黃河上中游水風光發電出力特性研究

摘 要：實現碳達峰、碳中和，是黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾，在此背景下，需開展水風光一體化建設，推動清潔能源高質量發展。分析“雙碳”背景下黃河干流調節能力較強的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站典型年出力特性，開展其周邊風能資源、光能資源出力特性研究，為水風光一體化開發提供支撐，為推動太陽能、風能、水能高效轉化奠定基礎。研究表明：茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、古賢、磧口、小浪底水電站年內豐枯出力比較小，寧木特、黑山峽水電站年內豐枯出力比較大；研究區域內風電年內出力高峰發生在冬季、春季或夏季，不同電站周邊區域日內出力高峰發生時間不盡相同，出力系數峰值為０．５ 左右，風電全年平均出力系數為０．３０～０．４８，保證率為３１％ ～４５％；光伏電站出力系數春夏季較大、秋冬季較小，晝夜出力變化較大，多數在每日１３：００～１４：００ 出力達到峰值，出力系數峰值為０．７０～０．７９，光伏電站全年平均出力系數為０．２３ 左右，保證率為３６％左右。

關鍵詞：水能資源；風能資源；光能資源；出力特性；出力保證率；黃河上中游

中圖分類號：ＴＶ６２； ＴＭ６１５； ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．００３

引用格式：張權，陳嘉威，劉楊，等．黃河上中游水風光出力發電特性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１３－１９．

１ 引 言

隨著全球環境保護、可持續發展理念的深入以及世界多個國家提出碳中和目標，低碳綠色發展已經成為國際發展潮流［１］ 。實現“雙碳” 目標，能源是主戰場，電力是主力軍，能源結構調整是實現“雙碳”目標的核心，大力發展風能、太陽能等新能源是關鍵［２］ 。黃河流域尤其是上中游地區是我國風光資源最為豐富的地區，由于風、光發電系統具有隨機波動性特點，加上調峰能力不足等影響，因此風、光資源一直得不到充分開發和有效利用［３］ 。黃河流域梯級規劃中有寧木特、茨哈峽、龍羊峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底等多個調節能力強的水電站，可以充分發揮其啟動靈活、調節速度快、調峰能力強的優勢，對周邊風電、光電進行調節，開展水能、風能、光能一體化開發，促進風電、光伏發電等新能源消納。本文立足黃河流域具有調節能力的水電站及周邊地區豐富的風光資源，對其出力特性進行分析，為水能、風能、光能一體化開發提供技術支撐。

２ 水風光資源條件

黃河流域水力資源豐富，水力資源理論蘊藏量和技術可開發量在我國七大江河中居第二位［４］ 。流域上中游水力資源理論蘊藏量３ １１７ 萬ｋＷ、占黃河干流的９４．９４％，干流規劃水電梯級４２ 座，總裝機容量３ ４４４萬ｋＷ，其中已（在）建水電梯級３３ 座、規劃新建水電梯級９ 座。上游規劃新建的寧木特、茨哈峽、黑山峽水電站和已建的龍羊峽水電站，中游規劃新建的磧口、古賢水電站和已建的小浪底水電站具有年調節或季調節能力，水庫調節庫容３８２．８６ 億ｍ３，占黃河干流水庫調節庫容的８３．７％，水電站裝機容量１ ３４８ 萬ｋＷ，在相應河段具有龍頭作用。

黃河流域８ 省（區）（不包括四川省，內蒙古僅考慮西部地區，下同）風能資源技術可開發量３５．４６ 億ｋＷ，占全國陸地風能資源技術可開發量（８６．９４ 億ｋＷ）的４０．８％，具有巨大的開發潛力。我國光能資源十分豐富，但是資源分布并不均衡，青藏高原是我國太陽能輻射高值中心，西部地區太陽能輻射總量高于東部地區。黃河流域光能資源主要分布在西北及華北地區，年輻射值為１ ６３５～１ ８１５ ｋＷ·ｈ／ ｍ２，其中上中游的青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西大部分屬Ｉ 類地區和Ⅱ類地區。黃河流域８ 省（區） 光能資源技術可開發量為１５７．４３ 億ｋＷ，占全國陸地光能資源技術可開發量（４１８．７８ 億ｋＷ）的３７．６％［５］ 。

