中国电源结构分析及未来发展趋势

2013年1月下 总第281期

中国电源结构分析及未来发展趋势

平顶山姚孟发电有限责任公司 张花俭

引言

在经济和科技飞速发展的今天，电力工业作为一种重要能源行业，是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，决定着整个国家的经济发展命脉。经过解放后几十年的努力，我国的电力工业取得了举世瞩目的成就。截止2011年底，全国电力装机容量突破9亿千瓦，标志着中国电力工业发展实现了新跨越，年发电量居世界第二。全国全口径发电量47217亿千瓦时，从类型上来看：火电：38975亿千瓦时，占全国发电量的82.54%；水电：6626亿千瓦时，占全部发电量的14.03%；核电、风电：分别为874亿千瓦时和732亿千瓦，分别占1.85%和1.55%。在我国的电源结构中，火电所占的比重最大，水电次之，核电和风电所占的比重较小。在国家能源政策的引导和扶持下，风电和光伏等新能源发电形式发展迅速，在电源结构中所占的比重也在不断的上升。

在我国的电力装机容量和发电量不断增长的同时，在发展过程中也暴露出了许多问题，这些问题如果不能得到及时的处理，会严重制约和影响我国电力工业的发展，会影响国民经济发展和人民生活水平的提高，必须找到措施解决问题。

一、火力发电厂的分类、工作过程和特点

（一）火力发电厂的分类和工作原理

火力发电厂是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能生产出电能的工厂。按照原动机的类型，火电厂可以分为蒸汽汽轮机发电厂和燃气轮机发电厂等；按照蒸汽的压力和温度分类，火电厂又可分为中低压发电厂、高压发电厂、超高压发电厂、亚临界压力发电厂、超临界压力发电厂和超超临界压力发电厂等。

火电厂的种类虽很多，但从主流上看蒸汽汽轮机发电厂占比例上的绝对优势，从能量转换的观点分析，其生产过程却是基本相同的，概括地说是把燃料（煤）中含有的化学能转变为电能的过程。整个生产过程可分为三个阶段：

1、燃料的化学能在锅炉中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；

2、锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能转变为机械能，称为汽水系统；

3、由汽轮机旋转的机械能带动发电机发电，把机械能变为电能，称为电气系统。

（二）火力发电的特点

火力发电厂作为现代电力系统的主要供电电源，在满足负荷的不断增长的需要和整个电网的稳定的运行中都发挥了重要的作用。概括的说，火电厂具有以下优势：

1、火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。

2、火电厂建造工期短，一般为水电厂的一半甚至更短。一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右。

火电厂的缺点是：

（1）耗煤量大，生产成本高。目前发电用煤约占全国煤碳总产量50％左右，加上运煤费用和大量用水，其生产成本比水力发电要高出3～4倍。

（2）火电厂动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，运行维护复杂，运行费用高。

（3）汽轮机开、停机过程时间长，耗资大，不宜作为调峰电源用。

（4）火电厂在生产过程中向大气中排放大量的粉尘和SO2等有害气体，会造成空气和环境的污染。

二、水力发电厂的分类、工作过程和特点

（一）水力发电厂的分类和工作过程

按利用能源的类型，水电厂可分为常规水电厂(包括梯级水电厂)、抽水蓄能电厂、潮汐电站和波浪能电站。常规水电厂又可按水头集中方式、水库调节径流性能和装机规模的区别分类。按水头集中方式可划分为坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂；按水库调节径流性能可划分为多年调节、年调节、季调节、周调节、日调节水电厂和不调节径流的径流式水电厂；按单厂装机容量规模分类，我国现行的划分标准是单厂装机容量250MW及以上的为大型，250MW以下至25MW的为中型，小于25MW的为小型。

水力发电是利用江、河、水库的势能也就是水位的落差来作功，推动水轮机转动再带动发电机转动发电的。水轮发电机所发出的功率与上游的水头和单位时间所流过水轮机的水量乘正比的。

