（国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司 青海西宁 810008）
摘要：近年来，世界能源发展与环境保护矛盾日益突出，缓解能源供需矛盾，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环显得尤为重要。水光互补作为解决风、光等可再生能源的电能质量不高问题的一种发电策略尝试，充分利用了不同电源发电特性，为我国乃至世界能源结构调整，大力发展清洁能源提供了良好的示范。但目前以多种能源进行互补发电的电源建设缺乏前期系统规划和全面分析，多数仍是依托现有电源系统补充建设。
关键词：水光互补；发电特性；电源系统；优化；多能互补
前言
能源是社会和经济发展的动力和基础。由于传统化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、开发综合能源利用系统及多能互补、加强可再生能源综合利用成为解决社会经济发展过程中的能源需求增长与能源紧缺之间矛盾的必然选择。欧洲是最早提出综合能源系统概念（欧盟第五框架）并最早付诸实施的地区，如德国RegModHarz项目，成功的将光伏发电、风电、生物质发电及储能装置打包作为虚拟电源系统，参与电力市场交易，实现了可再生能源的源、网、荷深度融合及最优化利用，促进了电力供给侧与需求侧的智能交互。我国综合能源系统发展较晚，由于不同电源形式开发条件及发展程度的差异，能源互补也主要依托某种能源形式进行补充建设，不同电源往往单独设计、独立运行，缺乏前期的系统规划分析及协调。如何在规划初期即进行不同电源的系统性分析，有效发挥不同能源发电优势并提高利用效率是互补电源项目成功建设的重要基础。水光互补系统是多能互补电源系统的一种重要尝试，而水电与光伏同期规划、建设则有助于电源系统中不同能源的最优化利用，降低电源系统成本。本文以水光互补等发电特性为基础，探讨在水光互补系统中水力发电与光伏发电同期开发建设的有关问题，以期为多能互补电源系统规划与建设、综合能源系统设计提供借鉴。
1 传统水光互补电源系统
目前我国水光互补发电项目多为光伏电站依托水电站开发建设，将光伏电站作为不可调的“虚拟水电机组”接入水电站，利用水电站送出通道送出。如青海省龙羊峡850MW水光互补光伏发电项目、贵州省牛栏江象鼻岭50MW水光互补农业光伏发电项目等。电网调度指令把光电控制下发到水电站，与水电站的AGC系统结合起来。光伏电站在各种典型天气工况下按自然条件变化发电，水电站水轮发电机组以单机或多机成组方式调节，补偿光伏出力与调度发电计划之间的出力，保证全厂总出力与调度发电计划相吻合，满足调度对幅值响应误差波动的要求。同时通过互补AVC控制软件，将母线电压控制在设定范围内，确保电压偏差满足电网要求。
水光互补后，水库下泄流量偏差可以通过隔日的发电计划进行一定的修正，由于下泄流量的偏差较小，对整个流域水量平衡和梯级电站的运行不产生影响，水电日总电量不变，日出库水量不变，减少电网为吸纳光伏电量所需的旋转备用容量，提高了电网消纳及送出能力。
2 水电与光伏发电特性分析
2.1 水力发电特性
水力发电需根据水文参数、水库特性等进行径流调节计算，合理安排发电及综合利用，建立水库最优运行方式。水力发电相对规模较小的光伏发电而言，具有建设周期长、发电成本低、高效灵活、综合效益明显、一次性投资大、建厂后不易增加容量等特点，其中最为显著的优势就是响应迅速且“自带”能量储存功能。水轮发电机组启动、操作灵活，能在短时间内完成增减负荷的任务，适应电力负荷变化的需要，发电出力平稳而可靠。因此电网系统中多利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务。
2.2 光伏发电特性
