抽水蓄能建設新思路：與風電聯合開發：內蒙古呼和浩特抽水蓄能電站建設實踐

王云濤 何 江

新疆哈密：戈壁架起了“電力高速公路”攝影/蔡增樂/CFP

內蒙古電網分為東部電網和西部電網，其東部電網隸屬于國家電網公司，西部電網隸屬于內蒙古自治區。西部電網以火電為主，2009年年底全網統調發電裝機3402萬千瓦，其中火電2914萬千瓦，風電430萬千瓦。近年來，內蒙古風電發展迅速，截至2010年5月底，內蒙古風電并網裝機容量由2005年的17萬千瓦增加到目前的766萬千瓦，5年間增長了40多倍。

為了解決大比例風電入網對電能質量的影響并減少低谷期風電棄風，同時實現促進清潔能源發展和保證電網安全運行的目標，建設抽水蓄能電站增加電網調峰能力具有高度的必要性和緊迫性。

呼和浩特抽水蓄能電站簡介

呼和浩特抽水蓄能電站是內蒙古地區第一座抽水蓄能電站，位于呼和浩特東北部大青山區，距呼和浩特市區約20公里。電站安裝四臺單機容量為300MW的豎軸單機混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量1200MW。電站設計年發電量20.075億kW·h，年抽水用電量26.7267億kW·h。電站通過一回500kV出線接至距離約45km的呼和浩特東500kV變電站，并入內蒙古西部電網。電站計劃2013年首臺機組發電，2014年建成投產，主要承擔調峰、填谷、事故備用等任務，并將與風電機組聯合運行，實現內蒙古電網火電、風電、調峰電源協調發展。

內蒙古地區風電發展現狀

內蒙古自治區地域遼闊，風能資源豐富，全區風能總儲量10.52億千瓦，技術可開發量約1.5億千瓦，居全國首位，占全國陸地風能資源儲量的50%以上。內蒙古地區與我國華北、東北、西北八個省區相鄰，距華北東北的負荷中心較近，區內風電具有大規模開發和集中外送的天然條件。

截至2010年5月底，內蒙古風電并網裝機容量達到766.77萬千瓦，同比增長140.57%。全區并網風電裝機容量已連續6年以超過100%的速度增長，目前的風電并網裝機容量占全國的三分之一左右。截至目前，內蒙古自治區已有5個盟市風電并網裝機容量超過100萬千瓦。規劃到2020年內蒙古西部地區風電開發規模達3830萬千瓦。

十三陵抽水蓄能電站全景

風電對電網的影響

由于自然風存在不穩定的隨機突變性、日夜變化性、氣候變化性和季節變化性的顯著特點，因此風力發電的輸出功率也會隨著風速的變化而變化，因此大量風電機組并網運行后，電網為了平衡其功率的隨機突變性和日夜及季節的變化性，調峰、調頻壓力隨之增大，電網必須為風電配套足夠的調峰調頻容量，以保證電網的安全穩定運行和峰谷差調度。目前，內蒙古電網風電上網容量超過了電網容量的12%，最大達到了18.7%，隨著目前我國低碳型經濟和綠色能源政策的推廣，內蒙古風電開發的力度將進一步加大，風電在電網中所占的比例也將進一步加大。而當前世界上只有丹麥風電并網比例超過了電網容量的20%，因此，風電比例的加大對內蒙古電網的電力調度和電能質量的保證是一個嚴峻的考驗。

風電面臨的棄風問題

內蒙古屬于高寒地區，冬季供熱從10月15日到第二年的4月15日，歷時6個月，城鎮供熱主要靠供熱機組，在冬季供熱期，供熱機組運行容量占冬季最高發電負荷的60%～70%,為保證供熱，機組不能限負荷，不能參與調峰,導致電網調峰能力進一步降低，無法滿足大規模風電并網后負荷變化的要求。2009年冬季，到后夜低谷期，內蒙古電網最低負荷(包括東送)約1230萬千瓦，其中火電供熱機組就占了1200萬千瓦。為了保供熱保民生，留給風電的負荷裕度已經很小，風電不得已采取了棄風的措施。而內蒙古地區在冬春季和夜間是風資源相對豐富的時段，電網低谷期的棄風不僅造成了風資源的浪費，也給風電企業造成巨大的經濟損失。隨著內蒙古風電的進一步大規模開發和風電占電網負荷比例的進一步加大，夜間低谷棄風問題會更加嚴重。

