對水電效益影響最小的水光互補運行方式研究

黃顯峰，顏山凱，李大成，吳 迪，李 旭

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

水能、太陽能光伏均為清潔能源，水電出力受天然來水差異的影響，表現(xiàn)為豐水期出力大、枯水期出力小的特性。光伏出力因季節(jié)更替、云層厚度和天氣變化等因素存在“間歇性、隨機性和波動性”等人為不可控的特性，對電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行造成不利影響，還會在光伏發(fā)電高峰時段，因富余光電無法儲存而出現(xiàn)大量棄光現(xiàn)象。因此要利用水電和光伏的特性，進行水光互補調(diào)度，以實現(xiàn)在盡可能小影響水電效益情況下提高光伏消納率。水光互補是利用擁有調(diào)節(jié)能力水電站的調(diào)節(jié)補償能力，對距離稍近的光伏電站優(yōu)先進行補償，并利用水電站多余調(diào)節(jié)能力，滿足電網(wǎng)的電力負荷需求，提高波動性大的光伏電站的消納，最終實現(xiàn)水電站和光伏電站發(fā)電的效益最大化[1]。

風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源的并網(wǎng)消納仍有很多問題，為了使這些清潔能源能夠最大限度地被電網(wǎng)消納吸收，學(xué)者們進行了大量研究。安源等[1]建立了水光日內(nèi)互補協(xié)調(diào)運行模型，改善了光伏的發(fā)電質(zhì)量，并提高了光伏的利用率，減少了光伏電量的損失；賈一飛等[2]研究了單庫水電站與光伏電站的互補調(diào)度，建立了水光互補短期優(yōu)化調(diào)度模型，使得水光互補系統(tǒng)在不產(chǎn)生棄水的情況下，僅產(chǎn)生少量棄光，提高了光伏利用率；朱燕梅等[3]建立了風(fēng)光水互補發(fā)電優(yōu)化模型，以棄風(fēng)光電量最小和接入的風(fēng)光總規(guī)模最大為目標對模型進行求解，結(jié)果表明這種互補發(fā)電模式減小了棄風(fēng)量和棄光量，提高了清潔能源的利用率。以上學(xué)者主要是對風(fēng)-光-水等清潔能源的日內(nèi)互補方式進行研究，一定程度上提高了清潔能源的通道利用率。

本文在水光日內(nèi)互補的基礎(chǔ)上，進一步加大水光互補的力度，進行水光月內(nèi)互補，在對水電效益影響盡可能小的情況下研究互補運行方式，提出了水光月內(nèi)互補調(diào)度規(guī)則，并以瀾滄江上游西藏段梯級水電站為例進行了計算分析。

1 水光日內(nèi)互補規(guī)則

1.1 水光不互補

水光不互補指的是原水電出力過程與原光伏出力過程簡單疊加，得到逐時的水電與光伏疊加出力過程(以下簡稱水光合計)。通道為水電與光伏出力疊加之后，水光合計的出力上限，若水光合計超出通道，則需要棄光或棄水[4]。

1.2 水光日內(nèi)互補

1.2.1水光日內(nèi)互補原理

水光日內(nèi)互補是指在水光不互補的基礎(chǔ)上，利用水庫的可調(diào)節(jié)性能，通過降低水光合計出力超通道時段的水電出力，騰出一定輸電通道給光伏出力，使光伏電量得到最大化的消納利用[1]。同時，為了保證水電出力日內(nèi)平衡，要盡量在光伏出力較小且受端用電高峰時段(9：00—21：00)加大水電出力。若用電高峰時段水電的出力不能平衡，則繼續(xù)在用電低谷時段(0:00—8：00、22:00—24：00)加大水電出力，直到水電出力達到日內(nèi)平衡[5]。即保證一日之內(nèi)不產(chǎn)生棄水的情況下，盡可能地消納光伏。

但降低出力和加大出力是有限度的，亦即瞬時梯級出力上下限。瞬時梯級出力上限指當(dāng)前預(yù)想出力，預(yù)想出力最大值為基地水電總裝機容量。瞬時梯級出力下限為每個電站單機容量的一半之和。

