青海省水電與光伏互補(bǔ)特性分析與效果評價(jià)

田旭，張祥成，白左霞，馬雪，陶昕，李楠，苗淼

(1.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧市 810000；2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，西寧市 810000)

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青海省水電與光伏互補(bǔ)特性分析與效果評價(jià)

田旭1，張祥成1，白左霞1，馬雪2，陶昕2，李楠2，苗淼2

(1.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧市 810000；2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，西寧市 810000)

光伏、水電出力都與天氣條件有關(guān)，水電能夠快速調(diào)節(jié)并具有可儲能的庫容，可以與光伏互補(bǔ)運(yùn)行，彌補(bǔ)光伏的間歇性，目前研究2種電源在不同時(shí)間維度上的互補(bǔ)特性的論文較少。該文提出了水電與光伏的互補(bǔ)特性分析方法，建立了基于棄光率以及火電機(jī)組負(fù)荷率的水光互補(bǔ)評價(jià)指標(biāo)，采用光伏時(shí)序出力模擬以及包含水電的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬實(shí)現(xiàn)對水光互補(bǔ)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算。以青海省2020年電力系統(tǒng)規(guī)劃數(shù)據(jù)為例，研究了青海省2020年水光互補(bǔ)的特性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對青海省未來水光互補(bǔ)運(yùn)行提出了建議。

水光互補(bǔ)；運(yùn)行模擬；調(diào)峰；火電負(fù)荷率；棄光率

0 引 言

青海省擁有豐富的水電與光伏資源，截止2014年底，青海省水電裝機(jī)1 144萬kW，占比62%，光伏裝機(jī)429萬kW，占比23%。根據(jù)規(guī)劃，至2020年，青海省將擁有1 500萬kW的水電裝機(jī)與1 000萬kW的光伏裝機(jī)。水電與光伏的互補(bǔ)特性對于青海省電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。青海省是我國第一個(gè)探索水光互補(bǔ)的省份，于2013年底投產(chǎn)的龍羊峽320 MW水光互補(bǔ)電站是目前世界上最大規(guī)模的水電與光電協(xié)同互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

光伏出力主要受到太陽輻射以及環(huán)境溫度的影響，其出力具有明顯的日循環(huán)以及季循環(huán)特性。此外，受到天氣變化的影響，光伏出力還具有較強(qiáng)的間歇性，可能產(chǎn)生出力陡然降為0的巨大波動(dòng)。水電機(jī)組具有快速的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)能夠通過水庫實(shí)現(xiàn)蓄能。通過優(yōu)化調(diào)度、水庫蓄能及水電的靈活調(diào)節(jié)特性彌補(bǔ)光伏的波動(dòng)性問題，進(jìn)而改善火電機(jī)組的運(yùn)行狀況。然而，水電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性以及儲能能力也與水庫來水以及庫容等參數(shù)密切相關(guān)，水電和光伏是否能在多個(gè)時(shí)間維度實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，有何制約因素等問題仍然有待研究。

國內(nèi)外關(guān)于水光互補(bǔ)的文獻(xiàn)多集中在水電機(jī)組與光伏電站的控制方法上，關(guān)于水光互補(bǔ)特性分析及其影響尚無研究。文獻(xiàn)[1]分析了青海省水電和光伏的現(xiàn)狀，提出了水電和光伏結(jié)合可能帶來的效益，同時(shí)也分析了尚需解決的技術(shù)難題比如“以水定電”問題、水電調(diào)節(jié)庫容問題、水光比例配置、利益矛盾問題等等。文獻(xiàn)[2]則指出水電是調(diào)節(jié)GW級的光伏的最優(yōu)電源，其他形式的儲能電源目前均不具備經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[3]研究了水光互補(bǔ)后水電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)策略，設(shè)計(jì)了水電機(jī)組的控制流程，以龍羊峽水光互補(bǔ)工程為例驗(yàn)證了其策略的效果。文獻(xiàn)[4]則研究了水光互補(bǔ)電站逆變器的控制模式和儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。還有一些文獻(xiàn)對類似的概念，即風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)火打捆進(jìn)行了研究。例如文獻(xiàn)[5]研究了風(fēng)水互補(bǔ)的特性及日間聯(lián)合調(diào)峰策略，文獻(xiàn)[6]比較了風(fēng)電、水電單獨(dú)運(yùn)行與聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的效果差別，文獻(xiàn)[7]研究了多時(shí)空尺度下風(fēng)火聯(lián)運(yùn)分層協(xié)調(diào)思路與優(yōu)化運(yùn)行體系。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對“水光互補(bǔ)”的定義多分為2種，一是以龍羊峽水光互補(bǔ)電站為代表的“點(diǎn)對點(diǎn)”水光互補(bǔ)[3]，二是綜合考慮全網(wǎng)光伏與水電的“網(wǎng)對網(wǎng)”水光互補(bǔ)[1-2]。點(diǎn)對點(diǎn)水光互補(bǔ)是指將某一光伏電站和水電站組合成一個(gè)電源，用特定水電站彌補(bǔ)特定光伏電站的出力波動(dòng)性；網(wǎng)對網(wǎng)水光互補(bǔ)考慮全網(wǎng)光伏與水電的互補(bǔ)運(yùn)行，全網(wǎng)水電的出力安排將統(tǒng)一考慮全網(wǎng)光伏對調(diào)峰及調(diào)頻的需求。

