黑山峽水利樞紐對水風光互補基地的作用研究

翟 鑫，楊程皓，高冉冉

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概 述

黑山峽水利樞紐位于黃河上游水電基地的下端，在黃河治理開發保護中具有承上啟下的戰略地位。根據《“十四五”現代能源體系規劃》[1]，黑山峽附近區域為國家重點開發的黃河“幾字彎”多能互補基地，隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略的深入實施，附近區域風電、光伏的開發進程將加快；但由于風電、光伏發電出力的不確定性，風光電大規模并網后西北電網棄電現象嚴重，迫切需要增強電網調節能力。建設黃河黑山峽水利樞紐，不僅可提供裝機容量2 600 MW的可調節電源，而且通過水庫的反調節作用可保障上游梯級水電站按照水風光互補基地要求的最優發電方式運行；同時可促進附近地區的抽水蓄能電站建設，進一步增強電網的調節能力，構建水風光清潔能源互補基地。以往研究僅主要針對黑山峽河段水能資源開發規模、附近地區風光資源分布等進行，本文從構建水風光互補基地的角度，分析黑山峽水利樞紐的重要作用。

2 西北電網現狀及發展規劃

2.1 電網現狀

陜甘青寧電網為全國六大跨省電網之一，東西直線長約1 400 km，南北寬度約900 km，西安、蘭州、西寧、銀川等地區是電網的負荷中心和電網核心。截至2020年底，電網總裝機容量180 544 MW，其中水電24 698 MW、火電81 193 MW、風電36 335 MW、太陽能38 318 MW，水電、火電、風電及太陽能所占比例分別為13.7%、45.0%、20.1%、21.2%，新能源裝機容量占比已超過40%。2020年，陜甘青寧四省(區)全社會用電量4 702.2億kW·h，其中陜、甘、青、寧用電量分別為1 546.3、1 375.7、742.0、1 038.2億kW·h，最高用電負荷分別為28 400、17 310、10 440、13 910 MW。

陜甘青寧電網主網運行電壓為750、330、220 kV，作為一個整體，多年來形成了多種能源互補運行、省際間電力電量互相備用、相互調劑的格局，在陜甘青寧四省(區)經濟建設方面發揮了重要作用。西北電網還與華北(山東)、四川(德陽)、青藏聯網。

陜甘青寧電網存在的主要問題是：局部地區主網架薄弱，送受電能力較差，不能滿足地區電源發展需要；局部地區新能源裝機規模大，電網調峰困難，影響新能源消納，造成新能源棄電。

2.2 發展規劃

根據《電力發展“十三五”規劃(2016—2020年)》[2]成果，西北地區經濟發展將以能源化工、裝備制造、高新技術為重點，保持相對較高的速度增長。以“十三五”規劃的2020年電力規劃成果為基礎，考慮到經濟增長的實際情況，按經濟增長率5%、3%左右，對2025年和2030年的負荷及電量進行預測。預測2030年陜甘青寧電網最高負荷為118 420 MW，需電量為7 468億kW·h?？紤]陜甘青寧電網區內負荷及向華北、四川、西藏聯網送電要求，最大負荷為123 920 MW。

西北電網電源建設的思路是積極發展水電，加快煤電轉型升級，促進清潔能源有序發展，提高風光電就近消納能力，推進可再生能源跨省區消納。根據“西電東送”需要，國家電力發展“十三五”規劃提出，“十三五”期間西北地區重點加大電力外送和可再生能源消納能力，適時推進陜北(神府、延安)電力外送通道建設。結合受端市場情況，積極推進新疆、呼盟、蒙西(包頭、阿拉善、烏蘭察布)、隴(東)彬(長)、青海等地區電力外送通道論證。

3 黃河“幾字彎”清潔能源基地及開發需求

西北地區風電和太陽能等資源豐富，而且開發利用方便，截至2021年底，西北電網新能源發電裝機容量達到84 730 MW，其中風電41 040 MW、太陽能發電43 690 MW。在文獻[3]中明確提出要建設黃河“幾字彎”清潔能源基地。黑山峽附近地區風光資源較為豐富，具有建設大規模風電、光伏電的條件，是黃河“幾字彎”清潔能源基地的重要組成部分。

黑山峽附近的甘肅省白銀市位居騰格里沙漠與黃土高原的過渡地帶，最高海拔3 321 m，最低海拔1 276 m，地勢呈西南高、東北低；寧夏中衛市地貌類型有黃河沖積平原、臺地、沙漠、山地與丘陵五種類型，地勢西南高、東北低。該區域日照充足，氣候干旱，年日照小時數約2 200 h，年輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2之間，屬太陽能資源的Ⅰ類區；風功率在100～150 W/m2之間，屬風能資源的Ⅲ類區；風能、光能資源豐富，植被條件差，大部分屬荒山、荒坡、荒地，適宜建設大型風電和光電項目[4]。根據兩岸的地形地貌條件，初步估算黑山峽河段沿黃兩岸附近區域風光能源基地裝機規模約44 500 MW。