汛期水電、光伏整體出力以承擔(dān)基荷為主，最大限度利用通道能力送出水電和光伏電量?？萜谒姵隽傮w較小，可利用水電調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)水電日出力過程，參與受端調(diào)峰運行[6]。在光伏出力大且用電高峰時段，為了消納更多的光伏，水電出力可能會降至瞬時梯級出力下限以下，這時只能犧牲一部分光伏，讓水電達到瞬時出力下限，以保證壩址下游生態(tài)流量[7]；若光伏出力小且當(dāng)日來水較多，水電出力較大，在用電高峰時段降低水電出力之后，要在用電低谷時段加大水電出力[8]，使當(dāng)日水電出力達到平衡，但加大后的水電出力不可以超過瞬時梯級上限。

結(jié)合水電站具有快速啟?；蛘{(diào)整發(fā)電出力的優(yōu)點，采用水電消納光電即為水光互補，在光伏出力高峰時段超出電網(wǎng)通道時發(fā)生棄光，需要水庫減小發(fā)電流量，降低該時段的水電出力，將該時段水光合計出力整體降低，原超出通道的光伏出力回落至通道以內(nèi)，這部分由棄光變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的光電，即為被水電消納的光電；在光伏出力低峰段，水庫增加發(fā)電流量，加大該時段的水電出力，保證水電出力平衡的同時平抑光電單獨并網(wǎng)時的波動性。綜上，通過水光互補打捆并網(wǎng)，可有效提高光伏利用率，同時提高光電并網(wǎng)時的電能質(zhì)量。

1.2.2需調(diào)和可調(diào)的概念

水光合計出力為光伏出力與梯級水電出力逐時疊加的出力過程，計算公式為

Ni=Ni，h+Ni，p(i=1，2，…，24)

(1)

式中：Ni為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段的水電與光伏的合計出力，萬kW；Ni，h、Ni，p為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段的水電出力、光伏出力，萬kW。

水電需調(diào)出力(簡稱需調(diào))是為了保證不產(chǎn)生棄光，在水光合計出力超過通道的時段需要降低的梯級水電出力，亦即水電可以降低的出力下限，即當(dāng)NiNi，c時，Ni,na=Ni-Ni,c，其中Ni，c為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段通道的容量，萬kW，Ni，na為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段梯級水電需要降低的出力，萬kW。

水電的可調(diào)出力(簡稱可調(diào))為通道剩余出力空間和梯級水電剩余出力空間的較小值，亦即水電可以增加的出力上限，公式如下：

Ni，ca=min{Ni，cr,Ni，hr}

(2)

式中：Ni，ca、Ni，hr分別為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段梯級水電出力的可調(diào)出力、剩余出力空間，萬kW；Ni，cr為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段通道的剩余空間，萬kW。

圖1 日可調(diào)、日需調(diào)關(guān)系

1.2.3互補光伏消納率

棄光出力為水電需調(diào)出力與可調(diào)出力之差：

(3)

式中Ni,pd為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)第i個時段棄光出力，萬kW。

Ni,na≤Ni,ca時，說明水庫可以利用自身的調(diào)節(jié)能力調(diào)整一日之內(nèi)的出力過程，使得該日的光伏被完全消納，不會產(chǎn)生棄光(圖1(a)(b))；Ni,na>Ni,ca，說明水庫通過一日之內(nèi)的出力調(diào)整之后，已用盡當(dāng)日的可調(diào)節(jié)能力，但是仍不能將當(dāng)日的光伏出力完全消納，從而產(chǎn)生棄光[9](圖1(c))。

光伏消納率的計算公式為

α=(∑Ni,p-∑Ni,pd)/∑Ni,p

(4)

式中α為水光互補系統(tǒng)日內(nèi)光伏消納率，%。

2 水光月內(nèi)互補規(guī)則

2.1 水光月內(nèi)互補原理

進行水光月內(nèi)互補時，首先要確定每日的臨界出力，即為了保證一個月中的每一天均恰好不產(chǎn)生棄光，梯級水電站每天需要在原出力過程的基礎(chǔ)上增加或減小后的出力，需要分為2種情況。

a.進行日互補后，如果當(dāng)月的總需調(diào)小于總可調(diào)，說明在月互補之后，光伏出力可以被完全消納。此時，若當(dāng)日的原梯級出力大于臨界出力，則月互補后的日均梯級出力為

Nk,hm=Nk,l(k=1,2,…,m)

(5)

