水光互補發(fā)電運行策略研究

魏宏陽，姚李孝，張凱棋（.西安理工大學水利水電學院，西安　70049；.國網(wǎng)安徽長豐縣供電有限責任公司，安徽　長豐　300）

水光互補發(fā)電運行策略研究

魏宏陽1，姚李孝1，張凱棋2
（1.西安理工大學水利水電學院，西安710049；2.國網(wǎng)安徽長豐縣供電有限責任公司，安徽長豐231100）

大規(guī)模光伏發(fā)電因其間歇性、波動性和隨機性的出力特點，直接并入電網(wǎng)會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和調(diào)峰產(chǎn)生不利影響，經(jīng)水電補償后可變?yōu)橐子陔娋W(wǎng)接受的優(yōu)質(zhì)能源。提出3種水光互補發(fā)電運行策略，建立最優(yōu)運行策略的模型，并對格爾木水光互補發(fā)電項目的實際分析。仿真結(jié)果表明，該運行策略在水光互補發(fā)電運行中具有良好的應用效果。

光伏發(fā)電；水光互補；運行策略；最優(yōu)

0　引言

光伏發(fā)電安全、無污染、不消耗燃料，是理想的清潔能源。但其出力具有隨機性、波動性、間歇性等特點，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定的影響。水電站具有運行靈活、啟動迅速、較快適應負荷變動等特點［1］，可對不穩(wěn)定的電源進行補償。利用水能、光能的互補性，依托水輪發(fā)電機組的快速調(diào)節(jié)能力，當光伏電站出力發(fā)生變化時調(diào)整水電站的有功出力進行補償，實現(xiàn)水光互補發(fā)電，達到平滑光伏出力曲線、提高光伏發(fā)電質(zhì)量的目的［2］。

世界第一座水光互補電站于2009年落戶青海玉樹，實現(xiàn)了光能與水能之間的互補，填補了國際大規(guī)模水光互補關(guān)鍵技術(shù)的空白，為我國清潔能源提供了互補的新型發(fā)展模式［3］。文獻［3-5］分析了水光互補電站推廣應用的可行性；文獻［6］提出了兩種水光互補發(fā)電系統(tǒng)的模型，并對其進行了仿真研究；文獻［7］介紹水光互補微網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲及運行模式；文獻［8］歸納總結(jié)出風光互補系統(tǒng)的幾種運行模式和工作狀態(tài)；文獻［9］建立了大規(guī)模并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)分析模型，并對其運行特性進行了研究；文獻［10］提出了“風光水”互補發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度策略，建立了系統(tǒng)優(yōu)化模型。

目前許多學者和專家在新能源聯(lián)合利用領(lǐng)域展開了研究，尤其是對風光互補發(fā)電研究較多，但對水光互補發(fā)電的研究相對較少。本文主要介紹了水光互補發(fā)電的原理和系統(tǒng)模型，提出3種運行策略，結(jié)合格爾木水光互補系統(tǒng)的發(fā)電特性，分析3種運行策略的優(yōu)劣，提出最優(yōu)運行策略，對促進水光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展以及新能源聯(lián)合利用具有重要意義。

2　水光互補發(fā)電系統(tǒng)模型

水光互補發(fā)電原理主要包括兩個方面［11］。

利用水電機組的快速調(diào)節(jié)能力對光電進行實時補償，使原本因隨機性、波動性和間歇性而呈鋸齒狀的光電出力曲線平滑穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1　水電平擬光電波動性、隨機性出力

水光互補運行需要將光電接入水電站，與水電作為一個組合電源接受電網(wǎng)的調(diào)度，如圖2所示。

圖2　水電平擬光電間歇性出力

水光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電站、水電站和調(diào)節(jié)水庫組成。

光伏電站輸出功率模型［12］為

式中：ηS為光伏電站發(fā)電系數(shù)；PSg為光伏電站裝機容量；ES為日照強度。

水電站輸出功率模型［13］為

式中：ηH為水電站發(fā)電系數(shù)；WH為水電站發(fā)電用水量。

水光互補發(fā)電系統(tǒng)總輸出功率模型為

3　水光互補運行策略分析

為總結(jié)已有水電站優(yōu)化調(diào)度的經(jīng)驗，考慮各種可能的補償方式及其影響［14］，提出3種水光互補運行策略。

策略1：利用水電的快速調(diào)節(jié)能力，使光伏原本呈鋸齒狀的出力曲線變成光滑的曲線，經(jīng)水電補償后的光伏電站作為獨立電源并入電網(wǎng)。

策略2：光伏電站和水電站組合為一個電源，經(jīng)水電站對光伏電站進行補償后，送入電網(wǎng)，聯(lián)合系統(tǒng)基荷出力為光伏電站出力與水電站基荷出力之和。

策略3：光伏電站和水電站組合為一個電源，經(jīng)水電站對光伏電站進行補償后，送入電網(wǎng)，保持聯(lián)合系統(tǒng)基荷出力等于互補前水電站基荷出力。

