多能互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)

李 妍，彭姚紅，崔寒珺

（1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.國(guó)網(wǎng)攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

環(huán)境惡化和能源的短缺問題促使人類將目光投向了可再生的清潔能源，其中太陽能和風(fēng)能得到了最大的發(fā)展。中國(guó)是世界上大規(guī)模開發(fā)太陽能和風(fēng)電的國(guó)家之一，太陽能發(fā)電和風(fēng)電的裝機(jī)容量飛速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新增裝機(jī)63013MW，同比增長(zhǎng)22%;其中，中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)30500MW；到2015 年年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432419MW，累計(jì)同比增長(zhǎng)17%。光伏和風(fēng)電在我國(guó)電力系統(tǒng)的滲透率日益增大。其他的新能源發(fā)電例如生物質(zhì)能發(fā)電也有發(fā)展。但是，光伏發(fā)電和風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)。光伏發(fā)電和風(fēng)電的并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、安全、調(diào)度和控制等方面的影響也越來越大。雖然光伏和風(fēng)電的裝機(jī)容量很大，但是它們的并網(wǎng)消納仍是一個(gè)有待解決的問題。以太陽能和風(fēng)能為主要代表的清潔可再生能源如何最大程度地消納得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。

新能源發(fā)電的出力大多不平衡，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是巨大的挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電以太陽能和風(fēng)能發(fā)電的規(guī)模最大，但是太陽能和風(fēng)能的并網(wǎng)消納受到了很大的限制，主要是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：

1）電網(wǎng)的建設(shè)相對(duì)滯后。我國(guó)太陽能和風(fēng)能資源主要集中在“三北”地區(qū)，該地區(qū)能源豐富，但不是負(fù)荷中心。雖然該地區(qū)的光伏和風(fēng)電的裝機(jī)容量很大，但是電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還不能夠全部承擔(dān)輸送的任務(wù)。

2）電網(wǎng)調(diào)峰能力不足。太陽能和風(fēng)能本身的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)度和安全穩(wěn)定的影響，正是由于這種特點(diǎn)，電網(wǎng)需要足夠調(diào)峰容量來平衡太陽能和風(fēng)能出力的波動(dòng)性。

3）出力預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確和精細(xì)化。目前對(duì)光伏和風(fēng)電出力的出力預(yù)測(cè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到調(diào)度的要求。這會(huì)加大調(diào)度的難度，往往因?yàn)轭A(yù)測(cè)不準(zhǔn)而棄光或者棄風(fēng)。

4）調(diào)度模式有待完善。我國(guó)電網(wǎng)采用的分省平衡。隨著光伏和風(fēng)電的裝機(jī)容量日益增大，采用分省平衡的調(diào)度方式會(huì)造成沒有足夠的調(diào)節(jié)容量，限制了光伏和風(fēng)電的并網(wǎng)容量。

5）消納政策有待完善。國(guó)家政策對(duì)新能源發(fā)電電價(jià)的補(bǔ)貼使得電網(wǎng)采購(gòu)電價(jià)成本增大，而且新能源會(huì)占用系統(tǒng)中火電或者水電的容量，使火電或者水電保留一定的容量來平衡新能源出力的波動(dòng)性。

因此，為了增大對(duì)新能源的消納，必須加快加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建設(shè)，完善新能源消納的政策法規(guī)，并提高新能源出力預(yù)測(cè)的精確度。

1 多能互補(bǔ)發(fā)電

多能互補(bǔ)發(fā)電是指利用新能源（主要指太陽能和風(fēng)能）和傳統(tǒng)的能源（水電或者火電）相互的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)發(fā)電，有的會(huì)配置一定容量的儲(chǔ)能裝置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出力的不平衡。

多能互補(bǔ)發(fā)電利用各種能源的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，主要有以下的優(yōu)勢(shì)：

1）彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，平滑出力曲線，可以向電網(wǎng)提供更多優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的清潔能源；