由于風電、光伏電站的發電出力主要取決于天氣和氣候因素，對于該區域光伏電站，夏季(冬季)天氣晴朗時一般每天早晨的6∶00—7∶00(8∶00—9∶00)開始發電，中午12∶00—13∶00達到高峰，晚上19∶00—20∶00(17∶00—18∶00)左右停止發電；遇到氣候發生變化時，云層分布的變化也對其發電出力造成影響[5]。對于風電，主要受到風力變化的影響，且發電出力隨風力變化，具有隨機性、波動性、間歇性和不可控性，且當風速小于3 m/s或大于25 m/s時風電機組停機不能發電。

由于風電、光伏發電出力過程具有不確定性，不能適應電力系統負荷需求，若沒有相應的配套措施，其大規模上網將影響電力系統的穩定、安全運行。受電網安全運行的制約，目前風電、光伏電站不同程度存在棄風、棄光現象，造成大量的清潔能源浪費。

為此，文獻[1]提出要提高電力系統互補互濟和智能調節能力，加強源網荷儲銜接，提升清潔能源消納和存儲能力。

4 黃河上游梯級電站運行存在的問題

黃河龍羊峽～青銅峽河段(以下簡稱龍～青段)為全國十二大水電基地，在保障西北電網供電安全、促進區域新能源消納方面具有重要地位。該河段規劃水利水電樞紐24座，總裝機容量17 428 MW，多年平均發電量607.2億kW·h，其中21座分布在黑山峽河段以上，其電站總裝機容量和多年平均發電量分別占24座總量的85.9%和83.9%。

目前龍～青段已建、在建水利水電樞紐20座，有18座位于黑山峽河段以上，其電站總裝機容量和多年平均發電量分別為14 530 MW和490.6億kW·h，分別占20座總量的97%和96.1%[6]。該河段梯級電站可以為西北電網和西電東送提供大量的優質電能，電網需要這些水電樞紐按發電最優的方式運行：即水庫能夠盡量維持較高水位，提高發電水頭，增加梯級發電量；梯級水庫聯合調節，攔蓄豐水期水量，增加枯水期發電流量，提高梯級電站保證出力；各月、日之間的發電量盡量保持均勻，以便于電網的調度安排，充分發揮電站的電力、電量和調峰容量作用，得到最大的發電效益。

目前龍羊峽、劉家峽等水電站的發電出力年內變化較大，在寧蒙地區工農業用水高峰期發電出力大，有些月份電站下泄流量大于電站最大發電流量而產生強迫棄水；在寧蒙河段防凌運用期間發電出力嚴重下降，現狀運用方式時梯級保證出力約為3 900 MW。

若龍羊峽、劉家峽水庫按調水調沙要求在汛期大流量下泄時，不僅梯級水庫蓄水困難，水庫運行水位長期偏低，而且梯級電站將產生發電棄水現象，嚴重影響梯級發電量；同時凌汛期出力將更小，更增加了梯級出力的不均勻性；估算保證出力將下降至2 610 MW左右，將嚴重影響梯級電站發電容量效益，增加了電網的調峰困難。

5 黑山峽水利樞紐的作用

黑山峽水利樞紐工程是黃河水沙調控體系的七大骨干工程之一，開發任務為調節水沙、防凌(洪)、南水北調西線工程水量調節與供水、發電及改善生態等綜合利用。水庫正常蓄水位1 380 m，死水位1 330 m，汛期限制水位1 365 m；正常蓄水位以下原始庫容114.8億m3，淤積50 a長期調節庫容67.4億m3。工程的功能和作用：調節水沙，增強全河的水沙調控能力；防凌防洪，增強寧蒙河段防洪保安能力；有效調配西線來水，保障附近區域城鄉和能源基地新增用水需求；開發水電，促進多能互補清潔能源基地建設；保障附近區域生態環境用水，改善區域生態環境[7]。黑山峽水利樞紐工程在促進多能互補清潔能源基地開發的作用主要體現在以下方面：

5.1 促進“幾字彎”清潔能源基地建設

大力開發黃河“幾字彎”清潔能源基地的風電、光伏等新能源，是合理調整電源結構的需要，是我國能源發展戰略的重要組成部分。新能源發電具有隨機性、波動性和間歇性的特點，若電力系統調節能力不能適應新能源發電變化的需要，新能源投入運用將給電網安全運行帶來很大的沖擊，在該情況下預計未來新能源棄風、棄光的現象將會大面積出現。水電站具有啟停靈活、響應負荷變化速度快的特點，由水電站承擔電力系統調峰任務，不僅可改善火電機組的運行條件，減少火電機組的調峰幅度，降低發電煤耗，從而使水、火電機組得到優化配置，大量節省電力系統的運行費用，而且可以根據電力系統負荷要求對新能源發電出力過程進行補償，有利于新能源電站的開發和有效利用。