策略3由于互補后系統(tǒng)出力大小保持不變，水電出力在光伏出力期間有所下降，這一時段減小的水電出力可全部參與調(diào)峰，故可調(diào)電量增加。從水電補償光伏出力的速度來看，由于聯(lián)合系統(tǒng)基荷出力已確定，策略3比策略1、2的補償速度更為迅速、準確，反應更為靈敏。結(jié)合格爾木水光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點，策略3為最優(yōu)運行策略。

策略3的內(nèi)涵是將光伏電站接入水電站作為水電站的額外機組，與水電站作為一個組合電源整體接受電網(wǎng)的調(diào)度，共同參與電網(wǎng)調(diào)峰。

策略3的數(shù)學模型為

式中：Pi為i時刻系統(tǒng)基荷出力；PSi為i時刻光伏出力；PHi為i時刻水電站出力。

格爾木水光互補發(fā)電項目由格爾木河流域已建成的7座水電站和水電新光光伏電站組成。水電總裝機101.1MW，包括乃吉里水電站（3×4MW）、小干溝水電站（4×8MW）、大干溝水電站（2×10 MW）、一線天水電站（3×2.5MW）、一線天二級水電站（2×4MW）、奈金河水電站（2×6.5MW）、瑤池水電站（2×4.3MW）?，F(xiàn)已開工建設兩座電站總裝機32MW，南溝水電站（2×6MW）、昆侖泉水電站（2×10MW）。

水電新光光伏電站一期于2011-12-23并網(wǎng)，容量20MW；二期于2012-12-26并網(wǎng)，容量20WM；三期于2013-12-20并網(wǎng)，容量30WM?，F(xiàn)在光伏電站總?cè)萘繛?0WM。

根據(jù)策略3，水電新光光伏電站可作為格爾木河流域上的第8座水電站，接受青海電網(wǎng)的調(diào)度。依據(jù)格爾木水電站和水電新光光伏電站的實際運行資料，選取典型日數(shù)據(jù)按照策略3進行仿真，仿真結(jié)果如圖3～5所示。

圖3　11月晴天水光互補總出力過程

圖4　2月陰天水光互補總出力過程

圖5　7月雨天水光互補總出力過程

從圖3～5可以看出，在有光照時間段內(nèi)，水電的出力曲線隨光伏的出力曲線發(fā)生近似鏡像變化，以維持系統(tǒng)基荷出力不變；無光照時間段內(nèi)，水電出力曲線保持系統(tǒng)基荷值水平。陰天和雨天中光伏出力波動很大，當光伏出力發(fā)生波動時，水電迅速、準確補償光電，大幅度提高光伏出力的電能質(zhì)量，使其更為穩(wěn)定、可靠，易于電網(wǎng)接納吸收。調(diào)峰能力上，水電提供容量保證，光電提供電量充足，系統(tǒng)具有良好的調(diào)峰能力。

4　結(jié)語

水光互補發(fā)電充分利用太陽能與水能各自的優(yōu)點，提高清潔能源的利用率，不僅大幅度提高電能質(zhì)量，也解決了光伏電站并網(wǎng)的難題。本文介紹了水光互補發(fā)電的原理及模型，提出了3種水光互補運行策略；對比分析了3種運行策略的優(yōu)裂，得出最優(yōu)策略；介紹最優(yōu)策略的內(nèi)涵，并建立其數(shù)學模型。對格爾木水光互補發(fā)電項目進行實際分析，結(jié)果表明最優(yōu)策略在水光互補發(fā)電運行中具有良好的應用效果。

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Operation Strategy of Photovoltaic-hydro Com p lementary Power Generation System

WEIHongyang1，YAO Lixiao1，ZHANG Kaiqi2
（1.Institute ofWater Resource and Hydro-electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710049，China；2.State Grid Changfeng Electric Power Supply Company，Changfeng 231100，China）

Due to characteristics of intermittent，volatility and randomness output，the large scale photovoltaic power generation directly incorporated into the power grid would affect the stable operation and peak load regulation.However，through the compensation of hydropower，the photovoltaic power generation becomes easy to be accepted by the power grid as the high quality energy.Three operation strategies of complementary photovoltaic-hydro power generation system are proposed，and the model of optimal operation strategy is established，then the project of complementary photovoltaic-hydro power generation system in Golmud is analyzed.Simulation results show that this operation strategy has good application effects in operation of the complementary photovoltaic-hydro power generation system.

photovoltaic；complementary photovoltaic-hydro；operation strategy；optimal

TM615；TM76

A

1007－9904（2016）04－0043－03

2016-02-18

魏宏陽（1991），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與優(yōu)化運行；

姚李孝（1962），男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行；

張凱棋（1992），男，研究方向為電力系統(tǒng)分析與優(yōu)化運行。