（二）水力发电的特点

水电的装机容量和发电量仅次于火电，在满足国民经济的发展和负荷的增长中也发挥了重要作用，水力发电具有以下优势：

1、水力发电厂的水轮发电机组具有设备简单，操作灵活，易于实现自动化等特点，而且还可以在几分钟内迅速启动投入运行。在正常情况下水力发电厂的启动到带满负荷只需4-5分钟。在紧急情况下可缩短到1分钟左右且增减负荷也十分方便灵活。因此，水轮发电机组通常可以承担电网的调峰，调频增加电力网的无功分量和事故备用等。

2、水力发电厂水轮机组生产效率较高，大、中型水力发电厂效率为80-90%，小型水电站一般为60-70%，而火力发电厂的

发电效率紧为35%左右。同时水力发电厂发电成本较低，一般为

火力发电厂的三分之一到四分之一，并且水力发电厂几乎不产

生对环境的污染。在节约能源和保护环境方面，水电与火电相

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经济与法

（责任编辑：何秀秀）

比较，有着较大的优势。

水力发电的缺点是一次性投资大，建设周期长，且水电厂多远离负荷中心，所发电能需要远距离传输增加了输电线路的投资和电能损耗。

三、新能源发电的分类、工作过程和特点（一）新能源发电的分类和工作原理

新能源发电按照工作原理的分类可以分为光伏发电、风力发电等形式。随着我国近几年来关于发展新能源的政策法规的实施，新能源发电在我国得到了飞速的发展。本文主要以风力发电的工作过程和特点为例，分析新能源发电的特点。

风力发电的工作原理是风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电的形式目前有并网运行和独立运行两种形式，目前大规模开发的风电主要是并网型风电。常用的并网风电机组多为变速恒频风电机组，双馈式和永磁直驱式是常用的两种。双馈式风力发电系统主要有风力机、齿轮箱、双馈绕线式异步发电机和变流器组成，变频器按照连接的位置又可分为网侧变流器和转子侧变流器。永磁直驱式风力发电系统则省去了齿轮箱，通过背靠背全功率变频器直接接入电网，该背靠背全功率变频器由机侧变流器、直流电容和网侧变流器组成。

（二）风力发电的特点

在新能源发电中，光伏发电由于成本过高，目前所发电量在整个电源结构中所占的比重还较小。而风力发电由于技术的进步和风机成本的不断下降，在近几年得到了迅速的发展。风力发电与常规能源相比，具有以下优点：

1、风能是一种清洁的自然能源，不存在燃煤、燃油的环境问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。

2、风电场建设周期短，装机规模灵活，建设一般规模的风电场，从基础建设、安装到投产，只需半年至一年的时间，而火电、核电需3—10年时间。

3、风力发电的经济性日益提高，随着风力发电技术的不断成熟，风电成本呈下降趋势，为风电的大规模应用提供了基础。

4、风电机组单机容量越来越大，制造成本不断降低，目前商业化运行机组的单机容量已达4.5MW。随着风电技术的日益完善，风力发电必将成为今后能源发展的趋势。

（三）风电在发展过程中存在的问题

1、由于风能有一定的间歇性和波动性，风电厂出力随着风速的变化而变化，其有功无功潮流经常发生变化，容易发生电压稳定事故。

2、我国集中开发的大规模风电厂大多远离负荷中心，当地电网结构薄弱，吸纳风电的能力差，电力必须远距离传输。在风电厂满出力的时候，风电的送出往往受到限制，从而导致了一部分电能的浪费。

3、风电厂在正常运行时会向电网注入大量谐波，影响电网的电能质量。

四、我国目前的能源结构下存在的问题

在我国目前的能源结构中，火电占的比重较大。火电虽然有布局灵活，一次性投资小的特点，但是在其发电过程中会产生大量的有害气体和粉尘，会造成严重的环境污染。更重要的是，火力发电需要消耗大量的煤炭资源，而煤炭资源是不可再生能源。照现在的开采速度，目前世界上储备的煤炭资源仅能使用60年左右，而我国的煤炭储备量也只能使用50年左右。在能源危机和环境污染日趋严重的今天，火电在整个电源结构中所占比重较大，不满足可持续发展的要求。为了实现可持续发展，必须大力发展风力发电、光伏发电等新能源。我国风电的开发方式多为大规模集中开发，即建大型风电基地。我国的大型风电基地的位置往往比较偏僻，当地电网结构薄弱，吸纳风电的能力差，风电的送出主要依赖长距离、大容量的高压输电。而建设高压输电线路的时间比较长，因此，在目前的电网条件下，还不能完全满足风电的送出，就造成了在风电厂满发

