趙蘭明，沙志成，董 霜

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南 250013）

抽水蓄能電站不僅是良好的調(diào)峰電源，還能夠承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)相和旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)，給電力系統(tǒng)帶來(lái)可觀的動(dòng)態(tài)效益，包括有效改善火電及其他類型機(jī)組的運(yùn)行條件，延長(zhǎng)火電機(jī)組的使用壽命，減少燃煤機(jī)組的燃料消耗，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量和運(yùn)行安全［1－4］。我國(guó)目前已建成一定規(guī)模的抽水蓄能裝機(jī)容量，但與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，抽水蓄能裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的比例仍偏低。近年來(lái)山東省的夏季峰值負(fù)荷增長(zhǎng)加快，出現(xiàn)了夏季、冬季雙高峰，作為火電大省山東目前主要依靠火電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展山東地區(qū)的電力供應(yīng)峰谷差很可能進(jìn)一步增加，單純依靠火電機(jī)組將無(wú)法勝任調(diào)峰任務(wù)。山東地區(qū)獨(dú)特的自然條件，形成了豐富的抽水蓄能資源，充分發(fā)揮這種優(yōu)勢(shì)發(fā)展抽水蓄能電，對(duì)于山東省的電力供應(yīng)不僅是必要的而且是可行的。本文將分析山東電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和調(diào)峰現(xiàn)狀，根據(jù)典型日尖峰負(fù)荷需求和調(diào)峰容量平衡分析山東電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能電站的需求，并將從電站在山東電網(wǎng)的作用、經(jīng)濟(jì)性以及電源優(yōu)化等多個(gè)角度，對(duì)建設(shè)抽水蓄能電站的必要性進(jìn)行分析論證。

1 電力系統(tǒng)概況

截至2010年底，山東省發(fā)電總裝機(jī)容量62484 MW，居全國(guó)第二位。其中常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組容量58550 MW，占總裝機(jī)容量的93.7%；可再生及余能裝機(jī)容量共2866 MW（包括風(fēng)力發(fā)電1380 MW，生物質(zhì)能發(fā)電180 MW，垃圾發(fā)電128 MW，余熱余壓發(fā)電1159 MW，太陽(yáng)能光伏發(fā)電19 MW），占總裝機(jī)容量的4.59%；另外還有常規(guī)水電67 MW，抽水蓄能1000 MW。在全省的燃煤發(fā)電機(jī)組中，300 MW及以上的大機(jī)組裝機(jī)容量33300 MW，占全省總裝機(jī)的53.3%；接入500 k V系統(tǒng)機(jī)組容量8810 MW，占全省裝機(jī)容量的14.1%，接入220 k V系統(tǒng)機(jī)組容量3585 MW，占全省裝機(jī)容量的57.4%。全省火電機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)為5172 h。

2010年山東全社會(huì)最大負(fù)荷為52100 MW，同比增長(zhǎng)13.26%，其中電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最大負(fù)荷44872 MW，同比增長(zhǎng)14.98%，最大峰谷差13502 MW。根據(jù)山東省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)以及1999年以來(lái)全省用電需求增長(zhǎng)迅猛的實(shí)際情況，采用彈性系數(shù)法、產(chǎn)值單耗法、季節(jié)趨勢(shì)模型、回歸模型等多種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)“十二五”期間山東省全社會(huì)用電量和全省最大負(fù)荷的年均增長(zhǎng)將達(dá)到8.7%和10.1%，到2015年全社會(huì)用電量和全省最大負(fù)荷分別達(dá)到5000億k Wh和82500 MW。“十三五”期間，山東省全社會(huì)用電量和全省最大負(fù)荷年均將增長(zhǎng)5.71%和5.92%，到2020年全社會(huì)用電量和全省最大負(fù)荷將分別達(dá)到6600億k Wh和110000 MW。

