阿里電網經濟可靠運行相關問題研究

張立鋒1，徐 潛1，何志強，劉曉明1，鄭 勇，范 宇，晏小彬

(1.國網西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

西藏電網長期維持西藏中部電網和昌都、阿里電網“一大二小”3個獨立電網的供電格局。2018年年底藏中聯網工程實現西藏中部電網與昌都電網聯網后，僅剩阿里電網未納入西藏統一電網。根據規劃及目前實際工作進展，阿里與藏中電網聯網工程最早也要在2020年年底左右才能建成投產。

阿里電網目前主要電源為獅泉河水電站以及部分燃油機組和光伏電站。其中獅泉河水電站受水庫庫容和來水情況限制，出力有限；光伏電站因電網調峰能力低和儲能未發揮效果，出力較低；總體上需柴油機組大量發電，發電成本極高。在阿里與藏中電網聯網工程建成前，阿里電網仍為孤網運行，缺電矛盾和經濟運行問題均較為突出。[1]

下面研究在阿里與藏中電網聯網工程建成前，在保障阿里電網可靠供電的前提下，進一步實現其經濟運行并保障電網后續可持續發展的解決方案。

1 阿里地區電力系統概況[2-3]

1.1 能源資源概況和主要電源現狀

阿里地區的能源資源種類較多，其中相對較為豐富的有水能、太陽能、風能和地熱能，煤炭、石油和天然氣等化石能源資源則尚無探明儲量。

阿里電網已建電源主要概況如下：

1)獅泉河水電站：裝機容量為6.4 MW，年均發電量約1.34×107kWh。其夏季最大出力可以達到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：總裝機容量10 MW，電站多年平均年發電量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。

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

4)阿里熱電聯產機組：于2018年年底建成，裝機容量2×6 MW，扣除廠用電后實際最大可用出力為6 MW。

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

1.2 電網現狀

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

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

2017年，阿里電網實際最大負荷13.6 MW，同比增長29.5%；實際用電量6.4×107kWh，同比增長18.5%。

根據規劃，到2020年阿里電網將納入西藏統一電網，主電網覆蓋范圍將擴大到全部7個縣的主要鄉鎮。由于覆蓋范圍的不斷增加導致阿里電網負荷快速增長，與西藏中部電網聯網前阿里電網缺電問題十分突出。

1.3 “十三五”后期電網規劃簡述[4]

1.3.1 負荷預測

阿里與藏中聯網工程建成前，阿里電網將維持覆蓋噶爾縣、札達縣、日土縣和革吉縣等4縣。在現有負荷的基礎上，2019—2020年阿里電網新增主要負荷如下：

1)邊防用電負荷，2～4 MW；

2)熱電廠站外系統用電負荷，約1.5 MW；

3)日土、札達和革吉縣采暖負荷，各約2.5 MW。

按照上述新增主要點負荷及阿里電網用電負荷的自然增長，預測2019年和2020年阿里電網最大負荷分別為23.3 MW和30.3 MW。

1.3.2 電源規劃

2019—2020年，阿里電網暫無電源投產。

1.3.3 2019—2020年電力空間分析

根據阿里電網負荷預測和電源規劃進行電力平衡計算得出其電力空間結果見表1和表2。從計算結果來看，2019—2020年阿里電網缺電問題將十分嚴重，到2020年其最大電力缺額將達到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 阿里電網供電問題解決方案研究

2.1 電源建設方案

2.1.1 電源建設方案選擇

根據前述阿里電網電力空間分析計算結果，如果只考慮目前已建電源，2019—2020年阿里電網缺電問題十分嚴重，在聯網工程建成前需要通過自建電源加以解決。

根據阿里地區能源資源情況，阿里電網可能的電源建設方案有擴建熱電聯產機組、建設地熱電站、建設太陽能熱電站、建設太陽能光伏電站、建設風電站、建設水電站和擴建柴油機組等方案。

除2025年以后方可投產的阿青水電站外，阿里地區暫無其他規劃水電電源，因此建設水電站方案無法解決阿里電網近期缺電問題。

由于阿里地區地處青藏高原，空氣密度低、風中含沙量大，這會造成風力機組運行難度大、發電功率不穩定、機組軸承損壞故障等問題。因此在現有開發技術條件下，阿里地區不宜開發風電作為主力電源。

雖然阿里地區地熱資源豐富，但由于西藏地區地熱電站建設周期約為18～24個月，再加上阿里地區尚無明確的地熱開發規劃，因此建設地熱電站方案也無法滿足阿里電網近期缺電需要。