按照黑山峽水利樞紐工程開發方案，電站裝機容量約為2 600 MW[7]，其本身可向系統提供2 600 MW調峰容量，可增加約2 800 MW新能源裝機；再考慮增加上游其他梯級水電站的保證出力和調峰能力的作用，利用黑山峽水庫及周邊地形建設抽水蓄能電站，將更有利于促進西北地區“幾字彎”新能源基地的擴大發展。根據有關初步規劃，黑山峽河段附近地區規劃水風光儲多能互補基地總裝機容量約為61 900 MW，其中風光總裝機容量約為44 500 MW，抽水蓄能電站裝機容量約為14 800 MW[7]。

5.2 支撐“西電東送”戰略實施

目前規劃的西北電網西電東送工程主要是水火電打捆外送，水電火電配比1∶1。未來西電東送的主要電源將主要依靠水風光儲清潔能源基地。根據文獻[8]，規劃2030年建設風光基地總裝機容量約為455 GW，其中“十四五”和“十五五”規劃建設風光基地總裝機容量分別約為200、255 GW，外送分別為150、165 GW。根據特高壓直流外送研究，外送通道的新能源電量占比要達到50%以上。

黑山峽水電站工程位于甘肅、寧夏的交界處，其工程建成后，可與西北電網的其他大型水電站配合，形成“西電東送”的骨干電源，在開發河段自身水能資源、提供保證出力和發電量的基礎上，還可增加上游其他水電梯級的保證出力和發電量；有利于充分發揮上游水電基地在水風光儲多能互補清潔能源基地的作用，有利于保障西電東送的電力供應；且結合黑山峽電站的送出工程，可形成“西電東送”骨干網絡，對實現“西電東送”非常有利。

5.3 保障西北電網安全運行

從西北電網電力長遠發展要求分析，為了滿足電網的電力、電量和調峰容量需要，充分發揮火電的優勢，配合風電安全穩定運行，保障電網的供電安全，需要上游水電站擔任調峰任務。開發建設黑山峽水庫，按照流域綜合規劃賦予的寧蒙河段防凌、調節水沙、工農業供水功能定位運用，可使黑山峽河段以上梯級電站的發電制約條件得到釋放，可增加上游梯級電站的保證出力和發電量(初步估算南水北調生效以前黑山峽可增加上游梯級電站保證出力1 296 MW，增加發電量14.3億kW·h)；同時黑山峽河段水能資源得到開發，可為西北電網提供2 600 MW的裝機容量和72.26億kW·h的電量。黑山峽河段的開發，將大幅度增加上游水電基地的調峰能力，在解決西北電網調峰矛盾、保障電網安全穩定經濟運行方面具有極為重要的作用。

5.4 減少碳排放對大氣污染的作用

文獻[3]提出，落實2030年應對氣候變化國家自主貢獻目標，制定2030年前碳排放達峰行動方案；錨定努力爭取2060年前實現碳中和，采取更加有力的政策和措施。實現“雙碳”目標，要加快推動清潔能源大規模開發和電能廣泛使用，全方位減少煤、油、氣消費，實現能源生產清潔主導、能源消費電能主導的“雙主導”以及能源電力發展與碳脫鉤、經濟社會發展與碳排放脫鉤的“雙脫鉤”新格局。根據《中國2060年前碳中和研究報告》[9]數據，碳中和實現路徑要求減排二氧化碳109億t，其中能源活動需減排87億t，占總減排量的80%；能源活動中電力生產需減排38億t，占能源生產減排量的44%。

水力發電作為一種可再生的清潔能源，與火電相比，在生產過程中不耗費煤炭等一次能源。用水電替代火電，可有效降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等大氣污染物排放量，促進空氣質量好轉。黑山峽工程水電裝機容量可達2 600 MW，多年平均發電量72.26億kW·h。每年可減少煤炭消費223萬t，折合原煤312萬t，減少二氧化碳排放量545萬t，減少二氧化硫排放量1.64萬t，減少氮氧化物排放量1.64萬t，減少煙塵排放量0.30萬t?？紤]工程建成后帶動風電、光伏等新能源發電增加，則大氣污染防治效果將更為顯著。

6 結 語

(1)西北電網目前雖然水電比重較大，但受到綜合利用要求的制約，電網調節能力不足，新能源棄電問題突出，亟需進一步加強調節能力強的電源建設。

(2)黑山峽工程附近地區是國家規劃的幾字彎多能互補清潔能源基地，隨著雙碳戰略的實施和新能源開發進程加快，對電網調節能力的要求越來越高。

(3)建設黑山峽工程，在滿足寧蒙河段防凌(包括防洪)、減淤、生態建設、工農業供水等綜合利用要求的前提下，可充分發揮上游梯級電站發電效益，并且開發黑山峽河段水電資源，可支撐水風光互補新能源基地建設，在促進新能源的開發利用、支撐“西電東送”戰略實施、保障西北電網安全運行、減少大氣污染等方面也具有十分重要的作用。