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“水光多能互补”清洁能源创新发展管理
2018-11-01 15:07  · 来源:中国电力企业管理  · 作者:黄鹤 秦岭等  · 责编:刘文颖

  国家电投集团贵州金元股份有限公司象鼻岭水力发电总厂(简称象鼻岭水电厂),于2015年12月14日成立,负责管理象鼻岭水电站和象鼻岭水光互补农业光伏电站。象鼻岭水电站位于贵州省威宁县与云南省会泽县交界处的牛栏江上,水电站坝址多年平均流量128立方米/秒,水库正常蓄水位1405米,死水位1370米,设计总库容2.63亿立方米,调节库容1.68亿立方米,装机容量2×120兆瓦,电站以I回220千伏线路接入威宁220千伏变电站,年发电量9.3亿千瓦时。象鼻岭光伏电站利用水电站附近荒地进行建设,依托水电站线路进行送出,一期装机规模48兆瓦,采用集散式结构,选用290兆帕单晶硅电池板,占地面积1860余亩,年发电量0.63亿千瓦时。象鼻岭光伏电站于2017年6月建成并网发电,水电站于同年8月建成并网发电,实现了贵州省首个“水光互补”项目的顺利投产。

  (来源:微信公众号“中国电力企业管理”ID:zgdlqygl  作者:黄鹤 秦岭等) 

  “水光多能互补清洁能源创新发展的内涵和做法 

  “水光多能互补”清洁能源创新发展的内涵:将水电长周期建设和光伏短周期建设相结合,利用水电先行建设的场地、资金和送出优势,结合地处云贵交界的气候和地域优势,依托国家发展新能源的电价补贴政策,依靠国家电投、贵州金元及政府支持,借助“水光互补”的科学调度,实现水电与光伏的协同建设,创新清洁能源发展的模式,达到促进企业健康发展的任务目标。

  这项创新管理有四大特点:一是模式创新,实现了贵州省首个“水光多能互补”项目的建成;二是决策科学,按照工程建设的客观规律,实现了水电和光伏的协调建设和按期投产;三是技术领先,利用水电和光伏的互补特性,优化调度、减少弃光、增加效益;四是财务优化,通过成本控制和资金优化,实现了水电和光伏互补运行的盈利。

  领导班子决策,明确目标和分工 

  为了建成“水光多能互补”项目,2016年初象鼻岭水电厂领导班子开展了“头脑风暴”,全面、审慎、积极地分析各方面的问题和条件。

  首先,分析象鼻岭水电站区域光伏开发的便利条件,一是可充分利用水电站已征地的施工生活区土地和水电站220千伏送出线路的容量富裕,共用控制室和出线通道降低工程造价;二是对水电站周边光伏开发具备良好的管理优势,最大限度地节约管理成本,降低运行费用;三是将光伏资源和水电资源整合为一个电源,不仅优化了光伏电站的电能质量,还为探索“水光互补”的运行模式积累了经验。

  其次,分析象鼻岭水电站区域光伏开发的政策条件,一是符合国家对新能源开发的大政策,可获取较高的电价;二是国家电投集团目前在光伏开发上态度积极,使项目立项和推进更加容易;三是符合贵州省及威宁县的发展需要,通过投资带动项目区域的群众脱贫致富。

  最后,分析象鼻岭水电站区域光伏开发的经济效益,根据该地区的总辐射年均值约5000 兆焦/平方米,判断光伏电站的利用小时数可达到1100小时,满足投资开发的收益需求,在象鼻岭进行“水光多能互补”项目开发是切实可行的。

  经过认真讨论研究后,象鼻岭水电厂决定由厂长和党总支书记分别负责牵头光伏和水电的相关工作,并明确2016年底前光伏项目立项,2017年6月30日前实现光伏电站投产发电,同年水电站“双投”,象鼻岭“水光多能互补”项目建成。

  用好用活新能源政策,加快光伏项目立项 

  在贵州省、国家电投、贵州金元和威宁县大力发展新能源项目的政策支持下,经前期测光并进行光资源评估后,拟利用水电站施工区已征用土地和租用水电站周边土地建设48兆瓦农业光伏电站。项目采用“水光农”互补开发模式,具有光伏、水电出力协调互补和土地综合利用的特点,同时利用项目土地进行农业开发,解决当地百姓就业问题。