抽水蓄能電站與風電聯合運行的思考

內蒙古地區風電要想大規模發展，必須增強電網的快速響應和調峰調頻能力，以平衡風電輸出不穩定和容量變化的特點，滿足風電并網后功率變化和夜間不棄風的要求。

內蒙古電網具有以火電為主、水電很少、風電發展十分迅速的特點，目前調峰調頻也主要靠火電機組實現。由于火電機組起停時間太長、頻繁啟動代價太高、深度調峰煤耗太高、負荷跟蹤能力較差，火電機組調峰調頻，不僅經濟上不合理，而且調峰調頻的質量和靈活性也不能滿足電網提高電能質量要求；加上內蒙古地區冬季有六個月的供熱期，供熱機組必須保持正常出力不能參與調頻調峰，也增加了其他火電機組的調峰壓力；燃氣調峰在歐美國家有所應用，但我國缺少燃氣資源，再分配其作為風電的調峰備用代價太高、不太現實，內蒙古電網只有300MW燃氣機組。以上多種原因致使內蒙古電網的調峰調頻能力和電能質量調節受到了極大的制約。

抽水蓄能機組與風電的互補作用

抽水蓄能電站在后夜將電網多余的電能吸收進來，變成水能，在電網高峰期作為調峰調頻電能輸入電網，是一種將多余電能轉化為優質電能調節電廠；由于抽水蓄能技術具有獨特的優越性，能量儲存和轉換的快速響應性很強，電能轉換容量大、效率較高，強迫停運率低,運行安全可靠，穩定性好，供電質量高，建設技術成熟,相對成本較低，已經成為目前電網調峰調頻的主要手段之一。

我們知道，風電棄風基本發生在后夜低谷期間，而抽水蓄能電站從電網吸收電能抽水也發生在后夜低谷期間；由于蓄能電站抽水用電，可以吸收大量的本來必須要被迫棄掉的風能電量，因此，風電與抽水蓄能聯合運行能夠將本來必須要被迫棄掉的風能電量以水能的形式儲存起來，第二天在電網高峰期間轉換成高效優質的電能輸入電網，從而達到了變廢為寶的效果。

由于吸收的風電是可再生的清潔能源，而且抽水蓄能電站的整個生產過程也是清潔環保的生產過程，因此，風電與抽水蓄能的聯合運用不僅減少了風電的電量損失，提高了各自的運用效果，也為電網注入了可再生的清潔能源，對能源的吸收、生產、轉換的全過程都是清潔、無污染的。符合國家可再生清潔能源政策的要求。

抽水蓄能機組對風電變化的響應

經統計計算，內蒙古電網風電多年平均運行小時數2200小時。5分鐘變化率為13%；10分鐘變化率為20%，按風電上網容量400萬千瓦計算，5分鐘變化容量為52萬千瓦；10分鐘變化容量為80萬千瓦。抽水蓄能機組從停機狀態啟動到帶滿負荷僅需1～2分鐘，由抽水工況轉換到發電工況也只需3～4分鐘，機組的反應速度完全能夠滿足風電出力的變化。經測算，一座120萬千瓦裝機的抽水蓄能電站作為風電場的調峰電源，通過風電與抽水蓄能互補，電網可多接納200萬千瓦風電出力。