2 負(fù)荷特性分析

近年來(lái)山東省電力供應(yīng)的峰谷差矛盾逐步顯現(xiàn)，特別是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，夏季降溫負(fù)荷對(duì)全年最大負(fù)荷的影響逐步加大，夏季峰值負(fù)荷增長(zhǎng)加快，出現(xiàn)了夏季、冬季雙高峰。2001年山東電網(wǎng)夏季最大負(fù)荷與冬季最大負(fù)荷已經(jīng)相差不大；2005—2010年期間除了2009年受極端低溫天氣影響電網(wǎng)最大負(fù)荷出現(xiàn)在冬季外，其余各年電網(wǎng)的最大負(fù)荷都在夏季。

2.1 日負(fù)荷

圖1是山東地區(qū)2006—2010年夏季7月典型日負(fù)荷曲線，圖2是冬季12月典型日負(fù)荷曲線?？梢钥吹剑憾镜湫腿肇?fù)荷雖然逐年上升但趨勢(shì)較為穩(wěn)定；而夏季負(fù)荷的上升幅度雖然受當(dāng)年氣候影響較大，但增加趨勢(shì)更強(qiáng)。

近年來(lái)山東省的重化工發(fā)展較快，高耗能行業(yè)用電比重增加，山東電網(wǎng)年平均日負(fù)荷率逐年增加，見(jiàn)表1?？梢钥吹剑?000年山東電網(wǎng)年平均日負(fù)荷率為0.819，2005年上升到0.847，2007年進(jìn)一步上升到0.863，2008年達(dá)到0.872，雖然2009年回落至0.863，但2010年仍然升到0.872。

表1還列出了山東統(tǒng)調(diào)電網(wǎng)的最小日負(fù)荷率?？梢钥吹剑合募緩纳衔绲酵砩县?fù)荷一直處于較高水平，日負(fù)荷曲線的高峰時(shí)段長(zhǎng)，日最大負(fù)荷不突出，日負(fù)荷率高；而冬季日負(fù)荷曲線高峰時(shí)段較短，發(fā)生在晚上的日最大負(fù)荷突出，日負(fù)荷率低。因此夏季的平均日負(fù)荷率要高于冬季的日負(fù)荷率，夏季最小日負(fù)荷率通常高于冬季，年平均日最小負(fù)荷率一般發(fā)生在冬季。

圖1 夏季典型日負(fù)荷曲線

圖2 冬季典型日負(fù)荷曲線

表1 山東省歷年年平均和最小日負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)

2.2 峰谷差

山東電網(wǎng)的年最大峰谷差一般發(fā)生在冬季高峰期間。“十五”期間，山東電網(wǎng)的最大峰谷差年均增長(zhǎng)12.7%，與同期電網(wǎng)最大負(fù)荷增速基本持平。近幾年隨著高峰負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，年最大峰谷差增長(zhǎng)也較快，2010年最大峰谷差達(dá)到了13502 MW。見(jiàn)表2。今后隨著山東省國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電的持續(xù)增長(zhǎng)，峰谷差可能進(jìn)一步增加，但隨著需求側(cè)管理實(shí)施力度的加大，峰谷差的增速可能有所減小。預(yù)計(jì)2015年電網(wǎng)峰谷差為26600 MW，2020年為36400 MW。

表2 山東統(tǒng)調(diào)電網(wǎng)歷年最大峰谷差統(tǒng)計(jì)表 MW

“十一五”期間，山東電網(wǎng)夏季降溫及冬季采暖負(fù)荷的比重穩(wěn)步上升，季不均衡系數(shù)在94.0%～89.6%之間。2008年季負(fù)荷率為0.942，2010年季負(fù)荷率為0.894，今后隨著降溫及采暖負(fù)荷比重進(jìn)一步增加，季負(fù)荷率還會(huì)有一定下降，預(yù)計(jì)2011—2015年山東電網(wǎng)季負(fù)荷率在0.88～0.87之間，2020年將降到0.86，見(jiàn)表3。