雖然阿里地區太陽能資源也較為豐富，但由于西藏尚無光熱電站建設經驗，加之光熱電站建設周期也至少約為18～24個月，因此建設光熱電站也無法解決阿里電網近期缺電問題。

綜上所述，要解決阿里與藏中電網聯網工程建成前阿里電網缺電問題，可供選擇的僅有擴建熱電聯產機組、建設太陽能光伏電站和擴建柴油機組等方案。

2.1.2 方案技術經濟綜合分析比較

1)方案經濟性

表3為各方案成本電價初步比較結果。由表可見，建設太陽能光伏電站方案成本電價同擴建熱電聯產機組和擴建柴油機組方案相比有明顯優勢。

表3 成本電價比較表

2)建設周期

擴建熱電聯產機組建設周期為18～24個月以內。建設太陽能光伏電站一般建設周期約為4～6個月[5]。根據實際工程經驗，阿里地區擴建燃油機組建設周期需要6～12個月。

相比之下，建設太陽能光伏電站方案能夠最快滿足阿里電網缺電需要。

3)環保問題

建設太陽能光伏電站利用的是清潔能源，其建設和運行不會帶來環保問題。擴建熱電聯產機組和燃油機組開機方案使用的分別是煤炭和燃油，其運行和運輸過程中均有可能會對環境造成污染。

4)建設方案靈活性和可行性

擴建阿里熱電聯產項目、擴建燃油機組方案和建設光伏電站均可根據電網負荷發展需要投產所需機組，其建設靈活性均較高。

由于阿里地區均有建設經驗，3個方案的技術方案和可行性也均較為明確。

2.1.3 推薦方案

根據方案技術經濟綜合分析比較結果，由于建設光伏電站(配置儲能)方案經濟性相對較優，能夠最快滿足阿里電網負荷發展需要，不會帶來環保問題，建設方案靈活度較高，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聯網前阿里電網缺電問題方案。

2.2 電源建設規模

2.2.1 電源建設規模

若推薦建設光伏電站解決阿里電網近期缺電問題，則光伏電站建設規模應按滿足最大日電量缺額考慮。

根據負荷預測結果及阿里電網夏季和冬季典型日負荷曲線，阿里電網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。

根據目前阿里電網實際運行數據，其夏季和冬季水電日均發電量分別為68 000 kWh和37 000 kWh；應急柴油機組日最大發電量分別為108 000 kWh和173 000 kWh；熱電聯產機組冬季日最大發電量為144 000 kWh；阿里光伏電站日均發電量約為50 000 kWh。

由此計算得出阿里電網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2020年最大日電量缺額為164 000 kWh。按照阿里電網已建光伏電站運行特性(10 MWp光伏項目日均電量約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(光伏多發的情況下應急柴油機組和熱電聯產機組可以少發)。

2.2.2 建設規模適應性

根據負荷預測結果及阿里電網典型日負荷曲線及最小日負荷率(8月份約為0.54)，可計算得出2020年阿里電網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劃新建40 MWp光伏項目日均發電量可達250 000 kWh，因此在夏季最小負荷日即便考慮其它電源均不發電，規劃新建光伏項目仍可能存在少量棄光問題。根據初步計算結果，規劃新建光伏項目在夏季最小負荷日棄光限電比例約18%，其合計年棄光限電比例合計不超過10%。

隨著阿里電網負荷的進一步增長及阿里與藏中聯網工程的建設，規劃新建光伏項目初期棄光問題短期內即可得到解決。

2.3 儲能配置方案

2.3.1 儲能方式選擇

儲能技術是通過裝置或物理介質將能量儲存起來以便以后需要時利用的技術[6]。鑒于光伏電站發電具有隨機性的特點，在電站配置儲能模塊是解決其接入電網產生各種問題的有效措施。電力系統中引入儲能環節后，可以有效地實現需求側管理、消除晝夜間峰谷差、平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以促進系統穩定性、調整頻率、補償負荷波動[7]。

儲能技術按照儲存介質進行分類，可以分為機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能。根據阿里地區能源資源及其開發現狀，阿里電網儲能方案選擇電氣類儲能、熱儲能和化學類儲能基本不具備可行性，可供選擇的僅有機械類儲能中的抽水蓄能和電化學儲能(蓄電池)方案。但阿里電網選擇抽水蓄能方案存在諸多問題：

1)建設周期問題。阿里地區建設抽水蓄能電站建設周期約為7～21個月，難以盡快滿足阿里電網需要。

2)常規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峰需求。

3)根據電力平衡結果，阿里電網2020年最大電力缺口為18.1 MW，要建設相應出力能力的抽水蓄能項目才能滿足需求。但由于獅泉河實際來水量有限，特別是在冬季甚至會出現斷流現象，阿里地區建設較大規模的抽水蓄能電站基本沒有可能。

