“水光多能互補”清潔能源創新發展管理

來源: 時間:2018-11-02

國家電投集團貴州金元股份有限公司象鼻嶺水力發電總廠(簡稱象鼻嶺水電廠),于2015年12月14日成立,負責管理象鼻嶺水電站和象鼻嶺水光互補農業光伏電站。象鼻嶺水電站位于貴州省威寧縣與云南省會澤縣交界處的牛欄江上,水電站壩址多年平均流量128立方米/秒,水庫正常蓄水位1405米,死水位1370米,設計總庫容2.63億立方米,調節庫容1.68億立方米,裝機容量2×120兆瓦,電站以I回220千伏線路接入威寧220千伏變電站,年發電量9.3億千瓦時。象鼻嶺光伏電站利用水電站附近荒地進行建設,依托水電站線路進行送出,一期裝機規模48兆瓦,采用集散式結構,選用290兆帕單晶硅電池板,占地面積1860余畝,年發電量0.63億千瓦時。象鼻嶺光伏電站于2017年6月建成并網發電,水電站于同年8月建成并網發電,實現了貴州省首個“水光互補”項目的順利投產。

“水光多能互補”清潔能源創新發展的內涵和做法

“水光多能互補”清潔能源創新發展的內涵:將水電長周期建設和光伏短周期建設相結合,利用水電先行建設的場地、資金和送出優勢,結合地處云貴交界的氣候和地域優勢,依托國家發展新能源的電價補貼政策,依靠國家電投、貴州金元及政府支持,借助“水光互補”的科學調度,實現水電與光伏的協同建設,創新清潔能源發展的模式,達到促進企業健康發展的任務目標。

這項創新管理有四大特點:一是模式創新,實現了貴州省首個“水光多能互補”項目的建成;二是決策科學,按照工程建設的客觀規律,實現了水電和光伏的協調建設和按期投產;三是技術領先,利用水電和光伏的互補特性,優化調度、減少棄光、增加效益;四是財務優化,通過成本控制和資金優化,實現了水電和光伏互補運行的盈利。

領導班子決策,明確目標和分工

為了建成“水光多能互補”項目,2016年初象鼻嶺水電廠領導班子開展了“頭腦風暴”,全面、審慎、積極地分析各方面的問題和條件。

首先,分析象鼻嶺水電站區域光伏開發的便利條件,一是可充分利用水電站已征地的施工生活區土地和水電站220千伏送出線路的容量富裕,共用控制室和出線通道降低工程造價;二是對水電站周邊光伏開發具備良好的管理優勢,最大限度地節約管理成本,降低運行費用;三是將光伏資源和水電資源整合為一個電源,不僅優化了光伏電站的電能質量,還為探索“水光互補”的運行模式積累了經驗。

其次,分析象鼻嶺水電站區域光伏開發的政策條件,一是符合國家對新能源開發的大政策,可獲取較高的電價;二是國家電投集團目前在光伏開發上態度積極,使項目立項和推進更加容易;三是符合貴州省及威寧縣的發展需要,通過投資帶動項目區域的群眾脫貧致富。

最后,分析象鼻嶺水電站區域光伏開發的經濟效益,根據該地區的總輻射年均值約5000 兆焦/平方米,判斷光伏電站的利用小時數可達到1100小時,滿足投資開發的收益需求,在象鼻嶺進行“水光多能互補”項目開發是切實可行的。

經過認真討論研究后,象鼻嶺水電廠決定由廠長和黨總支書記分別負責牽頭光伏和水電的相關工作,并明確2016年底前光伏項目立項,2017年6月30日前實現光伏電站投產發電,同年水電站“雙投”,象鼻嶺“水光多能互補”項目建成。

用好用活新能源政策,加快光伏項目立項

在貴州省、國家電投、貴州金元和威寧縣大力發展新能源項目的政策支持下,經前期測光并進行光資源評估后,擬利用水電站施工區已征用土地和租用水電站周邊土地建設48兆瓦農業光伏電站。項目采用“水光農”互補開發模式,具有光伏、水電出力協調互補和土地綜合利用的特點,同時利用項目土地進行農業開發,解決當地百姓就業問題。