３ 研究方法及分析指標

３．１ 研究方法

本研究以具有調節能力的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站為中心，選擇周邊風能資源和光能資源較好的代表風電場及光電場，開展水電、風電、光電出力特性分析。龍羊峽以上河段的寧木特、茨哈峽水電站在加強生態保護的基礎上，進行聯合調度運用，分析豐水年、平水年、枯水年豐枯出力特性。龍羊峽及以下河段的龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站采用黃河水量綜合調度模型，分析典型年豐枯出力特性。采用全年８ ７６０ ｈ 風速系列和年水平總輻射量系列，分別計算風電和光電逐小時出力系數，分析風電和光電月平均出力系數、日平均出力系數及分布規律、研究年內出力特性和日內出力特性。

３．２ 分析指標

采用水電站典型年豐枯出力比、風電出力系數及出力保證率、光伏電站出力系數及出力保證率等指標分析水電、風電、光電出力特性。３．２．１ 水電站典型年豐枯出力比［６］

４ 水風光出力特性

４．１ 水 電

寧木特水電站位于瑪曲至龍羊峽河段，具有年調節性能，調節庫容１２．８１ 億ｍ３，占寧木特—爾多河段梯級水電站總調節庫容的５５．１％，其運用以生態環境保護為主，兼顧發電，在加強生態保護的基礎上合理進行水電開發，豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為５．６、４．７、３．５。

茨哈峽水電站是季調節水庫，調節庫容５．４４ 億ｍ３，占茨哈峽—龍羊峽河段梯級水電站總調節庫容的６９．３％。經過所在河段梯級電站聯合調度運用，茨哈峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．８、２．６、２．４。

龍羊峽水利樞紐工程具有多年調節性能，為黃河上游河段的“龍頭”水庫，在黃河水資源合理配置方面具有關鍵性的戰略地位和極為重要的作用，通過對徑流的多年調節，增加黃河枯水年特別是連續枯水年的供水能力，提高上游梯級電站的發電效益，調節庫容１９３．５ 億ｍ３，占龍羊峽—劉家峽河段梯級水電站總調節庫容的９８．１％。龍羊峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．５、１．８、１．６。由于龍羊峽水電站調節能力比較強，因此龍羊峽—劉家峽河段汛枯差異小，梯級水電站豐枯出力比較小。

劉家峽水利樞紐為年調節水庫，在黑山峽水庫建成之前，主要承擔防洪、防凌、供水、灌溉、發電等綜合利用任務；在黑山峽水庫工程建成后，主要配合龍羊峽水庫進一步調節徑流，提高上游梯級發電效益，提高寧蒙地區供水保證率，控制大洪水，保障蘭州市防洪安全，配合黑山峽水庫運用、保障寧蒙河段防凌安全。劉家峽水庫調節庫容３５．３ 億ｍ３，占劉家峽—黑山峽河段梯級水電站總調節庫容的９８．５％。劉家峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．１、２．１、１．７。黑山峽水庫投入運用后可解決寧蒙河段大部分防凌問題，使劉家峽水庫更多地進行豐枯調節，水電梯級電站豐枯出力比較小。

黑山峽水利樞紐工程位于黃河干流黑山峽河段，開發任務為對水資源進行合理配置，滿足防凌、防洪、供水、灌溉、改善生態環境、發電等要求，充分發揮上游梯級電站的發電效益。黑山峽水庫調節庫容５７．６０ 億ｍ３，占黑山峽—海勃灣河段梯級水電站總調節庫容的９７．２％。黑山峽水庫承擔防凌任務，在１１ 月至翌年３月凌汛期內需按照防凌流量穩定下泄，不進行調峰運用［９］ 。黑山峽水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為４．７、３．８、３．６。黑山峽水利樞紐工程建成生效后，７ 月中旬—８ 月下旬因進行大流量泄放沖沙而出力較大，年內豐枯出力比較大。

磧口水利樞紐工程位于黃河北干流中部，工程開發任務以防洪減淤為主，兼顧發電、供水和灌溉等綜合利用，是年調節水庫，調節庫容５．２ 億ｍ３。磧口水庫下泄流量加上磧口—禹門口區間來水，能夠滿足小北干流河段河道外國民經濟用水及河道內生態用水，水庫按發電要求運行。磧口水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．８、２．９、２．２。

古賢水利樞紐工程開發任務以防洪減淤為主，兼顧發電、供水和灌溉等綜合利用，是年調節水庫，調節庫容３４．６１ 億ｍ３。古賢水電站豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為２．９、２．１、１．２。由于古賢水電站調節能力較強，因此調節后汛枯差異減小，豐枯出力比__較小。