2）共用變電設(shè)施，減少建設(shè)投資；

3）統(tǒng)一管理，提高工作效率；

4）充分利用資源，合理利用空間。

1.1 多能互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展

鑒于目前的技術(shù)，多能互補(bǔ)發(fā)電主要有風(fēng)光/風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)、風(fēng)水互補(bǔ)、水光互補(bǔ)、光生（生物質(zhì)能）互補(bǔ)等形式。

1.1.1 風(fēng)光/ 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電

太陽能和風(fēng)能在季節(jié)上有互補(bǔ)特性，很多地區(qū)太陽能夏季豐富，冬季匱乏；而風(fēng)能恰好相反。采用風(fēng)光進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)季節(jié)上的互補(bǔ)。風(fēng)電和光伏發(fā)電往往會(huì)配置一定容量的儲(chǔ)能裝置來平衡系統(tǒng)出力的波動(dòng)性。風(fēng)光/風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)在太陽能和風(fēng)能豐富的地區(qū)可以構(gòu)建成微電網(wǎng)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題。

1.1.2 風(fēng)水/ 水光互補(bǔ)發(fā)電

水能是可再生的清潔能源，水力發(fā)電具有比火力發(fā)電更靈活的調(diào)節(jié)能力。水力發(fā)電機(jī)組的這一特點(diǎn)，可以用來調(diào)節(jié)風(fēng)電/光伏發(fā)電出力的波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性。

我國(guó)的一些地區(qū)具有實(shí)現(xiàn)風(fēng)水/水光互補(bǔ)的優(yōu)良條件。在我國(guó)的“三北”地區(qū)，風(fēng)力資源豐富，風(fēng)能呈現(xiàn)“夏秋季風(fēng)較小，春冬季風(fēng)能豐富”的特點(diǎn)，但是水力資源卻在夏秋季是豐水期，冬春季是枯水期，因此風(fēng)電和水電在季節(jié)上可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

青海太陽能資源豐富，土地人口密度小，且有豐富的水電。光伏和水電互補(bǔ)也具有很好地條件，青海省是進(jìn)行水光互補(bǔ)的理想地。龍羊峽水光互補(bǔ)電站是目前全球最大水光互補(bǔ)電站，給新能源消納指出了新的方向，具有很強(qiáng)的示范意義。

1.1.3 光生（生物質(zhì)能）互補(bǔ)發(fā)電

光生互補(bǔ)發(fā)電是將光伏與生物質(zhì)能結(jié)合在一起進(jìn)行優(yōu)化的熱力發(fā)電。在有陽光的時(shí)候，光生互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一起運(yùn)行，太陽能集熱系統(tǒng)和生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)共同推動(dòng)汽輪機(jī)；在沒有陽光時(shí)由生物質(zhì)能單獨(dú)發(fā)電。

1.2 多能互補(bǔ)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 新能源出力預(yù)測(cè)

新能源的出力特點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)度造成了困難，同時(shí)大規(guī)模的新能源并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。目前，新能源的出力預(yù)測(cè)技術(shù)在時(shí)間尺度和精準(zhǔn)度還達(dá)不到調(diào)度的要求。

出力預(yù)測(cè)的研究對(duì)象是輸出功率不為恒定值的能源短期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的參數(shù)有光照強(qiáng)度、風(fēng)速大小等環(huán)境自然變量，根據(jù)自然變量的不同特性有不同的預(yù)測(cè)方法。

其中光伏功率預(yù)測(cè)研究現(xiàn)集中在超短期和短期預(yù)測(cè)上,我國(guó)對(duì)NWP 的預(yù)測(cè)在時(shí)間尺度和精度尚未達(dá)到高精確度光伏出力預(yù)測(cè)的要求,同時(shí)受到光伏數(shù)據(jù)積累量和限電等制約,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況還有一定的差距。