由于資源豐富,且項目“水光農”的概念獨特,都屬于清潔能源項目,加上農業項目的實施能有效助推當地農戶脫貧致富。因此該項目從可研階段就得到各級政府和能源局、電網公司的大力支持,從立項到取得備案,僅耗時3個月,充分體現了項目的“生命力”優勢。

做好項目管理,確保如期投產

要實現“水光多能互補”就得分別建設好水電和光伏兩個電站,其中水電是基礎,光伏是發展(見圖1)。

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做好水電站長周期建設安全和質量管控。象鼻嶺水電站是“十二五”至“十三五”期間,貴州省開工建設的最大水電站工程,庫容和裝機都是貴州金元水電板塊的翹楚,大壩和地下廠房都是目前貴州省同類型規模最大的工程。在漫長的建設期內,通過以下幾方面做好工程的安全和質量管控:

一是長周期中嚴控安全。象鼻嶺的工程安全管理十分困難,水電站周邊地質條件十分復雜。自進場以來,一直飽受自然災害困擾,其中2014~2016年均有相當規模的泥石流和水毀事件發生,期間還經歷過兩次大地震。施工現場交通條件復雜,213國道穿越現場,聯絡兩岸的多條民用道路橫跨整個施工區域;電站地質條件復雜,是貴州少見的玄武巖地貌,施工區域內溝壑縱橫,崩塌體比比皆是,雨季常常形成中小規模的泥石流。面對困難,象鼻嶺水電站在6年多的建設歷程中,通過強化安全意識、嚴格安全管理等手段,一直保持著工程“零死亡”的記錄。

二是充分相信和依靠地方政府。象鼻嶺水電站位于云貴交界的牛欄江上,周邊漢、彝、苗、回等多民族雜處,民情復雜、民風彪悍,征地移民、工程建設等工作阻力大。通過兩地政府的協調,工程得以順利開展。

三是依靠建管處和監理,加強質量監督。水電站采用碾壓混凝土拱壩的壩型方案,較其他方案可以節約近1/3的投資,效益顯著的同時,工程建設的難度也大幅度增加。

首先碾壓混凝土拱壩的溫控要求極高,需實時監控壩體溫度;其次雙曲碾壓混凝土拱壩,縱向、豎向均是雙曲線構造,確保施工進度的同時,保持優美外形牽涉到的放線工藝、模板工藝等需要進行開創性工作。通過建管處和監理協同管理,各參建單位從細節入手,嚴把驗收關。

四是水電廠作為業主,不等不靠、自己動手。因機電設備大多為業主自行采購,且電廠人員經過前期的生產準備,形成了一支敢打硬仗的運行和調試隊伍,為工程的順利投產奠定了堅實的基礎。

做好光伏電站短周期質量和進度管控。光伏電站的建設相比其他工程建設項目而言,其投資金額大、建設周期短的獨特性使得電站的建設管理難度加大,安全、質量、進度和成本是工程實施過程中需要控制的幾個方面。

施工進度控制方面,由于光伏項目建設期只有幾個月,施工進度的控制尤為重要,進度的控制主要是根據工期總目標的要求,督促施工單位按周報送每周應完成施工進度計劃,并將進度計劃分為里程碑、橫道圖和網絡圖計劃。

工程質量控制方面,質量控制是各項工作的重中之重,是項目在存續期間內實現營業利潤的保證,質量控制重點抓好以下幾個環節:質量控制要從源頭上抓起,即從基礎工程開始施工就嚴格控制,對樁的軸線、距離及樁的標高進行認真復核。重點控制鋼支架的垂直度、鋼支架與埋件連接的牢固度;接地主要是埋深度、焊接焊縫的飽滿度的要求;匯流箱的安裝不但要控制接線的規范要求,還要控制標高的一致性和支架牢固性。要求監理單位根據合同內容及相關規范寫出監理規劃、專業監理工程師對整個工程寫出監理實施細則,對重要分部工程要有專項監理實施細則;責令施工單位撰寫符合實際的施工組織總設計、重點和關鍵部位要有專項施工方案。資料的收集保管要貫穿施工過程的始終,重點是采用的標準和資料的完整性。驗收工作以升壓站、箱變、電纜溝道、土建為分部工程進行驗收,確保每一單項子工程質量合格、優良,進而保證分部工程和整體工程的質量合格、優良。

