太陽能水力聯(lián)合能源發(fā)電模式研究

朱永平 ，孟利平，饒 民

（云南大唐國際電力有限公司，云南 昆明 650011）

氣候?qū)我坏乃Πl(fā)電影響較大，枯水季節(jié)幾乎不能發(fā)電，僅僅依靠水力發(fā)電解決不了現(xiàn)實(shí)的能源需求，配套增加太陽能發(fā)電是對現(xiàn)有水力發(fā)電能源最好的補(bǔ)充。本文提出利用太陽能、水力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)聯(lián)合調(diào)度發(fā)電，通過集中控制室實(shí)施太陽能發(fā)電裝置與水輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)合發(fā)電，利用同一送出線路向電網(wǎng)供電[1-3]，可大大解決太陽能發(fā)電裝置的土地制約問題，并能夠大規(guī)模利用太陽能及水力這兩種清潔能源。

1 技術(shù)方案

單獨(dú)運(yùn)行的水電站年運(yùn)行2500～6000 h，具有連續(xù)發(fā)電的優(yōu)勢,但受季節(jié)影響，枯水期水量減少不能連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行；單獨(dú)運(yùn)行的太陽能發(fā)電裝置年運(yùn)行1100～1500 h，發(fā)電效率與季節(jié)、晝夜及陰晴等氣象條件密切相關(guān)。由于光照能量分布密度小，光電轉(zhuǎn)換效率不高，光伏發(fā)電出力不穩(wěn)定，不能連續(xù)在網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)光照間歇變化造成脫網(wǎng)事故概率較大，影響電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻[4]，大規(guī)模應(yīng)用太陽能已成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)瓶頸。

太陽能光伏板占用面積大，可考慮利用水庫水面建立太陽能發(fā)電裝置，水電站與太陽能發(fā)電裝置通過集中控制室聯(lián)合發(fā)電，使用同一送出線路向電網(wǎng)供電[3]，如圖1所示。可以新建太陽能水力聯(lián)合發(fā)電站，即同時(shí)新建水電站與太陽能發(fā)電裝置，也可以在現(xiàn)有的水電站水庫中建設(shè)太陽能發(fā)電裝置。

圖1 太陽能水力聯(lián)合能源發(fā)電示意

1.1 實(shí)現(xiàn)方案

為了在水電站水庫水面設(shè)置大容量太陽能發(fā)電裝置，需要將多個(gè)太陽能發(fā)電裝置發(fā)出的直流電分組集中匯入逆變裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^太陽能升壓變壓器經(jīng)關(guān)口電量表并入出口母線，水輪發(fā)電機(jī)組和太陽能發(fā)電裝置設(shè)置關(guān)口電量表分別計(jì)量電量，經(jīng)主變壓器升壓送入電網(wǎng)，通過水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制 （AGC）裝置實(shí)施太陽能發(fā)電裝置與水輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電，使用同一送出線路向電網(wǎng)供電[3]，設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 太陽能水電站聯(lián)合能源發(fā)電流程

1.2 調(diào)度方式

考慮到水電站受徑流流量的影響大，而太陽能受天氣的影響大等特點(diǎn)，可由集中控制室統(tǒng)一調(diào)度太陽能發(fā)電裝置和水輪發(fā)電機(jī)組。當(dāng)水量及陽光充足時(shí)太陽能機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組同時(shí)發(fā)電，水輪發(fā)電機(jī)組可投入AGC裝置，以滿足電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻要求；枯水季節(jié)陽光充足時(shí)太陽能發(fā)電裝置優(yōu)先發(fā)電，水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)蓄水；陽光缺失時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組單獨(dú)發(fā)電，水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)太陽能發(fā)電裝置可供水電站廠用電備用電源。

1.3 技術(shù)要求

將水電站水庫水面設(shè)置的太陽能發(fā)電裝置與水輪發(fā)電機(jī)組用AGC集中控制，單獨(dú)設(shè)置太陽能和水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)口電能電量表。太陽能發(fā)電裝置發(fā)出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，經(jīng)太陽能升壓變壓器升壓后并入水輪發(fā)電機(jī)組出口母線，經(jīng)主變壓器送電網(wǎng)變電站。

2 太陽能水力聯(lián)合能源發(fā)電的特點(diǎn)

（1）太陽能水力聯(lián)合發(fā)電站將建在水電站水庫水面上的太陽能發(fā)電裝置與水電站聯(lián)合調(diào)度發(fā)電。

（2）通過集中控制室AGC控制太陽能發(fā)電裝置和水輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)度發(fā)電，利用同一送出線路向電網(wǎng)供電。利用太陽能、水電的發(fā)電優(yōu)點(diǎn)，使聯(lián)合發(fā)電站能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足電網(wǎng)發(fā)電要求。

（3）太陽能水力聯(lián)合能源發(fā)電模式在枯水期間利用太陽能發(fā)電增加水庫蓄能，彌補(bǔ)了單一水力發(fā)電的不足，提高了水庫蓄能水位和發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。

3 經(jīng)濟(jì)效益

（1）以云南省為例，若建設(shè)3000萬kW太陽能與水力聯(lián)合發(fā)電站，用同一送出線路向電網(wǎng)供電，可以節(jié)約送出線路投資150億元以上。同時(shí)可節(jié)省耕地占用費(fèi)200億元 （75萬元/hm2，1萬kW太陽能發(fā)電裝置覆蓋面積26.67 hm2）。

（2）2011年全球化石燃料燃燒釋放的CO231.6億t，其中煤燃燒釋放的CO2占到總量的45%。若建設(shè)3000萬kW太陽能與水力聯(lián)合發(fā)電站，1300利用小時(shí)可發(fā)電390億kW·h，減排CO23354萬t。