抽水蓄能機組除了可以削峰填谷外，還能平衡風電功率不穩定和隨機突變性對電網的不利影響，保證電網的電能質量，其負荷調節的響應速度完全可以跟蹤平衡風電的變化速度。

抽水蓄能機組對電網的作用

建設抽水蓄能電站解決了火電廠深度調峰的問題，解決了風電場在夜間特別是冬季大規模棄風的問題，解決了大比例風電上網對電網安全穩定的影響，同時也增強了電網調峰填谷、調頻調相和事故備用的能力。因此，建設抽水蓄能電站是提高內蒙古電網風電接納能力，保證大規模風電接入后電網安全穩定運行的重要措施。

對內蒙古電網而言，由于火電機組的調節能力受限，而且火電機組調節速度不能滿足風電短時變化率的響應要求，因此，抽水蓄能電站是最高效、最靈活、最清潔、最經濟適用的調峰調頻電源。

抽水蓄能電站的投資和經營模式探討

上、下：瑯琊山抽水蓄能電站上水庫副壩區

我國首座特高壓交流試驗基地安家武漢攝影/黎平CFP

如果考慮抽水蓄能電站與風電配合運行，為風電企業服務，按照“誰受益，誰投資”的原則，電站主要由風電企業投資建設。但抽水蓄能電站運行離不開電網，《國家發展改革委關于抽水蓄能電站建設管理有關問題的通知》（發改能源[2004]71號）要求，抽水蓄能電站主要服務于電網，為了充分發揮其作用和效益，抽水蓄能電站原則上由電網經營企業建設和管理，具體規模、投資與建設條件由國務院投資主管部門嚴格審批，其建設和運行成本納入電網運行費用統一核定。因此，在風電迅速發展的內蒙古地區，由風電企業與電網企業共同投資建設抽水蓄能電站是一種多方受益、互惠共贏的投資模式。2009年，由中國長江三峽集團公司、內蒙古電力集團公司和14家風電企業共同出資建設呼和浩特抽水蓄能電站，為抽水蓄能電站建設開辟了新的投資模式，必將推動抽水蓄能和風電的共同發展，在風電快速發展但電網調峰調頻能力較差的地區有著極高的推廣價值。

按照國家有關政策，多家投資建設的電站可采用租賃經營模式。以呼和浩特抽水蓄能電站為例，建成后可由內蒙古電力公司租賃經營。電站運行方式主要為對投資者的風電機組進行調節，在風能富余時，安排蓄能機組抽水，在風能不足時，安排蓄能機組發電，保證投資者的風電機組運行小時顯著增加，同時還可以充分發揮蓄能機組調峰填谷、調頻調相和事故備用功能。經測算，120萬千瓦蓄能機組最大可使400萬千瓦風電機組年運行小時數增加650小時，增加發電量26億kW·h。

投資者收益由兩部分組成。一部分是電站的直接收益，在國家核準電站電價或租賃費時予以考慮，直接收益可按資本金投資回報率10%計算，各投資方根據出資比例分享收益。另一部分是蓄能電站投入運行后對風電進行調節，由此給風電企業帶來的間接收益。蓄能電站每年抽水利用富余風電電量最多為26億kW·h，這部分將是風電企業增加的發電量。按現行風電平均電價為0.51元/kW·h計算，風電企業最多可增加收入13.52億元；即使按50%的電能為吸收的風電量計算，也可為風電企業增加收入6.76億元，基本滿足了電站還本付息的收入水平。因此，在內蒙古電網的實際環境下，進行風電和抽水蓄能電站的聯合開發具有現實的經濟意義。

為了滿足可再生能源等清潔能源的快速增長及電力系統安全穩定經濟運行需要，到2020年全國需要建成5000～6000萬千瓦以上的抽水蓄能裝機容量。內蒙古地區風能儲量居全國首位，近年來風電發展十分迅速，但風電的棄風問題亦愈加嚴重，已經成為制約風電開發主要問題。內蒙古電網調峰、調壓設備不足、手段單一，加之大量供熱機組冬季必須滿發運行，經測算2010年內蒙古電網接納風電能力不到200萬千瓦，無法保證大規模風電并網后的安全運行，近年冬季內蒙古電網已多次出現為保電網安全、保供熱而限制風電廠出力的情況，而加快抽水蓄能電站建設是解決這一問題的有效途徑。