施工安全控制方面,項目堅決貫徹“安全第一,預防為主”的安全方針。認真學習,貫徹國家、行業、集團公司各項法律、法規及管理制度,要求監理單位、施工單位、勞務分包單位組織安全學習,樹立安全意識,掌握安全技能,嚴格按照操作規程,特殊工種作業人員必須持證上崗,危險性較大的作業要有專項安全施工方案。重點抓好交通安全、工程機械安全。

資金的使用控制方面,在簽訂EPC總承包合同時,明確了總承包單位需墊資半年,有效地解決了建設資金來源的問題。光伏電站建設的管理還涉及到地勘、設計、監理、施工、廠家、當地居民、有關政府部門等方方面面的關系協調和處理,需要投入更多的人力、物力和財力。

開展“水光互補”運行研究

象鼻嶺“水光多能互補”項目建成后,實現“水光互補”運行成為項目能否見效的關鍵,通過前期的“水光互補”運行研究,積累了大量的經驗,同時借鑒其他公司 “水光互補”項目的先進經驗,實現了項目的科學和高效運行(見圖2)。

 

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主要研究內容。一是“水光互補”自動運行控制技術研究。根據水電和光伏電站的運行特點,研究水電光伏自動發電控制(AGC)和自動電壓控制(AVC)的控制模式、負荷優化分配策略及保護閉鎖邏輯。研究在水光協調互補運行模式下,滿足電網發電要求,以最大限度利用太陽能、減少棄水和棄光為目標的光伏與水電AGC、AVC的聯合控制模型和控制策略。

二是“水光互補”經濟運行發電計劃研究。通過收集和分析區域地理、氣候、水文、氣象等歷史信息,分析光伏、水電能源特性和運行情況研究項目中光伏、水電能源的互補特性。建立相應的水光聯合調度模型,在滿足電網安全穩定運行情況下,充分利用清潔能源,減少棄光、棄水。

根據光伏區的氣象信息和發電歷史信息,分析研究光伏功率預測的準確性,研究逆變器光伏發電功率因數控制、有功功率和無功功率控制;研究“水光互補”聯合運行特性,水電站對光伏電站出力變化的補償能力,主要是不同季節、天氣時的補償程度等;分析評價水電機組在光伏隨機波動和突變時的跟隨互補性能,主要是天氣變化導致光伏出力突變時水電機組的調節速率、互補效果;研究“水光互補”疊加出力的電能質量,評價水電對光伏出力電能質量提升的作用;研究發電效益最大化的“水光互補”運行方案。

創新點。一是研究一種高效可靠的水光聯合發電控制模型,利用水電機組的連續可調節特性,平抑光伏發電出力,保持新能源區域發電系統功率的穩定輸出,提高電網電能質量,減少對電網的沖擊。二是通過該研究,在電網調度層面,充分利用區域水、光互補協調,實現聯合調度技術及運行管理,提高清潔能源有效利用率。三是將光伏、水電兩種不同類型的電源整合為一個電源,通過水輪發電機組的快速響應能力和水電站水庫調節能力,彌補光伏發電不穩定、出力變化大的缺點,使疊加出力平滑、穩定,減少電力系統為吸納獨立光伏電站發電所需的旋轉備用容量,提高電力系統的安全性和穩定性。

研究方法和實施方案。一是記錄運行期的各種氣象數據;記錄春夏秋冬四季、晴雨多云等天氣,以及晝夜等不同條件下的光伏電站運行數據;記錄豐、平、枯水年,不同時節水電站的運行數據。二是對光伏電站、水電站記錄數據進行整理,得出不同時間、氣象條件下光伏和水電站的運行特性。三是根據光伏、水電站運行特性,研究分析適合于本項目的聯合運行調度方案。四是開發“水光互補”協調運行控制軟件,實現“水光互補”協調運行AGC控制、AVC控制及水量平衡控制。

研究成果。“水光互補”分析:基于水光聯合出力不大于240兆瓦,在除豐水年7~9月象鼻嶺水電站無調節性能存在棄光或者棄水的可能外,其他時段和水文年情況下,象鼻嶺水電站與光伏電站聯合運行均具有良好的互補能力。