從風(fēng)力發(fā)電功率的長(zhǎng)期跟蹤預(yù)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，為提高風(fēng)力發(fā)電出力預(yù)測(cè)的精度，可以通過提高NWP 的預(yù)報(bào)精度進(jìn)行改善，結(jié)合多種預(yù)測(cè)因素（物理模型、氣象信息）的預(yù)測(cè)方法發(fā)展前景廣闊。

1.2.2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知

包括光伏、風(fēng)電等多種采用清潔能源的可再生發(fā)電單元本身具有波動(dòng)特性，且運(yùn)行模式更加多樣，控制方式更加復(fù)雜，因此在接入原有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，增加了許多不確定因素，不便于對(duì)其進(jìn)行調(diào)度控制。在此背景下，采用適當(dāng)技術(shù)實(shí)時(shí)感知多能互補(bǔ)系統(tǒng)中各電源與負(fù)荷的運(yùn)行狀況。

態(tài)勢(shì)感知技術(shù)只是剛剛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，在配電自動(dòng)化和調(diào)度自動(dòng)化中產(chǎn)生了萌芽，電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)（EMS）的應(yīng)用也隨著態(tài)勢(shì)感知的應(yīng)用朝著更高級(jí)的應(yīng)用功能方向發(fā)展。電力系統(tǒng)能量管理人員的“決策”可依托態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)“理解”和“預(yù)測(cè)”作為重要的應(yīng)用功能。

1.2.3 能量管理系統(tǒng)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)由于新能源的隨機(jī)性，必須對(duì)其出力的過程進(jìn)行監(jiān)視和控制。在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中必須利用SCADA、AGC 和AVC 等構(gòu)成一套完善的能量管理系統(tǒng)。

1.2.4 系統(tǒng)的保護(hù)與控制

多能互補(bǔ)系統(tǒng)的保護(hù)與控制是指系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)可以快速準(zhǔn)確定位、切除故障，并恢復(fù)系統(tǒng)正常。

2 水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工程實(shí)例

光伏電站、水電站和水庫(kù)組成了常見的光伏- 水電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)。環(huán)境因素會(huì)影響到水利發(fā)電和光伏發(fā)電的出力，其中水庫(kù)的庫(kù)容大小影響到水利發(fā)電的出力大小，日照強(qiáng)度和氣候溫度會(huì)影響到光伏發(fā)電的出力大小。兩種發(fā)電形式受到環(huán)境影響的趨勢(shì)也呈現(xiàn)出互補(bǔ)的關(guān)系，晴朗天氣時(shí)，日照強(qiáng)度和氣候溫度較高，光伏出力較高，但水庫(kù)容量較低，水電出力較低，陰雨天氣恰恰與之相反。水光發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行原理見圖1。

圖1 水光發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行原理圖

陜西省延安市安塞區(qū)王瑤水庫(kù)壩址位于杏子河中游河段，壩址以上集水面積820 km2，全流域?yàn)?5.3%，干流總長(zhǎng)為54 km，河道平均比降為4.49‰。多年平均徑流量為4050 萬m2，均質(zhì)土壩壩高55 m，總庫(kù)容2.03 億m3，水庫(kù)距離下游延安市約65 km。王瑤水庫(kù)壩后電站最大水頭52.48 m，最小水頭45.58 m，結(jié)合機(jī)組選型、轉(zhuǎn)輪機(jī)直徑的取值，最小發(fā)電流量0.13 m3/s，計(jì)算得出力加權(quán)平均水頭49.93 m，裝機(jī)容量為820 kW·h，多年平均發(fā)電量302.16 萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3685 h。依據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50071-2002），王瑤水庫(kù)壩后電站設(shè)計(jì)保證率選擇為P=85%。根據(jù)王瑤水庫(kù)壩后電站出力- 頻率關(guān)系曲線，查得其保證出力N保=310 kW。

陜西安塞協(xié)合200 MWp 生態(tài)光伏發(fā)電項(xiàng)目電池組件選用295 Wp 多晶硅電池組件，選用500kW逆變器，規(guī)劃容量200 MWp。按照《太陽能資源評(píng)估方法》（QX/T 89-2008）修正太陽能輻射的數(shù)據(jù)，本光伏發(fā)電站的光伏總輻射量為5662 MJ/m2，所處環(huán)境的日照小時(shí)數(shù)為2706 h。