  由于资源丰富,且项目“水光农”的概念独特,都属于清洁能源项目,加上农业项目的实施能有效助推当地农户脱贫致富。因此该项目从可研阶段就得到各级政府和能源局、电网公司的大力支持,从立项到取得备案,仅耗时3个月,充分体现了项目的“生命力”优势。

  做好项目管理,确保如期投产 

  要实现“水光多能互补”就得分别建设好水电和光伏两个电站,其中水电是基础,光伏是发展(见图1)。

 

  做好水电站长周期建设安全和质量管控。象鼻岭水电站是“十二五”至“十三五”期间,贵州省开工建设的最大水电站工程,库容和装机都是贵州金元水电板块的翘楚,大坝和地下厂房都是目前贵州省同类型规模最大的工程。在漫长的建设期内,通过以下几方面做好工程的安全和质量管控:

  一是长周期中严控安全。象鼻岭的工程安全管理十分困难,水电站周边地质条件十分复杂。自进场以来,一直饱受自然灾害困扰,其中2014~2016年均有相当规模的泥石流和水毁事件发生,期间还经历过两次大地震。施工现场交通条件复杂,213国道穿越现场,联络两岸的多条民用道路横跨整个施工区域;电站地质条件复杂,是贵州少见的玄武岩地貌,施工区域内沟壑纵横,崩塌体比比皆是,雨季常常形成中小规模的泥石流。面对困难,象鼻岭水电站在6年多的建设历程中,通过强化安全意识、严格安全管理等手段,一直保持着工程“零死亡”的记录。

  二是充分相信和依靠地方政府。象鼻岭水电站位于云贵交界的牛栏江上,周边汉、彝、苗、回等多民族杂处,民情复杂、民风彪悍,征地移民、工程建设等工作阻力大。通过两地政府的协调,工程得以顺利开展。

  三是依靠建管处和监理,加强质量监督。水电站采用碾压混凝土拱坝的坝型方案,较其他方案可以节约近1/3的投资,效益显著的同时,工程建设的难度也大幅度增加。首先碾压混凝土拱坝的温控要求极高,需实时监控坝体温度;其次双曲碾压混凝土拱坝,纵向、竖向均是双曲线构造,确保施工进度的同时,保持优美外形牵涉到的放线工艺、模板工艺等需要进行开创性工作。通过建管处和监理协同管理,各参建单位从细节入手,严把验收关。

  四是水电厂作为业主,不等不靠、自己动手。因机电设备大多为业主自行采购,且电厂人员经过前期的生产准备,形成了一支敢打硬仗的运行和调试队伍,为工程的顺利投产奠定了坚实的基础。

  做好光伏电站短周期质量和进度管控。光伏电站的建设相比其他工程建设项目而言,其投资金额大、建设周期短的独特性使得电站的建设管理难度加大,安全、质量、进度和成本是工程实施过程中需要控制的几个方面。

  施工进度控制方面,由于光伏项目建设期只有几个月,施工进度的控制尤为重要,进度的控制主要是根据工期总目标的要求,督促施工单位按周报送每周应完成施工进度计划,并将进度计划分为里程碑、横道图和网络图计划。

  工程质量控制方面,质量控制是各项工作的重中之重,是项目在存续期间内实现营业利润的保证,质量控制重点抓好以下几个环节:质量控制要从源头上抓起,即从基础工程开始施工就严格控制,对桩的轴线、距离及桩的标高进行认真复核。重点控制钢支架的垂直度、钢支架与埋件连接的牢固度;接地主要是埋深度、焊接焊缝的饱满度的要求;汇流箱的安装不但要控制接线的规范要求,还要控制标高的一致性和支架牢固性。要求监理单位根据合同内容及相关规范写出监理规划、专业监理工程师对整个工程写出监理实施细则,对重要分部工程要有专项监理实施细则;责令施工单位撰写符合实际的施工组织总设计、重点和关键部位要有专项施工方案。资料的收集保管要贯穿施工过程的始终,重点是采用的标准和资料的完整性。验收工作以升压站、箱变、电缆沟道、土建为分部工程进行验收,确保每一单项子工程质量合格、优良,进而保证分部工程和整体工程的质量合格、优良。