式中：Nk,hm為水電需降低出力天數(shù)中第k天月互補后的梯級出力，萬kW；Nk,l為水電需降低出力天數(shù)中第k天的臨界出力，萬kW；m為月內(nèi)需要降低出力的總天數(shù)。

若當(dāng)日的原梯級出力小于臨界出力，則月互補后的日均梯級出力為

Nj,hm=Nj,h+Nj,z(j=1,2,…，n)

(6)

(7)

式中Nk,r為第k天水電需要減少的出力值，萬kW。

b.在日內(nèi)互補之后，如果這個月的總需調(diào)大于總可調(diào)，說明當(dāng)月光伏出力不能被完全消納。此時，若當(dāng)日的原梯級出力小于臨界出力，則月互補后的日均梯級出力為

Nj,hm=Nj,l

(8)

式中Nj,l為水電可增加出力天數(shù)中第j天的臨界出力，萬kW。

若當(dāng)日的原梯級出力大于臨界出力，則月互補后的日均梯級出力為

Nk,hm=Nk,h+Nk,r

(9)

(10)

2.2 月互補光伏消納率

將月互補后的梯級出力和原光伏出力過程進行疊加，得到水光合計出力，如果水電出力加上光伏出力大于通道，說明必須棄光，每個月的棄光出力之和為

(11)

式中：Ni,hm為第i個時段的月互補后水電出力，萬kW；Nt為通道出力，萬kW；d為月內(nèi)總天數(shù)。

則當(dāng)月的光伏消納率的計算公式為

(12)

3 實例分析

3.1 區(qū)域概況

瀾滄江流域干流全長約4 500 km，總落差約5 060 m，流域面積約74.4萬km2，多年平均流量約18 300 m3/s[10]。瀾滄江水光互補項目由瀾滄江上游西藏段梯級水電站和光伏電站組成。由上而下依次是班達、如美、邦多、古學(xué)、曲孜卡、古水水電站，其中如美水庫具有年調(diào)節(jié)能力，在上游梯級水電站中擔(dān)任主要的調(diào)節(jié)任務(wù)。各水電站基本參數(shù)見表1。

表1 各水電站基本參數(shù)

光伏電站主要分布在芒康縣(約680萬kW)、貢覺縣它嶺場址(約200萬kW)。其他1 720萬kW光伏主要分布在瀾滄江右岸的左貢縣、察雅縣、八宿縣。瀾滄江西藏段清潔能源基地水電與光伏的分布存在水電一條線、光伏一大片、水電與光伏場址相對較遠的特點。該水光互補項目是水電和光伏共用一個外送通道，外送通道輸電能力1 000萬kW。

廣東省的用電特性為9：00—21：00用電需求大，用電比較集中，為用電高峰時期；0:00—8：00、22：00—24:00用電需求小，為用電低谷時段。廣東省典型日電網(wǎng)負荷曲線如圖2所示，汛期代表月(8月)和枯期代表月(12月)逐時光伏出力過程如圖3所示。

圖2 廣東省典型日電網(wǎng)負荷曲線

圖3 汛期、枯期代表月光伏出力過程

3.2 計算結(jié)果及分析

光伏發(fā)電與水電捆綁匯集，光伏的出力直接受到水電出力的影響，光伏出力已知的情況下，考慮通道的限制與梯級水電出力上限限制等因素，通過調(diào)節(jié)水電站的出力滿足水光互補的要求。構(gòu)建以水光互補年總電量最大為目標函數(shù)，以水量平衡、上下游水力聯(lián)系、水位限制、發(fā)電流量限制、水電站出力約束、通道限制等為約束條件的中長期調(diào)度模型，采用分段粒子群算法求解，計算梯級水電站的出力過程[11]。

在進行水光互補時，梯級出力過程進行了調(diào)整，光伏消納率也會隨之發(fā)生變化。根據(jù)光伏消納率計算公式得到平水年各個月份水光不互補、水光日內(nèi)互補以及水光月內(nèi)互補后的光伏消納率，而且在水光互補的過程中，水電發(fā)電效益受到的影響很小，具體計算結(jié)果見表2、表3。

