云南水电专题一：从流域分析看云南水力发电特征

2023/5/29作者：卫来从业资格证号：F3082677交易咨询证号：Z0016201邮箱：weilai@thanf.com我公司依法已获取期货交易咨询业务资格审核：肖兰兰交易咨询证号：Z0013951pOmPqQsOqQsMmNtPzRrPrO8ObP9PtRoOmOsRkPnNtOkPmPpPbRpOsNNZtQqPNZsOtN数据来源：知乎研学社◼ 水电站是指由一系列建筑物和基础设备组成的将水的动能和势能转换为电能的工厂，水电站通常有以下的主要组成部分：•集水区：集水区多指拦水坝后方收集水和获得水流的总面积；•水库：水库用于储存从集水区获得的水流，并持续向发电系统供水；•引水管道：引水管道是将水输送到涡轮机的开放式或封闭管道；•水轮机：水轮机是一种能量转换装置，用于将水的势能转化为轴的机械能；•发电机：水电站发电机多为低转速（75 至 300）的同发电机，通常通过其主励磁机与水轮机的轴部相连。图1：水电站组成示意图数据来源：《水利计算》◼ 单个水电站的发电量满足以下方程𝑝 = ෍𝑡=1𝑇𝐾𝑞𝑡ℎ𝑡◼ 其中𝑝 为水电站发电量；𝐾为综合出力系数，对于特定的水电站该数为定值；𝑞为用于发电的水流流量； ℎ为发电水头，即水位的落差其计算方式为“ ℎ=上游水位-下游水位-水头损失”。◼ 在这个方程中我们可以发现一下几点：1. 单个水电站一段时间内的发电量等于各个时间点发电量的总和；2. 各个时段的发电量与当时的流量和发电水头相关；3. 在发电功率存在上限的情况下，最大化该时段的发电量需要合理分配各个时间段的径流量，而这又与单一水电站的调节能力息息相关。图2：单个水库调节示意图数据来源：知乎研学社◼ 梯级水电站群是在一个河段中，自上而下的呈阶梯状分布的水电站组。一个梯级水电站群中存在不同调节能力的水库与水电站，其运行中的目标方程为：𝐸 = ෍𝑖=1𝑁෍𝑡=1𝑇𝐾𝑖𝑞𝑖,𝑡ℎ𝑖,𝑡◼ 从方程中我们可以发现以下特征：1. 一个时间段内的梯级水电站群的发电量不仅仅是各个时间点的加总同时也各个单个水电站的加总；2. 最大化一个梯级水电站群的发电量时不仅仅需要考虑时间上水量的分配，同时也要考虑到空间上水量的分配；3. 得益于水电站群的统一调配能力，梯级水电站群拥有着比单个水电站更强的跨时间调节能力。调节能力：水库的调节能力与水库的库容能力息息相关，我们常用库容系数来简单判别水库的调节能力，其方程为：𝛽 =𝑉𝑊𝑂其中𝛽为库容系数，𝑉 为调节库容，𝑊0为平均径流量。库系数越高，该水库的调节能力越强。图3：梯级水电站群组成示意图图4：梯级水电站群运行示意图◼ 水电站的建设与发电十分依赖于当地的自然条件并在流域内以水电站群和单个水电站的形式存在，故本次对水电站群的讨论将会以流域为根据。流域内的水电站可以大致分为三类：1. 装机量在300MW以上的大型和超大型水电站，该类型电站多位于流域内干流以及大型支流上，并在此组成一个大型的梯级水电站群，同时由大型的电力公司统一调节运营。干流上的水电站呈梯级分布，这种梯级水电站群由多个不同调节能力的水电站组成，具有跨季节调节水量的能力，有着水资源调配能力强发电效率高的特点。2. 装机量在300MW-50MW的中型水电站，该类型水电站位于流域内的中型支流，多由当地县级国资委或当地企业运营，该类型的水电站具有一定的调节能力，且可并入当地电网系统。3. 装机量在50MW以下的小型水电站，该类型水电站位于流域内的小型支流上，由私人运营，大多为没有调节能力的径流式水电站。由于小型水电站多位于山区支流，交通不便难以接入大型电网，所以小型水电的窝电废电问题严重。