送出線路輸送能力分析:在光伏電站接入后,豐水年7~9月電站送出線路最大輸送功率不超過300兆瓦;其余時節,電站送出線路最大輸送功率不超過240兆瓦,均低于電網調度允許的線路最大輸送容量370兆瓦。光伏接入后,象鼻嶺—威寧220千伏送出線路可以滿足水電及光伏全額送出的要求。

象鼻嶺水電站裝機240兆瓦,多年平均電量約9.3億千瓦時,象鼻嶺—威寧線路年利用小時約3875小時。光伏電站年發電量約0.63億千瓦時,與象鼻嶺水電站打捆送出后,象鼻嶺—威寧線路年利用小時提高至約4175小時。

算好經濟賬,確保經濟效益

“水光多能互補”不僅僅是運行方式上的互補,從財務角度來說,更是體現了投資短期與長期的互補、現金流和利潤的互補。

短期投資與長期投資的互補。水電站的建設是一個長期過程,其投資回報也是一個長期過程,基本上水電站投產后幾年都處于虧損狀態,隨著經營年限的增加,固定資產折舊及財務費用減少后,盈利能力逐漸增強。光伏電站屬于短周期項目,一般建設期都在6個月內,投產當年即可實現盈利,但隨著經營年限增加,發電量及電價補貼下降,盈利能力逐漸降低。利用水電和光伏這一前一后的特性,以及象鼻嶺水電廠統一管理的模式,可將部分運營成本先計入光伏電站,實現水電和光伏的雙盈利,待水電度過財務成本高峰期后,反過來彌補光伏前期的成本支出,達到兩個項目的盈利合理性。

現金流和利潤的互補。水電站年發電量9.3億千瓦時,按0.2924元/千瓦時計,可產生2.72億元的現金,但由于固定資產折舊較高,導致利潤較低甚至虧損。光伏電站年發電量0.63億千瓦時,按0.86元/千瓦時計,可產生0.54億元的收入,但由于國家補貼滯后,實際回收現金只有0.22億元,支付財務費用和運營成本后,實際現金流短缺,但賬面盈利能力強。象鼻嶺“水光互補”項目通過分析這一互補特性,有效運用財務手段,減少了財務費用,利用水電強大的現金流,支持后續新能源項目的建設,同時得益于光伏項目的盈利能力,實現了水電項目投產即盈利的目標。

實施效果

貴州首個“水光多能互補”項目建成。自2017年2月13日象鼻嶺光伏電站全面開工建設以來,首個方陣于2017年6月17日并網發電,6月30日實現全容量(48兆瓦)并網,用了不到5個月的時間。2017年4月26日象鼻嶺水電站開始下閘蓄水,同年8月15日2號機組(120兆瓦)通過72小時試運,8月18日1號機組(120兆瓦)通過72小時試運,標志著貴州首個“水光多能互補”項目(288兆瓦)全部建成投產。下一步,象鼻嶺水電廠將建設15兆瓦分散式風電場,屆時將會形成全國首個“風光水多能互補”項目。

取得了顯著的經濟效益。象鼻嶺“水光多能互補”項目利用已有的象鼻嶺—威寧220千伏送出線路,水光互補后線路年利用小時將由3875小時提高至約4175小時。通過“水光互補”聯合調度,使光伏發電效益最大化。2017年象鼻嶺水電站發電2.7億千瓦時,光伏電站發電0.34億千瓦時,創造產值9891萬元,產生效益1010萬元,其中象鼻嶺光伏電站盈利1289萬元,象鼻嶺水電站虧損279萬元。

此項工作通過管理創新,產生直接效益:1010萬元。

取得了顯著的社會效益。一是象鼻嶺“水光多能互補”項目的建成,有利于落實我國大力發展清潔能源的戰略部署,符合國家發改委、國家能源局《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》的要求,具有良好的示范效應。二是象鼻嶺“水光多能互補”項目的建成,是貴州金元踐行“綠色發展、清潔發展”的成果,為貴州金元優化結構、轉型升級、扭虧脫困創立的新的模式,同時也為貴州清潔能源開發總結了經驗、開創了先河。三是象鼻嶺“水光多能互補”項目的建成,帶動了地方經濟的發展,項目總投資30億元,通過移民搬遷、交通還建、工程外包、勞務用工等方式,帶動當地人民脫貧致富。

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