  施工安全控制方面,项目坚决贯彻“安全第一,预防为主”的安全方针。认真学习,贯彻国家、行业、集团公司各项法律、法规及管理制度,要求监理单位、施工单位、劳务分包单位组织安全学习,树立安全意识,掌握安全技能,严格按照操作规程,特殊工种作业人员必须持证上岗,危险性较大的作业要有专项安全施工方案。重点抓好交通安全、工程机械安全。

  资金的使用控制方面,在签订EPC总承包合同时,明确了总承包单位需垫资半年,有效地解决了建设资金来源的问题。光伏电站建设的管理还涉及到地勘、设计、监理、施工、厂家、当地居民、有关政府部门等方方面面的关系协调和处理,需要投入更多的人力、物力和财力。

  开展“水光互补”运行研究 

  象鼻岭“水光多能互补”项目建成后,实现“水光互补”运行成为项目能否见效的关键,通过前期的“水光互补”运行研究,积累了大量的经验,同时借鉴其他公司 “水光互补”项目的先进经验,实现了项目的科学和高效运行(见图2)。

 

  主要研究内容。一是“水光互补”自动运行控制技术研究。根据水电和光伏电站的运行特点,研究水电光伏自动发电控制(AGC)和自动电压控制(AVC)的控制模式、负荷优化分配策略及保护闭锁逻辑。研究在水光协调互补运行模式下,满足电网发电要求,以最大限度利用太阳能、减少弃水和弃光为目标的光伏与水电AGC、AVC的联合控制模型和控制策略。

  二是“水光互补”经济运行发电计划研究。通过收集和分析区域地理、气候、水文、气象等历史信息,分析光伏、水电能源特性和运行情况研究项目中光伏、水电能源的互补特性。建立相应的水光联合调度模型,在满足电网安全稳定运行情况下,充分利用清洁能源,减少弃光、弃水。

  根据光伏区的气象信息和发电历史信息,分析研究光伏功率预测的准确性,研究逆变器光伏发电功率因数控制、有功功率和无功功率控制;研究“水光互补”联合运行特性,水电站对光伏电站出力变化的补偿能力,主要是不同季节、天气时的补偿程度等;分析评价水电机组在光伏随机波动和突变时的跟随互补性能,主要是天气变化导致光伏出力突变时水电机组的调节速率、互补效果;研究“水光互补”叠加出力的电能质量,评价水电对光伏出力电能质量提升的作用;研究发电效益最大化的“水光互补”运行方案。

  创新点。一是研究一种高效可靠的水光联合发电控制模型,利用水电机组的连续可调节特性,平抑光伏发电出力,保持新能源区域发电系统功率的稳定输出,提高电网电能质量,减少对电网的冲击。二是通过该研究,在电网调度层面,充分利用区域水、光互补协调,实现联合调度技术及运行管理,提高清洁能源有效利用率。三是将光伏、水电两种不同类型的电源整合为一个电源,通过水轮发电机组的快速响应能力和水电站水库调节能力,弥补光伏发电不稳定、出力变化大的缺点,使叠加出力平滑、稳定,减少电力系统为吸纳独立光伏电站发电所需的旋转备用容量,提高电力系统的安全性和稳定性。

  研究方法和实施方案。一是记录运行期的各种气象数据;记录春夏秋冬四季、晴雨多云等天气,以及昼夜等不同条件下的光伏电站运行数据;记录丰、平、枯水年,不同时节水电站的运行数据。二是对光伏电站、水电站记录数据进行整理,得出不同时间、气象条件下光伏和水电站的运行特性。三是根据光伏、水电站运行特性,研究分析适合于本项目的联合运行调度方案。四是开发“水光互补”协调运行控制软件,实现“水光互补”协调运行AGC控制、AVC控制及水量平衡控制。

  研究成果。“水光互补”分析:基于水光联合出力不大于240兆瓦,在除丰水年7~9月象鼻岭水电站无调节性能存在弃光或者弃水的可能外,其他时段和水文年情况下,象鼻岭水电站与光伏电站联合运行均具有良好的互补能力。