图5：流域内水电站站分布示意图数据来源：河海大学张行南教授◼ 作为依赖于水力发电的发电方式，流域内的径流量对于水电站的最终发电量有着极大的影响，一般来说我们对于流域内的径流量分析会从以下两个方面入手：◼ 输入：输入为该流域的主要水量来源，主要的来源一般有两方面：1. 流域内的降水，该来源受不同气候的影响具有不同时间分配特征，不稳定性较高；2. 高山冰雪融水，其源于气温抬升后的高山积雪与冰川融化，具有一定的稳定性。◼ 输出：流域内径流减少主要蒸发，影响其的有以下要素：1. 流域的纬度，纬度越低太阳直射叫越大，太阳照射的热量越多，蒸发量越大；2. 当地气候特征，当地气候越干燥，日照时间越长，蒸发量越大。图6：新安江径流分析模型◼ 和火力发电厂一样，水电厂输送方式也是电网输送，其中小水电采取逐级并网的形式接入电网。我国水电资源分布不均，水电资源丰富区域与电力需求区域相隔较远，电力外送占比高和电力外送距离长是我国水电输送的两大特征。图7：云南水电并网示意图数据来源：紫金天风研究所Part 1◼ 从长期来看流域内的径流量和水电装机量是影响水电站发电能力的影响水电站发电能力的主要因素，但是由于水电站自身的装机功率变化较小，在短期内径流量的变化才是影响最终发电量的主要因素；◼ 流域内的自然条件是影响径流量的主要因素，对于以降雨为主要补给来源的河流，期径流变化受到当地气候条件的影响较大；◼ 梯级水电站群和单体水电站是水电站在流域内存在主要形式，为最大化效益此两种形式的水电站都会对径流量进行跨时间的调控，但梯级水电站群同时具有跨空间调控的能力；◼ 为了满足适应电力长距离运输而产生特高压需求，水电电网多采用逐级并网的方式。数据来源：《云南电网大小水电发电能力预测方法与协调策略研究》◼ 总体概述云南境内的水电资源以中大型水电站为主以小型水电站为辅，其中大中型水电站装机量占比87%，云南全省2274座小型水电站装机量仅占总装机量的13%。图8：云南电力系统电源占比图9：云南大小水电占比云南位于我国西南边陲，水电资源丰富，是我国第二大的水电发电省份，水力发电在省内电力体系中占据重要地位。2022年云南发电4009.5亿千瓦时，其中水电发电3038.82亿千瓦时，占总发电量的75.8%。近十年来，随着云南大型水电项目规划与投产，水电在云南电力系统的中的作用将会愈加重要。◼ 大小水电分布数据来源：《云南电网大小水电发电能力预测方法与协调策略研究》数据来源：《云南电网大小水电发电能力预测方法与协调策略研究》◼ 流域分布云南水利资源呈现依托流域分布的特征，且主要分布在澜沧江、金沙江、怒江在内的六大流域。其中澜沧江、金沙江的开发情况较为完备分布着大部分的大型水电站，其余流域内多为中小型水电站。澜沧江流域云南段与金沙江流域的发电量占云南的地区的发电总总量的69%，是云南水电系统最重要的组成部分，本文将会着重讨论这两个最具有代表性的区域。图10：云南地区水电站流域分布数据来源：《云南电网大小水电发电能力预测方法与协调策略研究》表1：云南地区水电站流域分布数据来源：《多元电力市场下澜沧江梯级水电站长期发电调度方法研究》图11：云南地区水电装机量流域分布图12：云南地区大中型水电站分布图数据来源：网络公开资料图13：金沙江流域分析逻辑图数据来源：紫金天风研究所金沙江流域位于长江上游，发源于唐古拉山脉 各拉丹冬雪山西南侧，流域范围极广，支流众多，蕴含着丰富的水能资源。金沙江流域内主要以 降水为补给，雨水充沛稳定。据勘测金沙江在云南范围内长约1560千米，集水面积10.9万平方公