本文以青海省為實(shí)例，研究青海省全省“網(wǎng)對網(wǎng)”方式的水光互補(bǔ)特性；以火電負(fù)荷率、棄光率為評價(jià)指標(biāo)，通過概率性方法與典型日分析，量化水電與光伏在不同時(shí)間尺度上的互補(bǔ)效果，探究水光互補(bǔ)運(yùn)行中存在的問題，為青海省電網(wǎng)未來的規(guī)劃與運(yùn)行提出建議。

1 水光互補(bǔ)的內(nèi)涵與分析框架

光伏出力受自然條件影響，具有典型的日循環(huán)與季循環(huán)特性。水電出力則不完全取決于自然降水、河道徑流等，其調(diào)節(jié)庫容使得水電在一定程度上可以自由調(diào)節(jié)。運(yùn)用水電的不同調(diào)節(jié)能力，水電可以在日內(nèi)、多日間、季度上多個(gè)時(shí)間尺度對光伏進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到水光互補(bǔ)的目的。二者之間的互補(bǔ)關(guān)系如圖1所示。

圖1 多日水光互補(bǔ)關(guān)系圖Fig.1 Synergy between hydropower and PV power in several days

為了從多方面綜合評價(jià)水光互補(bǔ)特性，需要從多個(gè)時(shí)間尺度入手。中長期尺度，需考慮光伏發(fā)電以及來水的季節(jié)變化；短期尺度，需要考慮水電在平抑光伏日內(nèi)間歇性以及短期出力波動(dòng)方面的運(yùn)行方式。可見，評價(jià)水光互補(bǔ)特性需要詳細(xì)掌握系統(tǒng)全年的運(yùn)行情況。為此，提出基于光伏出力模擬以及電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬的分析評價(jià)流程，如圖2所示。

圖2 水光互補(bǔ)特性分析框架Fig.2 Evaluation framework of the synergy between hydropower and PV power

2 水光互補(bǔ)的效益與評價(jià)指標(biāo)

水光互補(bǔ)可以帶來多方面的效益。對光伏而言，水光互補(bǔ)可以極大地促進(jìn)光伏消納。從調(diào)節(jié)速度來講，水電站從開機(jī)到滿負(fù)荷運(yùn)行只需要幾分鐘的時(shí)間，完全可以抑制光伏的波動(dòng)性；從調(diào)節(jié)電量上來講，水電一般裝機(jī)容量較大，且大部分具有日調(diào)節(jié)能力，基本可以滿足 MW級光伏電站的調(diào)節(jié)。

對水電而言，水光互補(bǔ)可以給水電帶來電量補(bǔ)充。水電出力遵循著“以水定電”原則，在枯水期河道徑流較小時(shí)，水電可以承擔(dān)的日電量有限。而當(dāng)光伏發(fā)電承擔(dān)電力系統(tǒng)負(fù)荷后，水電的可用水量就不會(huì)那么“緊缺”，枯水期無水可用的問題得到很大程度的緩解。另外水光互補(bǔ)運(yùn)行后，水電可以在日間減少出力，在水庫內(nèi)存儲更多的水量，增強(qiáng)靈活運(yùn)用能力。