電力系統(tǒng)中發(fā)電站存在著四種運(yùn)行方式，分別為：夏季大方式、夏季小方式、冬季大方式與冬季小方式，四種運(yùn)行方式取決于兩個(gè)影響因素：接線與開機(jī)。夏季大方式下發(fā)電站出線全部接線，發(fā)電機(jī)全部開機(jī)，是發(fā)電站出力最大的運(yùn)行方式，本文研究選取此方式。

夏季大方式某一日中安塞區(qū)日照強(qiáng)度和王瑤水庫(kù)的徑流量關(guān)系，見圖2。

圖2 夏天大方式某一日中日照強(qiáng)度和水源的徑流量關(guān)系

由圖2 可知，光伏出力隨著日照強(qiáng)度的變化出現(xiàn)很大的波動(dòng)性，而水電站出力基本保持不變，這種情況對(duì)于水- 光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力分配是不經(jīng)濟(jì)的。

光伏- 水電聯(lián)合系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化時(shí)間跨度為某自然日，時(shí)間精度為某自然日中的每一小時(shí)，約束條件為水電出力大于光伏出力，水電出力與光伏出力之和等于負(fù)荷容量，優(yōu)化后的光伏出力，見圖3。

圖3 優(yōu)化前一日中光伏、水電輸出以及負(fù)荷分布

由圖3 可知，夏季大方式某一日中的有功負(fù)荷分布與日照強(qiáng)度分布相似，未優(yōu)化的光伏- 水電聯(lián)合系統(tǒng)中光伏出力受到了很大的制約，既過度消耗了水庫(kù)容量，又產(chǎn)生了棄光現(xiàn)象。

利用粒子群算法，迭代優(yōu)化后的水電出力和光伏出力曲線，見圖4。

圖4 優(yōu)化后一日中光伏、水電輸出以及負(fù)荷分布

由圖4 可知，水- 光聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化后，可以增加光伏發(fā)電的出力，水電可作為熱備用，增加水庫(kù)的庫(kù)容。計(jì)算優(yōu)化后水力發(fā)電的用水量，見圖5。

圖5 優(yōu)化前后水力發(fā)電用水量對(duì)比

由圖5 可知，水- 光聯(lián)合系統(tǒng)互補(bǔ)優(yōu)化后，水利發(fā)電的用水量顯著降低，水庫(kù)的庫(kù)容也隨之增加。

3 結(jié)語

新能源發(fā)電已形成一定的規(guī)模，但是其消納存在很大的問題，利用多能互補(bǔ)可以為新能源的消納提供有效途徑。我國(guó)新能源豐富，多能互補(bǔ)發(fā)電仍處于起步階段。本文針對(duì)多能互補(bǔ)的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)分析得出以下幾點(diǎn)啟示：

（1）新能源出力預(yù)測(cè)技術(shù)必須提高精準(zhǔn)度；

（2）新能源的調(diào)度和消納的政策和法規(guī)還有待進(jìn)一步的完善；

（3）多能互補(bǔ)可以發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢(shì)，為電網(wǎng)提供更多的優(yōu)質(zhì)電能，是新能源消納的有效途徑。

（4）在工程實(shí)際應(yīng)用中可以看出，利用多能互補(bǔ)發(fā)電優(yōu)化后的常見的水- 光聯(lián)合輸出系統(tǒng)中，從環(huán)境效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機(jī)容量越大，水電站的庫(kù)容越大；從經(jīng)濟(jì)效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機(jī)容量越大，聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益越好；從系統(tǒng)效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機(jī)容量越大與水電站的裝機(jī)容量?jī)?yōu)化的緊密，聯(lián)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，水利發(fā)電站作為熱備用隨時(shí)待命。