表3 山東電網(wǎng)負(fù)荷及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

山東作為火電大省，目前主要依靠火電機(jī)組的調(diào)整能力進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰。2011—2020年，山東電網(wǎng)新增機(jī)組主要為燃煤和核電機(jī)組。按照并網(wǎng)協(xié)議，所有機(jī)組（包括供熱機(jī)組）的調(diào)峰能力要求達(dá)到機(jī)組額定容量的50%，但是由于供熱、設(shè)備缺陷等原因，全網(wǎng)裝機(jī)綜合調(diào)峰能力實(shí)際上只能達(dá)到機(jī)組額定容量的45%，部分供熱機(jī)組的調(diào)峰能力只有25%。如果按照目前的調(diào)峰手段，山東電網(wǎng)的調(diào)峰，原則要求山東電網(wǎng)火電機(jī)組全部參加調(diào)峰，同時(shí)利用抽水蓄能機(jī)組發(fā)電迎峰、抽水填谷，節(jié)假日或下雨天峰谷差加大時(shí)，安排機(jī)組啟停調(diào)峰。假定抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰能力為200%，常規(guī)火電機(jī)組調(diào)峰能力為45%，供熱燃煤機(jī)組按調(diào)峰能力25%，區(qū)外受電調(diào)峰能力取50%，旋轉(zhuǎn)備用取10%，其中負(fù)荷備用按3%加1臺(tái)大機(jī)組（約5%～6%），事故備用4%～5%（見(jiàn)表4），根據(jù)預(yù)測(cè)2015年山東電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)公用最大負(fù)荷預(yù)計(jì)為72000 MW，電網(wǎng)開機(jī)容量61650 MW，區(qū)外來(lái)電16000 MW，那么全網(wǎng)調(diào)峰容量缺額達(dá)到5544 MW，可以看到，常規(guī)煤電機(jī)組綜合調(diào)峰幅度要求達(dá)到62%。2020年山東電網(wǎng)全網(wǎng)調(diào)峰容量缺額達(dá)到10044 MW，常規(guī)煤電機(jī)組綜合調(diào)峰幅度將高達(dá)到72%。

表42015 年和2020年山東電網(wǎng)調(diào)峰平衡表MW

采用火電機(jī)組承擔(dān)尖峰負(fù)荷，是以經(jīng)濟(jì)損失的代價(jià)換取調(diào)峰的靈活性，調(diào)峰發(fā)電機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)一般為500～2000 h。另一方面，承擔(dān)中間負(fù)荷的大容量機(jī)組，為了平衡電力的供需往往采用兩班制，電力負(fù)荷低谷時(shí)段只能低負(fù)荷運(yùn)行，為了減少電力生產(chǎn)有時(shí)還要靠啟停和壓負(fù)荷，年運(yùn)行2000～4000 h，年利用率為40%～50%，而且機(jī)組運(yùn)行偏離最優(yōu)工況運(yùn)行效率嚴(yán)重下降，經(jīng)濟(jì)性受到很大影響。

3 充分利用本地優(yōu)勢(shì)發(fā)展抽水蓄能技術(shù)

抽水蓄能電站在低谷時(shí)段從電網(wǎng)中獲取電力用于抽水，在高峰時(shí)利用蓄積在高位水庫(kù)中的水推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，反饋給電網(wǎng)，在這樣的一個(gè)過(guò)程中將損耗25%的電量，所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)抽水蓄能本身也許不是一種節(jié)能技術(shù)。但是抽水蓄能電站的運(yùn)行可以改善相當(dāng)數(shù)量的調(diào)峰火電機(jī)組運(yùn)行工況，特別是提高大機(jī)組的發(fā)電效率和年運(yùn)行小時(shí)，得失平衡或得大于失［5］，如果抽水蓄能電站比例合適的話，系統(tǒng)運(yùn)行是節(jié)煤的。抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷的作用，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換，將成本較低的低谷電能轉(zhuǎn)換為峰荷電能，代替發(fā)電成本很高的調(diào)峰火電機(jī)組，起到雙倍調(diào)峰的作用，并能改善火電機(jī)組的運(yùn)行條件，提高火電機(jī)組的設(shè)備利用率。

