水電在新型電力系統(tǒng)中的作用分析

鄭 春

(四川能投物資產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，成都，611100)

前言

2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議上提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是“雙碳”目標(biāo)背景下黨中央對電力系統(tǒng)發(fā)展作出的最新重大決策。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是在立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局，加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和人類命運(yùn)共同體建設(shè)，深入貫徹落實(shí)國家能源安全新戰(zhàn)略的背景下提出的新思想、新論斷，是習(xí)近平生態(tài)文明思想的最新原創(chuàng)性成果，是我國能源電力發(fā)展的根本遵循。

新型電力系統(tǒng)是以新能源為主體、“源網(wǎng)荷儲智”一體協(xié)同、集中式與分布式深度融合，安全可控、經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、開放共享、數(shù)字智能的系統(tǒng)。電力系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)用電實(shí)時(shí)平衡系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)具有“三高雙峰”(高比例新能源、高比例電力電子裝備、發(fā)電和用能高自由度，夏季用電高峰、冬季用電高峰)的特點(diǎn)，隨著出力隨機(jī)波動的新能源發(fā)電占比提升，新能源小發(fā)期間電力供應(yīng)不足和大發(fā)期間消納困難的問題將頻繁交替出現(xiàn)。特別是在極熱極寒無風(fēng)、連續(xù)陰雨等特殊天氣下，新能源對高峰電力平衡支撐有限。與歐美國家相比，我國電力系統(tǒng)特別是電源側(cè)的靈活調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重偏低，難以支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展。水電特別是水庫電站具有良好的蓄能調(diào)節(jié)作用，是目前技術(shù)水平下最經(jīng)濟(jì)的儲能設(shè)施，它可擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動等任務(wù)，水電將在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

1 優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)

1.1 增加清潔能源供應(yīng)

在20世紀(jì)的100年中，全球地面空氣溫度平均上升了0.4℃～0.8℃?？茖W(xué)家預(yù)測，如果地球表面的溫度按照現(xiàn)在的速度發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2℃～4℃，這將導(dǎo)致海平面大大上升，紐約、上海、東京和悉尼等著名國際大都市都將被海水淹沒。氣候變化所帶來的一系列嚴(yán)峻問題已經(jīng)引發(fā)了世界各國的高度關(guān)注，目前世界各國都已有壓倒性的科學(xué)共識，氣候變化是由于人類大量燃燒化石燃料釋放出的二氧化碳所致，中國作為一個(gè)發(fā)展中大國，我國向全世界承諾：二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，力爭2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這充分體現(xiàn)了發(fā)展中大國的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，但我國能源資源稟賦是“富煤、缺氣、少油”，2020年我國能源消費(fèi)中煤炭占了60%，且絕大部分煤炭被用于火力發(fā)電，2020年火力發(fā)電量占比達(dá)到了68%。煤炭的大量使用對大氣污染治理、應(yīng)對氣候變化都帶來了巨大的壓力。

水電是清潔能源[1]，可再生、無污染、運(yùn)行費(fèi)用低，有利于提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)社會的綜合效益。在化石能源日益緊張的情況下，世界各國普遍優(yōu)先開發(fā)水電，大力利用水能資源。中國不論是已探明的水能資源蘊(yùn)藏量，還是可能開發(fā)的水能資源量，都居世界第一位，開發(fā)水電將有助于提高清潔能源在電力結(jié)構(gòu)中的比例。

1.2 減少化石能源消費(fèi)

火力發(fā)電以燃煤發(fā)電為主，煤炭燃燒將釋放大量二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物，大量二氧化碳?xì)怏w的釋放將加劇全球氣候變暖，二氧化硫和氮氧化物是形成酸雨的罪魁禍?zhǔn)?。水電作為我國蘊(yùn)藏量最大、技術(shù)最為成熟的清潔能源，以兩河口水電站為例，可替代火電裝機(jī)330萬kW，替代火電電量(含減少系統(tǒng)水電群棄水電量及增加下游17個(gè)梯級電站年發(fā)電量)約297億kW·h。兩河口水電站每年可節(jié)約原煤535萬t，計(jì)入增加下游梯級電站效益后每年可節(jié)約原煤1330萬t，相當(dāng)于少建4座年產(chǎn)400萬t的大型煤礦。

1.3 改善豐枯出力結(jié)構(gòu)

