荷需求，豐期則可參與阿里電網(wǎng)富余電力外送。

表4 2025年和2030年電力平衡 單位：MW

4 結(jié) 語

1)根據(jù)阿里地區(qū)能源資源稟賦及利用現(xiàn)狀，結(jié)合方案經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)周期、環(huán)保、方案靈活度和可行性等方面綜合比較結(jié)果，推薦在充分利用現(xiàn)有電源的基礎(chǔ)上，采用新增“光伏+蓄電池儲能”模式解決阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前阿里電網(wǎng)缺電問題。考慮到蓄電池的性能參數(shù)、使用壽命、后期維護(hù)難度、技術(shù)成熟度，并且結(jié)合場地占地面積、初期投資成本等因素，初步推薦采用磷酸鐵鋰電池作為阿里電網(wǎng)儲能方案。

2)根據(jù)電力電量平衡計(jì)算結(jié)果，推薦阿里電網(wǎng)建設(shè)一座容量為40 MWp的光伏電站并配置儲能容量為230 MWh的磷酸鐵鋰電池。

3)為滿足阿里電網(wǎng)電壓和無功調(diào)節(jié)需求，新建光伏電站還需配置一組容量為-8 Mvar～+8 Mvar的SVG。

4)為保證光伏出力波動(dòng)時(shí)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需修復(fù)或更換已建阿里光伏電站的儲能設(shè)備。

5)阿青水電站具有年調(diào)節(jié)能力，建成后可為阿里電網(wǎng)提供調(diào)峰能力和電源支撐，還可有效提升阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程的送電能力和阿里電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，建議加快推進(jìn)阿青水電站的建設(shè)。

6)由于西藏光伏項(xiàng)目建設(shè)熱度較高，建議可考慮引進(jìn)投資商以配額的方式在阿里地區(qū)建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目以解決本項(xiàng)目的投資問題。