山東省地形中部突起，為魯中南山地丘陵區(qū)；東部半島大都是起伏和緩的波狀丘陵區(qū)；西部、北部是黃河沖積而成的魯西北平原區(qū)，是華北大平原的一部分。境內(nèi)山地約占陸地總面積的15.5%，丘陵占13.2%，洼地占4.1%，湖沼占4.4%，平原占55%，其他占7.8%，獨(dú)特的自然條件，形成了豐富的抽水蓄能資源。從1987年開始，北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在山東地區(qū)多次進(jìn)行了抽水蓄能電站的規(guī)劃選點(diǎn)工作，通過(guò)對(duì)山東省的抽水蓄能電站資源普查和幾個(gè)主要站址的綜合分析，推薦泰安抽水蓄能電站作為山東電網(wǎng)抽水蓄能電站建設(shè)的第一期工程。泰安抽水蓄能電站于2002年開工，目前已建成投產(chǎn)發(fā)電。2009年7月，為推進(jìn)山東地區(qū)蓄能電站建設(shè)步伐，水規(guī)總院和國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司委托北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院開展了山東省抽水蓄能電站的選點(diǎn)普查與規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，選出了一批條件較好的抽水蓄能站址，選點(diǎn)工作對(duì)可開發(fā)站址進(jìn)行了綜合分析和全面比較，初步推薦文登、沂蒙、萊蕪、海陽(yáng)、泰安二期和濰坊6個(gè)站址作為山東電網(wǎng)抽水蓄能電站規(guī)劃站址，并選擇文登、沂蒙、萊蕪、海陽(yáng)和泰安二期抽水蓄能電站作為近期工程。目前，文登、沂蒙以及泰安二期工程前期工作開展較快，三個(gè)站址區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定條件均較好，具備修建大型抽水蓄能電站的地形地質(zhì)條件，工程區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，地震主要受外圍強(qiáng)震波及的影響，根據(jù)《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖》（1990），地震基本烈度為Ⅶ度。建設(shè)條件較為優(yōu)越，電站所在區(qū)域的巖性以各種花崗巖為主，巖石堅(jiān)硬完整。電站上、下水庫(kù)距離相對(duì)較近，便于工程布置，站址對(duì)外交通較方便，水源也有保證，工程不涉及重大環(huán)境敏感問(wèn)題，根據(jù)地形、地質(zhì)和水源條件，三站址裝機(jī)規(guī)模均可在1200 MW～1800 MW選擇，方案靈活，遠(yuǎn)景適應(yīng)性強(qiáng)。

4 抽水蓄能與發(fā)展新能源和智能電網(wǎng)

抽水蓄能電站是新能源發(fā)展的重要組成部分。通過(guò)配套建設(shè)抽水蓄能電站，可有效減少風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性；可以降低核電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命；還可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

4.1 有利于太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行

截止2010年底，山東省已建成并投入運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)1380 MW。預(yù)計(jì)2015年全省風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到7380 MW，到2020年達(dá)到14380 MW。但風(fēng)能等具有間歇性，大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量均可能產(chǎn)生不利的影響，而且也給電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)度帶來(lái)很大困難，成為目前風(fēng)力發(fā)電進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。充分利用山東省地理優(yōu)勢(shì)發(fā)展抽水蓄能，對(duì)于山東地區(qū)進(jìn)一步利用風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電等至關(guān)重要。

4.2 有利于核電站的高效運(yùn)行

核電站作為一種非碳能源可以減少用能的二氧化碳排放，盡管受福島核電廠事故的影響，目前全球的核電發(fā)展停滯不前，但一旦在安全性方面有了保障，在低碳時(shí)代核電還是一種非常實(shí)用的能源。我國(guó)從來(lái)沒(méi)有放棄核電的發(fā)展，根據(jù)規(guī)劃我國(guó)將繼續(xù)建設(shè)一批核電項(xiàng)目。山東境內(nèi)的海陽(yáng)核電一期2×1250 MW工程已獲核準(zhǔn)，二期工程4×1250 MW已取得路條文件，計(jì)劃2017年全部投產(chǎn)。另外，山東石島灣核電廠和乳山紅石頂核電廠工程正在開展可行性研究，預(yù)計(jì)2020年山東電網(wǎng)核電機(jī)組容量達(dá)到9100 MW。但是核電站的負(fù)荷調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，而且核電站建設(shè)成本高而運(yùn)行費(fèi)用低，一般總是希望始終滿負(fù)荷運(yùn)行，因此在電網(wǎng)中以帶基本負(fù)荷運(yùn)行為主。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)，不能要求核電站降低出力滿足電網(wǎng)平衡的需要，特別是如果核電比例較高這個(gè)問(wèn)題會(huì)比較突出，因此大規(guī)模利用核電同樣離不開大容量蓄能技術(shù)，建設(shè)抽水蓄能電站同樣是促進(jìn)核電發(fā)展的重要措施。