水力發(fā)電所依靠的是河流中的水資源，而天然水資源具有時(shí)空分布不均的特性，即豐水期來水多，枯水期來水少，導(dǎo)致水電站豐枯出力不均，梯級調(diào)節(jié)性龍頭水庫電站的運(yùn)行方式對下游各梯級電站影響很大，隨著水庫電站的投產(chǎn)，按主汛期蓄水、枯水期騰庫發(fā)電的方式運(yùn)行，可將主汛期下游電站無法利用的洪水?dāng)r蓄到枯水期發(fā)電，提高了下游各電站的水資源利用率，在不影響主汛期下游梯級電站發(fā)電能力的情況下，增加了枯水期的發(fā)電量，改善了電量結(jié)構(gòu)。

1.4 規(guī)?；瘍δ?/h3>

我國已經(jīng)和在建水庫電站眾多，不少具有季及季以上調(diào)節(jié)能力，它們利用其巨大的調(diào)節(jié)庫容，能將汛期多余水量蓄積在水庫，將季節(jié)性電能轉(zhuǎn)化為可靠電能，其儲能規(guī)模大且經(jīng)濟(jì)。以兩河口水庫電站為例，兩河口水電站水庫總庫容101.54億m3，調(diào)節(jié)庫容65.60億m3，是具有多年調(diào)節(jié)作用的水庫電站。兩河口水電站建成后，與雅礱江下游錦屏一級、二灘水電站兩座大水庫聯(lián)合運(yùn)行，總調(diào)節(jié)庫容達(dá)149億m3。三個(gè)具有強(qiáng)大調(diào)節(jié)能力的電站，將使雅礱江干流完全可以做到多年調(diào)節(jié)，成為全國唯一一條在真正意義上能夠?qū)崿F(xiàn)年調(diào)節(jié)的河流。

2 保障電網(wǎng)安全運(yùn)行

2.1 調(diào)頻

水電相比火電等其他電源，具有運(yùn)行靈活、安全可靠的絕對優(yōu)勢。水電站機(jī)組開機(jī)靈便、迅速，從停機(jī)狀態(tài)到滿負(fù)荷運(yùn)行僅需1min～2min時(shí)間，并可迅速改變出力的大小，以適應(yīng)負(fù)荷的劇烈變化，從而保證系統(tǒng)周波的穩(wěn)定，其增減負(fù)荷的迅速靈敏性有利于滿足電網(wǎng)調(diào)峰和緊急事故支援對上網(wǎng)容量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)主要由水電站擔(dān)任。為此，水庫日出庫流量過程將隨著用電負(fù)荷峰、平、谷的過程而有較大變幅，在負(fù)荷處于低谷時(shí)，少發(fā)電或停機(jī)，將水蓄在庫中；在負(fù)荷處于高峰時(shí)，泄水發(fā)電。具有季及以上調(diào)蓄能力的水庫電站由于有較大的調(diào)節(jié)庫容，可調(diào)節(jié)出力范圍大，因此電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，尤其是像四川這樣以水電為主的電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)，主要由水庫電站擔(dān)任。如華電寶珠寺水電站，總裝機(jī)70萬kW，總庫容25.5億m3，具有不完全調(diào)節(jié)能力，是川東北的主力發(fā)電廠，承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等重任。

2.2 充當(dāng)事故應(yīng)急電源[2]

系統(tǒng)發(fā)生大功率缺失后，為了保障頻率穩(wěn)定、控制潮流在運(yùn)行限額內(nèi)，需要及時(shí)增加發(fā)電出力。相比煤電、氣電，水電和抽水蓄能機(jī)組啟動時(shí)間短、調(diào)節(jié)速率快，可在1min左右從停機(jī)開至滿發(fā)；相比常規(guī)水電，抽水蓄能電站更靠近負(fù)荷中心，大幅增發(fā)不影響系統(tǒng)穩(wěn)定，且支撐系統(tǒng)電壓的作用更強(qiáng)。因此，水電和抽水蓄能已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中最優(yōu)先調(diào)用的應(yīng)急電源，在多次重大事故處理時(shí)緊急開機(jī)滿發(fā)，有力地保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，是安全保底電力系統(tǒng)的重要組成部分。

2.3 承擔(dān)黑啟動電源

近年來，美國、英國、印度、巴西等國發(fā)生的大停電事故警示我們，發(fā)生大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)始終存在，電力系統(tǒng)中須配置一定規(guī)模的黑啟動電源。抽水蓄能電站上庫蓄能可靠、啟動速度快、發(fā)電出力調(diào)節(jié)靈活、可持續(xù)供電時(shí)間長，是系統(tǒng)首選的黑啟動電源，可為保障極端事故下的電力系統(tǒng)快速有序恢復(fù)提供有力支撐。