4)阿里電網與西藏中部電網聯網前其規模較小，抽水蓄能項目抽水運行時其出力波動將給電網帶來較大沖擊。

5)阿里電網后期將實現與西藏中部電網聯網且還將建成具有年調節能力的阿青水電站，遠期抽水蓄能項目的調峰能力發揮空間有限。

6)阿里電網建設抽水蓄能電站并無明顯經濟效益，初期只有電網企業或政府部門投資，遠期需要配套政策才能維持正常運行。

綜上所述，阿里電網不宜建設抽水蓄能電站作為儲能手段。

阿里電網采用電化學儲能(蓄電池)則有較高的可行性。考慮到蓄電池的性能參數、使用壽命、后期維護難度、技術成熟度，并且結合場地占地面積、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儲能方案，該方案在國內大中型儲能系統中已有多個應用案例[8-11]。

2.3.2 儲能建設規模

1)儲能功率選擇

根據電力平衡結果，儲能裝置出力達到18.1 MW即可滿足需求。但由于規劃新建光伏電站裝機容量為40 MWp且與儲能共用逆變器，為充分發揮項目裝機容量的作用，儲能功率仍可選擇為40 MW。

2)儲能容量選擇

規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電出力波動的需要。

根據阿里電網已建電源的可調出力及典型日負荷曲線，為滿足“削峰填谷”需求，計算得出2020年夏季典型日和冬季典型日有效儲能容量分別達到130 MWh和155 MWh，才能滿足將規劃新建光伏電站高峰時刻所發電力的余額全部儲存的需求。

獅泉河水電站從停機狀態到滿載的啟動時間約為6 min，柴油機組從停機狀態到滿載的啟動時間為2 min左右。為滿足平滑光伏發電出力波動的需要，考慮實際運行中的時間裕度，這部分儲能容量可按照保證電網在光伏出力突降后可穩定運行15～30 min來考慮。由于規劃新建光伏電站最大出力為40 MWp，因此平滑光伏發電出力波動所需的最大有效儲能容量為10～20 MWh。

規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85%，放電深度可達90%。實際工程中蓄電池配置容量計算公式為

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(%)

計算得出規劃新建光伏電站需要配置蓄電池容量約為230 MWh。

3 解決方案研究經濟性及適應性

3.1 經濟性

根據西藏近期工程建設經驗，初步估算阿里電網建設一座容量為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，其中光伏發電部分造價約為4.4億元，儲能部分造價約為2.5億元。

阿里電網已建光伏電站年利用小時數約為1800 h。按照年發電量7.20×107kWh及目前西藏光伏上網電價1.05元/kWh計算，其投資回報率約為10%，對光伏發電企業將有一定的吸引力。

由于西藏光伏項目建設熱度較高，實際還可考慮引進投資商以配額的方式在阿里地區建設光伏發電項目(如將在阿里地區建設“光伏+蓄電池”項目作為在西藏其他地區建設常規光伏項目的前提條件)以解決本項目的投資問題。

3.2 遠期適應性

根據2025和2030年電力供需平衡結果(詳見表4)，阿里電網遠期豐期有明顯電力富余，特別是2030年考慮阿青電站投產后，豐期電力富余將達到38.1 MW。根據平衡結果，遠期規劃新建光伏項目枯期將主要滿足阿里電網自身負荷需求，豐期則可參與阿里電網富余電力外送。

表4 2025年和2030年電力平衡 單位：MW

4 結 語

1)根據阿里地區能源資源稟賦及利用現狀，結合方案經濟性、建設周期、環保、方案靈活度和可行性等方面綜合比較結果，推薦在充分利用現有電源的基礎上，采用新增“光伏+蓄電池儲能”模式解決阿里與藏中電網聯網前阿里電網缺電問題。考慮到蓄電池的性能參數、使用壽命、后期維護難度、技術成熟度，并且結合場地占地面積、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儲能方案。

2)根據電力電量平衡計算結果，推薦阿里電網建設一座容量為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)為滿足阿里電網電壓和無功調節需求，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時電網安全穩定運行，需修復或更換已建阿里光伏電站的儲能設備。

5)阿青水電站具有年調節能力，建成后可為阿里電網提供調峰能力和電源支撐，還可有效提升阿里與藏中電網聯網工程的送電能力和阿里電網的安全穩定水平，建議加快推進阿青水電站的建設。

6)由于西藏光伏項目建設熱度較高，建議可考慮引進投資商以配額的方式在阿里地區建設光伏發電項目以解決本項目的投資問題。