的情况下，一部分风电的送出受到了限制。更重要的是，当风电的装机容量在整个电网中所占的比重过大时，会对电网的稳定运行带来严重的影响。我国酒泉风电基地就多次发生大规模风机脱网而导致整个西北电网频率震荡的事故。因此，在发展新能源的同时，如何调整各种发电形式在整个电源结构中的比例，对提高电网运行的稳定性和经济的可持续发展有着重要的意义。

五、解决我国能源结构中存在问题的措施

1、控制火电在整个电源结构中的比例，采用大容量、超临界的大型发电机组，大型发电机组的燃料利用率和运行成本都低于小型机组。

2、继续发展水力发电，在不破环生态环境和技术条件允许情况下建设大规模的水电站。

3、优先发展风电、光伏等新能源的发电形式。在发展风电的过程中，要做好风电基地和电网的协调发展，避免风电资源的浪费；提高风电机组的质量和风电场的运行管理，确保风电场电网的安全，稳定运行。

4、发展风电方面，国家做好相应的宏观计划，因地制宜制定相应的鼓励政策。

（1）促进西部大开发及风区经济大发展。国家应采取一系列的倾斜政策，包括经济、政策、人口等社会各方面的倾斜，促进这些区域的经济快速发展，促使这些地区的经济发展在国民经济的总体发展中所占比重越来越多，有力的促进该地区的电力快速发展，避免了电力能源的长距离外送。这些地区如新疆、内蒙古等有充裕的煤炭储备，有适当规模的火电调剂，风电的发展才有更大的空间。同时由于这些地区地广人稀，土地的可耕性不强，为光伏风电的发展提供了良好基础。

（2）促进沿海地区风电快速发展。一般沿海地区经济较为发达，电力市场发展较快，目前的火电较为充裕，因此在这些区域快速发展风电较为有优势，同时也可以考虑向境外输出电力。如像辽东半岛、山东半岛、东南沿海及南海沿海的海滩都有优良的风电发展自然环境和经济环境。南海沿海多余的风电能源可以考虑向越南输出，也可以通过西南电网向缅甸、老挝等能源短缺的国家输送电力。

（3）促进中原及其它内地的风电快速发展。中原及内地有着得天独厚的条件：人口多，电力消费市场大，大型火电厂密集，容易与风电厂相互调剂，是发展风电最有优势的区域；地理环境更佳，中原地区的南、西、北部每隔30公里就有山脉，东部也几乎方圆50公里就有大大小小的山峰，是建风电厂的良好场地和合适的距离。山峰与城市相间，减少了电能长距离输送，减少了损失。同时这些区域内交通便利，人力资源充裕，有利于降低运营成本。

（4）开展多投资渠道，克服资金紧张瓶颈，在宏观计划内促进风电跳跃式发展

目前最清洁的能源就是风电，但资金紧张制约了风电的发展，尽管近五年内风电的发展速度均超过其它能源风电的速度，但是风电在所有电力能源中仅占1.55%，这远远达不到国家长久能源政策的预期，因此对民间开放投资政策，开展多渠道投资，充分利用民间大量闲置资本，尤其是转移房地产资本向风电方向发展，毫无疑问会对久调不下的房地产行业会有意想不到的收获。比如南阳风电就是这种投资模式，先由民间资本商投资，到后期并网时由五大风电公司考虑收购或参股。 六、结论

分析了我国目前各种发电形式在整个电源结构中所占的比例，简要介绍了各种发电形式的工作原理，并研究了各种发电形式的特点。根据各种发电形式的特点，分析了我国在目前的电源结构下存在的问题，并根据存在的问题提出了实现我国电源结构协调发展的解决措施。