  送出线路输送能力分析:在光伏电站接入后,丰水年7~9月电站送出线路最大输送功率不超过300兆瓦;其余时节,电站送出线路最大输送功率不超过240兆瓦,均低于电网调度允许的线路最大输送容量370兆瓦。光伏接入后,象鼻岭—威宁220千伏送出线路可以满足水电及光伏全额送出的要求。

  象鼻岭水电站装机240兆瓦,多年平均电量约9.3亿千瓦时,象鼻岭—威宁线路年利用小时约3875小时。光伏电站年发电量约0.63亿千瓦时,与象鼻岭水电站打捆送出后,象鼻岭—威宁线路年利用小时提高至约4175小时。

  算好经济账,确保经济效益 

  “水光多能互补”不仅仅是运行方式上的互补,从财务角度来说,更是体现了投资短期与长期的互补、现金流和利润的互补。

  短期投资与长期投资的互补。水电站的建设是一个长期过程,其投资回报也是一个长期过程,基本上水电站投产后几年都处于亏损状态,随着经营年限的增加,固定资产折旧及财务费用减少后,盈利能力逐渐增强。光伏电站属于短周期项目,一般建设期都在6个月内,投产当年即可实现盈利,但随着经营年限增加,发电量及电价补贴下降,盈利能力逐渐降低。利用水电和光伏这一前一后的特性,以及象鼻岭水电厂统一管理的模式,可将部分运营成本先计入光伏电站,实现水电和光伏的双盈利,待水电度过财务成本高峰期后,反过来弥补光伏前期的成本支出,达到两个项目的盈利合理性。

  现金流和利润的互补。水电站年发电量9.3亿千瓦时,按0.2924元/千瓦时计,可产生2.72亿元的现金,但由于固定资产折旧较高,导致利润较低甚至亏损。光伏电站年发电量0.63亿千瓦时,按0.86元/千瓦时计,可产生0.54亿元的收入,但由于国家补贴滞后,实际回收现金只有0.22亿元,支付财务费用和运营成本后,实际现金流短缺,但账面盈利能力强。象鼻岭“水光互补”项目通过分析这一互补特性,有效运用财务手段,减少了财务费用,利用水电强大的现金流,支持后续新能源项目的建设,同时得益于光伏项目的盈利能力,实现了水电项目投产即盈利的目标。

  实施效果 

  贵州首个“水光多能互补”项目建成。自2017年2月13日象鼻岭光伏电站全面开工建设以来,首个方阵于2017年6月17日并网发电,6月30日实现全容量(48兆瓦)并网,用了不到5个月的时间。2017年4月26日象鼻岭水电站开始下闸蓄水,同年8月15日2号机组(120兆瓦)通过72小时试运,8月18日1号机组(120兆瓦)通过72小时试运,标志着贵州首个“水光多能互补”项目(288兆瓦)全部建成投产。下一步,象鼻岭水电厂将建设15兆瓦分散式风电场,届时将会形成全国首个“风光水多能互补”项目。

  取得了显著的经济效益。象鼻岭“水光多能互补”项目利用已有的象鼻岭—威宁220千伏送出线路,水光互补后线路年利用小时将由3875小时提高至约4175小时。通过“水光互补”联合调度,使光伏发电效益最大化。2017年象鼻岭水电站发电2.7亿千瓦时,光伏电站发电0.34亿千瓦时,创造产值9891万元,产生效益1010万元,其中象鼻岭光伏电站盈利1289万元,象鼻岭水电站亏损279万元。

  此项工作通过管理创新,产生直接效益:1010万元。

  取得了显著的社会效益。一是象鼻岭“水光多能互补”项目的建成,有利于落实我国大力发展清洁能源的战略部署,符合国家发改委、国家能源局《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》的要求,具有良好的示范效应。二是象鼻岭“水光多能互补”项目的建成,是贵州金元践行“绿色发展、清洁发展”的成果,为贵州金元优化结构、转型升级、扭亏脱困创立的新的模式,同时也为贵州清洁能源开发总结了经验、开创了先河。三是象鼻岭“水光多能互补”项目的建成,带动了地方经济的发展,项目总投资30亿元,通过移民搬迁、交通还建、工程外包、劳务用工等方式,带动当地人民脱贫致富。

  本文刊载于《中国电力企业管理》2018年10期,黄鹤、秦岭、魏道万供职于国家电投集团贵州金元股份有限公司

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