對于整個(gè)電力系統(tǒng)而言，水光互補(bǔ)可以降低火電機(jī)組負(fù)荷率，避免火電機(jī)組頻繁起停與爬坡，使全系統(tǒng)在一個(gè)健康經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)運(yùn)行。

上述水光互補(bǔ)效益中最主要的有2個(gè)方面，一是解決光伏接入帶來的調(diào)峰調(diào)頻問題，提高光伏的消納水平；二是提高火電的負(fù)荷率，減少火電機(jī)組的頻繁起停與爬坡。

采用棄光率來評價(jià)光伏的消納水平，定義棄光率ρ為棄光電量與可發(fā)電量的比值：

(1)

式中：F為某段時(shí)間內(nèi)光伏可發(fā)電量，是根據(jù)預(yù)測或模擬得到的；D為棄光電量，即該段時(shí)間內(nèi)的預(yù)測電量與實(shí)際發(fā)電量的差值。棄光率越高，表明光伏的消納水平越低，水光互補(bǔ)的效果越差。

此外，采用火電負(fù)荷率λ評價(jià)水光互補(bǔ)對于火電負(fù)荷的平滑效果，其表達(dá)式為

(2)

3 水光互補(bǔ)運(yùn)行特性的分析方法

本文采用光伏模擬以及電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬的方法對水光互補(bǔ)特性及互補(bǔ)效果進(jìn)行分析。

電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬以日運(yùn)行模擬為核心，基于時(shí)序負(fù)荷曲線，在中長期階段進(jìn)行考慮新能源的出力時(shí)間序列模擬、電源檢修計(jì)劃編制以及水電電量的優(yōu)化分配，以此為日運(yùn)行模擬的邊界條件。在短期階段日運(yùn)行模擬中，考慮青海電網(wǎng)的一系列運(yùn)行約束與調(diào)度規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對青海電網(wǎng)長時(shí)間運(yùn)行層面的精細(xì)化逐小時(shí)“全景”模擬，得到全年火電、水電、光伏8 760點(diǎn)出力，計(jì)算棄光率等指標(biāo)。 根據(jù)這些結(jié)果與指標(biāo)，我們可以分析青海省水光互補(bǔ)的特性，評價(jià)水光互補(bǔ)的效果[8]。由于運(yùn)行模擬中需要用到光伏逐小時(shí)出力，而從實(shí)際光伏電站收集到的歷史數(shù)據(jù)往往質(zhì)量較差，難以滿足互補(bǔ)特性分析的要求，因此，采用光伏出力曲線時(shí)序模擬的方法得到符合實(shí)際光伏出力特性的模擬曲線[ 9-10]。

電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬中對于各類型機(jī)組以及負(fù)荷的處理方式如下。

(1)火電機(jī)組：火電是完全可調(diào)的電源，在運(yùn)行模擬中需要考慮最大最小出力、爬坡約束、啟停約束等基本約束。

(2)水電機(jī)組：水電雖然受自然條件的影響，但也是可調(diào)節(jié)電源。相比于火電，水電還需要考慮水量約束、庫容約束等約束。

(3)光伏發(fā)電：光伏出力曲線模擬時(shí)，根據(jù)地理位置、光伏板傾角等參數(shù)，首先模擬無遮擋，依據(jù)中長期光伏時(shí)序出力模擬方法進(jìn)行模擬。

(4)系統(tǒng)負(fù)荷：根據(jù)年度負(fù)荷預(yù)測結(jié)果、年負(fù)荷曲線、典型日負(fù)荷曲線，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的模擬方法生成全年8 760點(diǎn)負(fù)荷曲線。

4 青海省水光互補(bǔ)特性與效果分析

本文根據(jù)青海省電網(wǎng)規(guī)劃方案，以2020年為水平年評價(jià)該年的水光互補(bǔ)特性，分析水光互補(bǔ)效果。為了突出水電與光伏的互補(bǔ)特性，運(yùn)行模擬中僅考慮青海省水電與青海的光伏及風(fēng)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行，不考慮與外省新能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

4.1 從火電出力的角度考慮

根據(jù)運(yùn)行模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)2020年各月青?；痣娖骄隽Γ鐖D3所示。

從圖3可以看出，枯水年1～10月火電負(fù)荷較為平均，變化不大，11～12月火電負(fù)荷則有明顯增高，這是因?yàn)榍嗪Ｊ《矩?fù)荷水平較高而水電、光伏出力在冬季均較低。總體上，枯水年火電平均負(fù)荷為5 789MW，整體負(fù)荷率為61.5%。