2.4 承擔(dān)系統(tǒng)尖峰負(fù)荷

我國電力電量平衡格局總體呈現(xiàn)“電量平衡有余，季節(jié)性用電高峰期間電力平衡能力偏緊”的特點(diǎn)。充分發(fā)揮抽水蓄能電站容量效益，保障系統(tǒng)迎峰度夏期間尖峰負(fù)荷供給，減少了系統(tǒng)為應(yīng)對短時(shí)尖峰負(fù)荷的燃煤等機(jī)組裝機(jī)容量。

2.5 承擔(dān)系統(tǒng)備用

大規(guī)模新能源并網(wǎng)影響系統(tǒng)原有功率供需平衡機(jī)制，負(fù)荷反調(diào)節(jié)特性十分明顯，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步加大，增加電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰難度。新能源發(fā)電裝機(jī)容量在電網(wǎng)中的比重增加，需配套其他常規(guī)電源，且常規(guī)電源可調(diào)出力不能通過通常情況下的啟停機(jī)來完成，必須采取旋轉(zhuǎn)備用的方式。新能源裝機(jī)容量越大，配套準(zhǔn)備的旋轉(zhuǎn)備用容量也就越大。水庫電站由于具有良好的調(diào)蓄作用，一般承擔(dān)電網(wǎng)的事故備用、負(fù)荷備用等任務(wù)。

3 增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

3.1 平擬新能源出力波動[3]

我國西部地區(qū)風(fēng)能、太陽能等清潔可再生能源十分豐富，具有較大的開發(fā)潛力。但受環(huán)境氣象因素的影響，風(fēng)電、太陽能發(fā)電出力具有隨機(jī)性，其瞬時(shí)波動性強(qiáng)，大規(guī)模并網(wǎng)會對電網(wǎng)造成較大沖擊。多能互補(bǔ)開發(fā)有助于平抑風(fēng)光出力波動，保障上網(wǎng)電量的穩(wěn)定性。水電站由于庫容可以調(diào)蓄徑流，尤其是大型的具有季及以上調(diào)蓄能力的水庫電站，加之水電機(jī)組停開機(jī)、增減負(fù)荷的高度靈敏性，成為了風(fēng)、光等多能互補(bǔ)開發(fā)的重要互補(bǔ)能源。以四川為例，四川省流域內(nèi)風(fēng)、光、水出力在年內(nèi)和日內(nèi)具有較好的互補(bǔ)特性，在空間上也大多聚集在三州地區(qū)，具有互補(bǔ)開發(fā)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。調(diào)節(jié)能力大的水電站，可以充分利用有效庫容調(diào)節(jié)風(fēng)光出力波動。以雅礱江流域下游“兩庫五級”梯級水電站及其周邊的風(fēng)光資源為例，水電站總裝機(jī)1470萬kW、風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)1260萬kW、光伏規(guī)劃裝機(jī)1816萬kW。風(fēng)光天然出力各月波動大。實(shí)施水風(fēng)光互補(bǔ)調(diào)度，水風(fēng)光互補(bǔ)總出力使風(fēng)光過程平穩(wěn)，通過水庫的調(diào)節(jié)，風(fēng)光水總保證出力由792.5萬kW提升至969.79萬kW，提高了19.74%，同時(shí)互補(bǔ)運(yùn)行可以將風(fēng)光水出力波動(出力標(biāo)準(zhǔn)差)降低為單獨(dú)運(yùn)行的1.62%。表明風(fēng)光水互補(bǔ)運(yùn)行后，在最小出力最大化的調(diào)節(jié)目標(biāo)下，風(fēng)光出力波動得到明顯改善[4]。

3.2 增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

隨著系統(tǒng)中新能源裝機(jī)比例持續(xù)增大，系統(tǒng)有功波動性變大，極大增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度，需要靈活調(diào)節(jié)電源配合運(yùn)行[5]。充分發(fā)揮水電站啟停迅速、調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)，機(jī)組利用方式逐漸由計(jì)劃性的啟停調(diào)峰向根據(jù)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻實(shí)際需要靈活啟停轉(zhuǎn)變，以更好地發(fā)揮促消納、保安全作用。2019年，新能源裝機(jī)占比較大的華北、東北地區(qū)，電站啟動次數(shù)同比增長7.9%、11.4%。