由表2可見，水光不互補時，平水年各月的光伏消納率均未達到100%，也就是說此時平水年各月都要棄光。進行日互補之后，只有汛期的6—9月的光伏消納率沒有達到100%。進行月互補之后，光伏消納率進一步提升，只有7月的光伏消納率是94.19%，其余各月的光伏消納率均達到了100%。縱觀平水年這一年，光伏消納率從水光不互補的79.62%，到水光日內(nèi)互補的93.11%，再到水光月內(nèi)互補的99.62%；光伏消納量從水光不互補的133.61億kW·h，到水光日內(nèi)互補的156.24億kW·h，再到水光月內(nèi)互補的167.16億kW·h，光伏消納率和光伏消納量都在逐步提升。

表2 平水年水光日互補、月互補計算結(jié)果

由表3可見，雖然水光互補作用下，平水年的光伏消納率得到了大幅提升，然而，梯級水電站在水光互補前、后的發(fā)電量均為424.7億kW·h，說明水電的發(fā)電效益在進行水光互補后并沒有產(chǎn)生損失。這樣既充分滿足了水電的發(fā)電要求，在保證了不棄水的情況下，光伏消納率也幾乎達到了100%。在水光互補之后，水電與光電的合計發(fā)電量也從558.35億kW·h上升到了591.89億kW·h，互補后的發(fā)電增益量為33.54億kW·h，水光合計發(fā)電效益提高了6%，極大地發(fā)揮了兩者的效益，進一步地提高了清潔能源的使用效率。

表3 平水年水光月互補前后水電、光伏發(fā)電量

對于日調(diào)節(jié)水庫，一般只進行水光日內(nèi)互補；對于年調(diào)節(jié)及多年調(diào)節(jié)水庫，則可以進行月內(nèi)互補和年內(nèi)互補。如美水庫為年調(diào)節(jié)水庫，因此要考慮月內(nèi)互補和年內(nèi)互補。因為平水年來水過程比較均勻，更具有代表性，所以典型年選取平水年作為代表年，且平水年不同時期的來水過程存在差異，水電出力過程也各不相同。在汛期(6—10月)，瀾滄江流域天然來水量大，各日的水電出力也較大；在枯期(11月至次年5月)來水較小，各日的水電出力也較小。平水年汛期和枯期中各選取一個月作為代表月，汛期取8月，枯期取12月，按照文中所述梯級調(diào)度規(guī)則進行水光互補，得到各代表月互補前后梯級出力過程如圖4所示。

圖4 汛期8月和枯期12月出力過程

由圖4可知，汛期8月出力過程互補后的梯級出力更加合理。在8月9日、12日、13日、14日、17日、23日、25日、28日、30日、31日原水光合計出力均大于1 000萬kW，超過通道出力能力，若不進行互補只能棄光，光伏消納率就相對較小。因此，在進行月互補時，這幾天的梯級出力都適當(dāng)?shù)販p小，同時為了保證當(dāng)月水電發(fā)電效益受到的影響盡可能小，將該月剩余21天的梯級出力在原梯級出力的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加。最后得到的原梯級出力和互補后梯級出力之和相等，即盡可能小的影響水電效益，且互補后每日的水光合計出力過程沒有超過通道的現(xiàn)象，也就是說汛期8月在互補后既不棄水也不棄光。

枯期原水光合計出力沒有超過通道的情況，因此不會出現(xiàn)棄光的現(xiàn)象，所以梯級出力過程不需要調(diào)整，也不需要考慮臨界出力的作用，枯期互補前后的梯級出力過程一致。

4 結(jié) 語

針對光伏利用率偏低的問題，提出了梯級水電站的調(diào)度規(guī)則，該規(guī)則既可以充分保證水電的效益不受損失，又可以顯著提高光伏的利用率，水光互補之后瀾滄江上游西藏段梯級水電站可以使光伏消納率提高20%，在互補的同時梯級水電站的發(fā)電效益也沒有受到損失，水光合計發(fā)電效益也提高了6%。該調(diào)度規(guī)則為水電和光伏的互補調(diào)度提供了新思路，為提高多種清潔能源的利用率提供了新方法。

當(dāng)前水光互補是出力平衡和水量平衡分開考慮的，梯級調(diào)度得到的是整個梯級電站總體的出力過程。在今后的研究中，要在此研究的基礎(chǔ)上，將出力平衡和水量平衡同時考慮進來，并將梯級整體的出力過程具體分配到各個電站。