平水年的情況與枯水年稍有差別。從圖3可以看出，6～9月平水年火電負(fù)荷明顯小于枯水年。特別是7～8月，火電承擔(dān)的負(fù)荷基本為0，這說明此時(shí)水電電量較為富裕，而火電基本停機(jī)?？傮w上，平水年火電平均負(fù)荷為3 992MW，整體負(fù)荷率為51.8%，小于枯水年。

圖3 2020年青海省各月火電平均負(fù)荷Fig.3 Monthly average load of thermal power in Qinghai Province in 2020

統(tǒng)計(jì)全年日火電負(fù)荷率，計(jì)算平均值，如表1所示。

表1 青海省2020年日火電負(fù)荷率

Table 1 Thermal generation load factor in Qinghai Province in 2020

由表1可以看出，就日火電負(fù)荷率而言，平水年普遍高于枯水年，即平水年內(nèi)火電日內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)更平穩(wěn)。這是因?yàn)槠剿陙硭^多，水電平均日可用電量更多，可以更好的削峰填谷。從季節(jié)上來看，冬季負(fù)荷率稍高，這可能是因?yàn)榍嗪Ｊ」夥诙境隽^小，凈負(fù)荷峰谷差小于春夏秋季。

綜上所述，枯水年全年火電負(fù)荷水平較為平均，各月之間無大幅波動(dòng)，水光互補(bǔ)整體效果較好；平水年日內(nèi)水電可用電量較大，削峰填谷作用更明顯，水光互補(bǔ)在單日內(nèi)效果更好。

4.2 從棄光率角度考慮

圖4描述了2020年各個(gè)月份光伏的棄光率，即棄光電量與可用電量的比值。

從圖4中可以看到，不論是枯水年還是平水年，在1～6月和 9～12月的棄光率都很小，為1%左右，即幾乎沒有棄光。然而，在平水年的汛期，即7月、8月，棄光率非常高，分別為76%與20%，這是因?yàn)榍嗪Ｊ∑剿暄雌趤硭^多，水電基本處于滿出力狀態(tài)，幾乎沒有調(diào)節(jié)能力。在 “先棄光后棄水”的調(diào)度原則下，水電大發(fā)一方面降低了系統(tǒng)的調(diào)峰能力，另一方面壓縮了光伏的發(fā)電量，所以在平水年汛期青海省棄光較多，水光互補(bǔ)效果較差。

圖4 2020年青海省各月份棄光率Fig.4 Monthly PV curtailment ratio in Qinghai Province in 2020

為了探究棄光的原因，本文進(jìn)一步選取了2個(gè)棄光典型場景。其中圖5為枯水期典型日(2月，平水年)的機(jī)組運(yùn)行位置圖，圖6為豐水期典型日(7月，平水年)的機(jī)組運(yùn)行位置圖。

圖5 枯水期典型日機(jī)組運(yùn)行位置圖Fig.5 Typical daily operating position diagram in low flow season

圖6 豐水期典型日機(jī)組運(yùn)行位置圖Fig.6 Typical daily operating position diagram in high flow season

圖5為典型的冬季枯水期棄光場景。造成棄光的原因是熱電機(jī)組因冬季供暖需保證較大出力，調(diào)節(jié)能力很小，在中午光伏大發(fā)時(shí)段無法壓低出力消納光伏，造成了電力上的不匹配。該場景的特點(diǎn)是棄光較少，且只發(fā)生在12～16時(shí)之間，因?yàn)樵诠夥隽^小時(shí)段，不存在可發(fā)電量大于負(fù)荷的情況，水電完全有能力承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)。

圖6為典型的夏季汛期棄光場景。造成棄光的原因是汛期來水較大，水電基本處于滿出力狀態(tài)，大大壓縮了光伏的發(fā)電量，使得在火電不出力的情況下依然有大量光伏被棄，這是電量上的不匹配。該場景的特點(diǎn)是棄光較多，且基本在各個(gè)時(shí)段都有棄光。