4 改善生態(tài)環(huán)境

4.1 減少碳排放和污染物排放

以兩河口水電站為例，兩河口水電站替代電量可節(jié)約化石能源，減排溫室氣體量和其他污染物。據(jù)測算，兩河口水電站所提供的大量清潔電量相當(dāng)于每年減少二氧化碳排放855.9萬t，減少二氧化硫排放8.06萬t，減少粉塵排放171.5t，減少廢渣排放42.1萬t。如果計(jì)入減少系統(tǒng)水電群棄水電量及增加下游17個(gè)梯級電站年發(fā)電量，則兩河口水電站每年減少二氧化碳排放2130萬t，減少二氧化硫排放20萬t，減少粉塵排放426.5t，減少廢渣排放104.7萬t。由此可見，水電站所提供大量的清潔能源，可有效減少溫室氣體排放，是應(yīng)對氣候變化的積極措施。

4.2 改善局地生態(tài)環(huán)境

水電作為可再生的清潔能源，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綠色動力。高壩大庫的建設(shè)周期長，涉及范圍廣，勢必會對自然環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。然而人類的實(shí)踐表明，迄今為止國內(nèi)外修建的99%的水壩的生態(tài)環(huán)境作用都是利大于弊。水庫建成后，對生態(tài)環(huán)境具有顯著的改善作用，一方面水電站的發(fā)電效益對于降低化石能源的消耗量、減少大氣污染、緩解全球氣候變暖具有顯著的積極影響；另一方面，水庫建成后，周期性的蓄泄水方式對局地氣候、陸生生態(tài)、魚類、水質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境等各方面也都有影響。

以雅礱江二灘水電站為例，二灘水電站每年提供清潔電量170億kW·h，比較同規(guī)模火電，每年可減少消耗難再生的煤炭630萬t，減少排放SO2大氣污染物23萬t，減少燃煤棄碴190萬t，減少廢水排放量4500萬t，對于改善能源結(jié)構(gòu)，減少廢氣、廢渣排放，有顯著效益。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，二灘水庫蓄水后，庫周年降雨量明顯增加，空氣濕度增大，對原干燥少雨、干雨季分明的干熱河谷氣候有所改善，出現(xiàn)干季有降雨、雨季無大澇的新特點(diǎn)。同時(shí)，水庫建成后氣候條件，特別是降雨量與濕度的增加，有利于河谷植被的生長，植被覆蓋率較建庫前明顯增加。高壩大庫創(chuàng)造了大型人造湖泊，改變了當(dāng)?shù)丨h(huán)境和景觀，局部氣候的改變有利于當(dāng)?shù)貛熘苻r(nóng)業(yè)的發(fā)展?！八{(lán)天，白云，青山，綠水，領(lǐng)略二灘美麗風(fēng)光；林木，鮮花，草地，湖泊，盡顯二灘生態(tài)雄姿”，這是所有到過二灘的人的共同感受，也是人們對二灘綠色環(huán)保的由衷贊美。二灘水電站帶來了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，2006年6月9日，作為成功入圍國家環(huán)?？偩质讉€(gè)以工程項(xiàng)目為主體的環(huán)評活動的15個(gè)候選項(xiàng)目之一，雅礱江二灘水電站工程榮獲“國家環(huán)境友好工程”光榮稱號，成為獲得這個(gè)國家建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)最高獎項(xiàng)的全國唯一一家水電工程，這無疑是對水庫電站改善生態(tài)環(huán)境最好的證明和嘉獎。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是黨中央高瞻遠(yuǎn)矚、審時(shí)度勢做出的重大決策部署，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必經(jīng)之路。隨著具有強(qiáng)隨機(jī)性、波動性、間歇性的新能源大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)，新能源成為主體電源后如何實(shí)現(xiàn)和保障不同時(shí)間維度的電力電量平衡，迫切需要通過發(fā)展不同功能定位的儲能來提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)和電能存儲能力。

(2)水電特別是調(diào)節(jié)性水庫電站是目前技術(shù)最成熟、儲能規(guī)模最大且最為經(jīng)濟(jì)的儲能方式。水電是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)極為重要的組成部分，也是服務(wù)“雙碳”目標(biāo)、推動能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要支撐。水電特別是調(diào)節(jié)性水庫電站和抽水蓄能電站，具有啟停時(shí)間短、調(diào)節(jié)速度快的特性，可以有效平擬風(fēng)光出力波動，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用等任務(wù)，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境等，在新能源為主體的電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用越來越重要。