4.3 有利于我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司正在推進(jìn)“一特四大”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，即以大型能源基地為依托，建設(shè)由1000 k V交流和±800 k V直流構(gòu)成的特高壓電網(wǎng)，形成電力“高速公路”，促進(jìn)大煤電、大水電、大核電、大型可再生能源基地的集約化開發(fā)，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。根據(jù)國(guó)家特高壓電網(wǎng)建設(shè)和電源基地開發(fā)情況，2013年山東電網(wǎng)建成濟(jì)南和濰坊2個(gè)特高壓交流工程，屆時(shí)，山東電網(wǎng)將通過(guò)交流特高壓與華北、華中和華東實(shí)現(xiàn)直接同步聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，將以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，發(fā)展以信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的自主創(chuàng)新、國(guó)際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。特高壓交流輸電系統(tǒng)的無(wú)功平衡和電壓控制問(wèn)題比超高壓交流輸電系統(tǒng)更為突出。利用大型抽水蓄能電站的有功功率、無(wú)功功率雙向、平穩(wěn)、快捷的調(diào)節(jié)特性，承擔(dān)特高壓電力網(wǎng)的無(wú)功平衡和改善無(wú)功調(diào)節(jié)特性，對(duì)電力系統(tǒng)可起到非常重要的無(wú)功／電壓動(dòng)態(tài)支撐作用，是一項(xiàng)比較安全又經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站，對(duì)電力系統(tǒng)特別是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著山東省社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)電力電量的需求也迅速增加，對(duì)供電質(zhì)量提出了更高的要求；與此同時(shí)山東電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差日益加大，調(diào)峰問(wèn)題越來(lái)越突出。興建一定規(guī)模的抽水調(diào)峰電站，可以優(yōu)化山東電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)，滿足電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。抽水蓄能電站機(jī)組具有靈活的調(diào)峰、調(diào)頻能力，可以減少火電機(jī)組的調(diào)峰壓力，提高火電機(jī)組的運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組的整體煤耗，減少CO2溫室氣體排放具有十分重要的意義。

山東省抽水蓄能資源豐富，建設(shè)條件好，并且單位裝機(jī)容量投資低于燃煤火電，運(yùn)行費(fèi)用也低，建設(shè)抽水蓄能電站可節(jié)省山東省電力系統(tǒng)建設(shè)投資和年運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性較好。對(duì)山東電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，2015—2020年間建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站是必要的，建議盡早開展推薦站址的前期勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。

［1］ 朱方亮，郭大軍.海南抽水蓄能電站建設(shè)的必要性及選點(diǎn)規(guī)劃［J］.水力發(fā)電，2010，36（7）：9-11.

［2］ 林章歲，李儀峰，劉 峻.福建電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站的必要性論證［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（14）：53-53.

［3］ 林 杰，孔建榮.廣西建設(shè)抽水蓄能電站必要性和經(jīng)濟(jì)性探討［J］.紅水河，2008，27（4）：4-7.

［4］ 陳 政，王 巍，鐘 勝，等.河南電網(wǎng)天池抽水蓄能電站建設(shè)必要性分析［J］.中國(guó)電力，2009，42（9）：20-25.

［5］ 張 娜，董化宏，何學(xué)銘.我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)必要性和前景［J］.中國(guó)三峽，2011，39（11）：16-20.