綜上，從棄光率的角度來看，枯水年水光互補(bǔ)效果較好，沒有明顯的棄光；平水年在汛期水光互補(bǔ)效果較差，棄光較多。導(dǎo)致青海省棄光的原因一方面為電力平衡約束，即冬季枯水期火電因供暖無法壓低出力，二是電量平衡約束，即夏季汛期水電被迫滿出力，壓縮了光伏的空間。

5 對青海省進(jìn)一步優(yōu)化水光互補(bǔ)的建議

根據(jù)分析，青海省枯水年的水光互補(bǔ)整體效果較好，火電各月負(fù)荷電量較為平均，各月棄光率也較低；平水年水光互補(bǔ)整體效果稍差，主要原因是汛期來水較大，導(dǎo)致火電幾乎不帶負(fù)荷，同時(shí)棄光量大幅上升。

根據(jù)典型日分析，導(dǎo)致水光互補(bǔ)效果較差的原因主要有2點(diǎn)，一是冬季青海省供熱需求大，導(dǎo)致火電機(jī)組出力無法壓低，造成中午時(shí)段部分棄光；二是夏季汛期若來水較大，則水電基本處于滿出力狀態(tài)，大大壓縮了光伏的發(fā)電空間，造成大量棄光。

根據(jù)上述分析，對青海省未來光伏與水電規(guī)劃及運(yùn)行建議如下：

(1)合理規(guī)劃新建水電站的庫容，提高豐水期水電的調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而提高豐水期光伏的接納能力；

(2)建設(shè)光熱電站，適當(dāng)增加電采暖、熱鍋爐等電熱元件，增強(qiáng)冬季供暖期火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)利用水電枯水期的調(diào)峰能力，促進(jìn)冬季的光伏消納，提高水光互補(bǔ)效果；

(3)建設(shè)外送通道，加強(qiáng)與甘肅省的聯(lián)絡(luò)，充分利用青海光伏與甘肅風(fēng)電、水電之間的互補(bǔ)效應(yīng)。

6 結(jié) 語

本文介紹了水光互補(bǔ)的效果評價(jià)指標(biāo)與特性分析流程，運(yùn)用電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬的方法，從火電負(fù)荷率與棄光率2個(gè)角度分析了青海省水電與光伏互補(bǔ)運(yùn)行的特性、評價(jià)了互補(bǔ)運(yùn)行的效果。本文根據(jù)分析結(jié)果對進(jìn)一步優(yōu)化水光互補(bǔ)效果提出了建議，以期為青海省未來光伏與水電的規(guī)劃和運(yùn)行提供參考。

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(編輯：張媛媛)

Characteristic Analysis and Effect Evaluation of Synergy Between Hydropower and Photovoltaic Power in Qinghai Province

TIAN Xu1, ZHANG Xiangcheng1, BAI Zuoxia1, MA Xue2,TAO Xin2, LI Nan2, MIAO Miao2

(1. Qinghai Province Key Laboratory of Grid-Connected Photovoltaic (PV) Technology, Xining 810000, China;2. State Grid Qinghai Electric Power Company Economic Research Institute, Xining 810000, China)

Both the output of hydropower and photovoltaic (PV) are related to weather conditions. Hydropower is able to quickly adjust and has the capacity of energy storage, which can be complementary with the PV operation and compensate the intermittent of solar energy. At present, the papers that study the complementary characteristics of these 2 kinds of power supply in different time dimension are less. This paper proposed the analysis method for the complementary characteristics of hydropower and PV power, established the evaluation index for the synergy between hydropower and PV power based on the thermal generation load factor and PV curtailment ratio, and calculated the evaluation index for the synergy between hydropower and PV power with using the chronological simulation of PV output and the operation simulation of the power system with hydropower. Taking the planning data of power system in Qinghai Province in 2020 as example, the characteristics of the synergy between hydropower and PV power in Qinghai Province in 2020 were studied, and some suggestions were proposed for the synergy operation between hydropower and photovoltaic power in Qinghai Province in the future according to the calculation results.

synergy between hydropower and photovoltaic power; operation simulation; peak off-peak regulation; thermal generation load factor; photovoltaic curtailment ratio

國網(wǎng)青海省電力公司科技項(xiàng)目(52283014000L)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0067-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.010

2015-08-06

2015-09-06

田旭(1990)，男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

張祥成(1983)，男，大學(xué)本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

白左霞(1987)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

馬雪(1990)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

陶昕(1988)，男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

李楠(1990)，男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

苗淼(1982)，男，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作。