小浪底水電站具有年調節能力，相應調節庫容５１億ｍ３，占潼關—花園口河段利用梯級水電站總調節庫容的９９．１％。由于小浪底水電站調節能力強，因此潼關—花園口河段汛枯差異小，其豐水年、平水年、枯水年豐枯出力比分別為３．２、２．７、２．２。

黃河干流主要水電站豐、平、枯典型年出力過程見圖１。

４．２ 風 電

研究區域風電年內出力系數為０．０９ ～０．７３，出力高峰發生在冬季、春季或夏季（出現的月份為１ 月、２月、５ 月或６ 月），出力低谷發生在夏季或秋季（出現的月份為８ 月或１０ 月）。寧木特河段、茨哈峽河段、古賢河段風電年內出力冬春季較大，夏秋季節出力小；龍羊峽河段、劉家峽河段風電年內出力春夏季較大，秋冬季較小；黑山峽河段風電年內出力夏冬季較大，春秋季較小；磧口河段冬季風電出力明顯小于其他３ 個季節；小浪底河段夏季風電出力明顯小于其他３ 個季節。風電日內出力系數為０．２２～０．６０，寧木特河段、茨哈峽河段日內出力峰值出現在１６：００—１７：００、出力低谷出現在０：００—２：００；龍羊峽、劉家峽、古賢、磧口、小浪底河段日內出力峰值出現在２０：００—２３：００、出力低谷出現在８：００—１０：００；黑山峽河段日內出力峰值出現在５：００、出力低谷出現在１７：００。各河段風電出力保證率均不高，平均出力系數為０．３０～０．４８，保證率為３１％～４５％。黃河干流主要水電站周邊地區風電出力特性指標見表１

黃河干流主要水電站所在河段風電年內出力系數分布、日內出力系數分布以及出力保證率曲線分別見圖２～圖４。

４．３ 光 電

研究區域光電年內出力系數為０．１１ ～０．３４，春夏季出力系數較大，秋冬季出力系數較小，出力高峰發生５ 月或７ 月，出力低谷出現在１２ 月或１１ 月。光伏電站日內出力系數為０～０．７９，各月日內出力趨勢一致，一般在１２：００—１４：００ 出力達到峰值，１９：００ 至次日７：００出力為０，晝夜出力變化較大。各河段光電出力保證率均不高、相差不大，平均出力系數為０．２２ ～０．２４，其保證率為３５％～３７％。黃河干流主要水電站所在河段光電出力特性指標見表２。

黃河干流主要水電站所在河段光電年內出力系數分布、日內出力系數分布以及出力保證率曲線分別見圖５～圖７。

５ 結 論

（１）龍羊峽以上河段梯級開發以生態環境保護為主，兼顧發電，經梯級電站聯合運用后，茨哈峽水電站年內豐枯出力比較小；龍羊峽、劉家峽、古賢、小浪底水庫調節能力較強，水電站年內豐枯出力比較小；磧口水庫有一定調節庫容，水庫按發電要求運行，年內豐枯出力比也較小；黑山峽水庫在１１ 月至翌年３ 月凌汛期內進行防凌運用，在７ 月中旬至８ 月下旬進行大流量泄放沖沙，年內豐枯出力比較大；寧木特水庫為龍羊峽以上河段第一座具有調節能力的水庫，調節能力相對較弱，年內豐枯出力比較大。

（２）龍羊峽以上河段、古賢河段夏秋季風力發電站出力較小，龍羊峽、劉家峽河段風力發電站秋冬季出力較小，黑山峽河段春秋季出力較小，磧口河段風力發電站冬季出力較小，小浪底河段風力發電站夏季出力較小、其他季節出力較大；劉家峽及以上河段日內風力發電站出力主要集中在下午和晚上，黑山峽、古賢、小浪底河段風力發電站日內出力主要集中在凌晨和上午，磧口河段風力發電站日內出力主要集中在晚上和凌晨，出力系數峰值為０．５ 左右。各河段風電平均出力系數為０．３０～０．４８、保證率為３１％ ～４５％，其中黑山峽河段保證率最高、茨哈峽河段保證率最低。

（３）各河段光伏電站出力系數春夏季較大，秋冬季較小，晝夜出力變化較大，小浪底河段１２：００—１３：００ 光伏電站出力達到峰值，其他河段１３：００—１４：００ 出力達到峰值，出力系數峰值為０．７０～０．７９。各河段光伏電站平均出力系數為０．２２～０．２５，保證率為３５％～３７％。

參考文獻：

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【責任編輯 簡 群】