（3）太陽能水力聯(lián)合能源發(fā)電水光互補(bǔ)?？菟竟?jié)太陽能白天發(fā)電時(shí)水輪發(fā)電機(jī)停機(jī)蓄水儲(chǔ)能。晚上水輪發(fā)電機(jī)組再發(fā)電。雨季白天太陽能少發(fā)，水能多發(fā)，用這種方式每個(gè)水力發(fā)電站可以多增加700 h以上利用小時(shí)。

（4）1萬kW太陽能發(fā)電裝置覆蓋水面面積0.2667 km2（400畝）。太陽能水力聯(lián)合發(fā)電、聯(lián)合調(diào)度技術(shù)可減少水庫水面蒸發(fā)，提高水資源利用率。若建設(shè)3000萬kW太陽能與水電聯(lián)合發(fā)電站，按云南氣候年平均蒸發(fā)量1000 mm計(jì)算，每年可減少80040萬t水的蒸發(fā)。按5 m3/(kW·h)水耗計(jì)算，可增加水力發(fā)電16008萬kW·h。

（5）以多晶硅電池組件5500元/kW、并網(wǎng)逆變及升壓裝置900元/kW、漂浮及固定支架1100元/kW、安裝費(fèi)1100元/kW測算，水面太陽能發(fā)電工程單位容量靜態(tài)投資8950元/kW。云南單位容量造價(jià)最低的賓川光伏電站可研靜態(tài)投資11180元/kW，加上征地和送出工程費(fèi)用，預(yù)計(jì)突破12500元/kW。水面太陽能發(fā)電工程與水力發(fā)電聯(lián)合調(diào)度與單一的光伏電站相比，單位容量靜態(tài)投資可降低 3550元/kW。

4 前景分析

以云南省為例，云貴高原空氣稀薄、清新，大氣層密度小，陽光透過率高，太陽高角度大，日照時(shí)數(shù)長，太陽能資源僅次于西藏、內(nèi)蒙、青海等省區(qū)，為中國最豐富的省份之一。全省年太陽總輻射量 3620～6682 MJ/m2， 年日照時(shí)數(shù) 960～2840 h，每天從太陽獲得平均熱量1300×1012 kcal。季節(jié)分布特點(diǎn)是冬春 （干）季多、夏秋 （雨）季少。春季是全年日照時(shí)數(shù)最多、太陽總輻射量最大的季節(jié)，冬季是太陽總輻射量最小的季節(jié)。干季 （11月～4月）日照時(shí)數(shù)多、太陽總輻射量大，此時(shí)段為中國太陽總輻射量數(shù)值較多的地區(qū)。雨季 （5月～10月）日照時(shí)數(shù)少，太陽總輻射量小。云南省地處太陽能資源豐富區(qū)，利用太陽能光伏發(fā)電的條件優(yōu)越，前景廣闊[5]。

云南是全國水電資源大省，境內(nèi)水能資源豐富，居全國第二，約占全國總量4.02億kW的24.4%。不僅資源蘊(yùn)藏量巨大，且分布主要集中在金沙江、瀾滄江、怒江三大流域，占云南省經(jīng)濟(jì)可開發(fā)容量的85.6%。 云南省內(nèi)流域水量充沛而穩(wěn)定，可開發(fā)水電站裝機(jī)容量9795萬kW，在不增加占用土地面積，不增加送出的情況下利用水電站水庫，理論上可建設(shè)8000萬kW太陽能發(fā)電裝置。積極有序地開發(fā)太陽能與水電聯(lián)合發(fā)電資源，是國家能源戰(zhàn)略的需要，是中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，是中國生態(tài)文明建設(shè)的需要。

5 結(jié)語

太陽能與水力聯(lián)合發(fā)電模式是解決太陽能裝置土地難題的新思路。

（1）利用水電站水庫水面建設(shè)太陽能與水力聯(lián)合能源發(fā)電站，可極大地減少建設(shè)太陽能電站耕地占用面積和平整土地費(fèi)用，減少水庫水面蒸發(fā)，增加枯水季節(jié)水庫面積，大幅度提高太陽能在電網(wǎng)中的裝機(jī)容量，提升枯期水電站的發(fā)電能力，比單獨(dú)水力發(fā)電或單獨(dú)太陽能發(fā)電裝置更安全，更經(jīng)濟(jì)，效率更高。是大規(guī)模利用清潔能源的新形式。

（2）太陽能與水力聯(lián)合發(fā)電不增加電網(wǎng)的短路容量，可避免逆變側(cè)網(wǎng)絡(luò)故障沖擊發(fā)電機(jī)，滿足電力系統(tǒng)潮流分布、繼電保護(hù)和無功控制要求。

（3）將太陽能發(fā)電裝置和水輪發(fā)電機(jī)組合通過AGC聯(lián)合調(diào)度，將太陽能發(fā)電間歇發(fā)電，不能連續(xù)在網(wǎng)運(yùn)行的缺陷控制在相對穩(wěn)定狀態(tài)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在增加枯水季節(jié)水力發(fā)電能力的同時(shí)大規(guī)模利用太陽能。

［1］太陽能光熱發(fā)電前景廣闊［N］.中國電力報(bào).2012-03-27.

［2］國際能源署.可再生能源市場中期報(bào)告［R］.2012.

［3］朱永平，孟利平，饒民.一種水面太陽能水力聯(lián)合發(fā)電方法［P］.中國專利申請?zhí)朇N201210116081.

［4］Q/DBW 617—2011光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］云南省能源局.云南省太陽能資源評價(jià)報(bào)告［R］.2011.