由于太阳能属于能量密度低的能源，光伏发电具有出力不稳定和间歇性的特点，长距离输送中电力潮流变化将会给电网的电压控制增加难度，电力系统需要有足够备用容量来调节，通常会有水电机组或火电机组承担旋转备用。光伏发电受季节变化、昼夜交替、天气变化等因素影响，白天发电，晚上出力为零，发电出力变化较大，同时不易存储。以北方某光伏电站为例，电站晴天、多云、小雨天气日小时发电出力曲线如下图：
从图中可以看出，晴天时光伏出力曲线呈光滑的开口朝下的“抛物线”型，多云和小雨天气光伏出力曲线呈现不同波动幅度“锯齿”型。光伏发电白天出力高峰期时，正是电网用电负荷低谷期，晚上用电高峰期，光伏出力却为零；同时光伏出力的不稳定性对电网安全稳定运行造成一定的影响，满足不了电网用电需求。
3 水光互补发电特点
3.1 发电特性及优势
水光互补发电利用水轮发电机组的调节来对抗恶劣天气，使光伏发电出力平衡输出，同时利用水量调节弥补独立光伏电站白天发电，晚上不发电的不足，获得稳定可靠的综合电源。以北方某水光互补项目为例，互补电源系统晴天、多云、小雨天气整体日小时发电出力曲线如下图：
图表显示，水轮发电机组独立发电时出力平稳，水光互补后可弥补光伏出力波动较大的缺点。互补电源系统一方面解决了光伏发电受自然条件变化影响而出现的间歇性、波动性和随机性而产生的功率不稳定问题，同时将弃光变为存水，最大限度的消纳光伏发电，减少弃光损失，实现了大规模光伏电站电能消纳的目标。另一方面并网光伏电站的就近接入，减少了对外送出线路的工程投资，提高了项目的运营效益，通过水电快速补偿光伏发电引起的频率、电压变化，降低了远距离调节的电能损耗和调节时间。
3.2 传统水光互补需要解决的问题
由于传统水光互补项目需要依托现有水电站开发建设光伏项目，因此需要进行一系列的技术分析。主要包括水电站调节设备适应性、水量平衡分析、光伏电站规模设计、光伏电站出力预测、水电站送出能力分析、互补调节控制分析等。一是需对水轮发电机组稳定性，及励磁系统、调速系统的响应性及性能进行试验，提出各系统调节性能指标；二是为不影响流域梯级现有发电能力，需进行水光互补协调运行水量平衡分析，综合分析水光互补后水电站耗水率变化情况及水电站需要具备的调节库容；三是需建立光伏发电出力预测模型及协调运行数学模型，开发水电光伏组合发电计划曲线生成软件、水光互补有功功率（AGC）/电压控制（AVC）软件等，并研究互补控制原则和策略。与此同时，为保证互补电源系统电力送出，水电与光伏应距离较近，水电站应具备光伏接入的电气条件及合适的水库及机组调节能力，送出线路容量应达到互补要求。
由此可见，传统水光互补电源系统只能在水电站现有条件的基础上调整光伏电站的设计建设，受到水电站现有送出能力的限制，同时需要进行大量的协调测试。从电源发电条件的角度，光伏发电选址与规模设计同时又需要参考水电站当地太阳辐射量、日照小时数、当地气候条件及温度等影响光伏发电的诸多因素。诸多限制条件将会在一定程度上影响水光互补光伏电站的规划设计，不利于有效发挥不同能源发电优势，难以实现两种能源的高效协调利用。
4 水电与光伏同期建设优化建议
基于以上发电特性及综合能源系统理念分析，广义的水光互补电源系统应当是水力发电与光伏发电作为电源的组成部分，同期规划设计、开发建设。电网针对整个电源系统下发调度指令，水电与光伏依托协调运行控制系统充分发挥各自优势，通过分析水库来水量情况、光伏场址辐照强度，进行系统发电预测并计算协调运行关系曲线，根据自然条件合理分配水电与光伏出力，向电网提供安全、稳定的互补电源系统，达到电网调动曲线。要实现上述目的，需在传统水光互补电源建设模式的基础上，项目规划初期就将水电与光伏作为整体电源系统同期设计、全面分析。
4.1 依托自然条件选址
互补电源系统规划建设初期，应根据宏观选址条件，初步拟定水电站建设场址及施工条件，合理预留光伏项目可能的场址。根据当地土地及光伏项目政策、价格，日照条件、地形、地貌、气候、地质等自然条件，及水电项目土地占用，结合NASA或Meteonorm获取的太阳能辐射量数据资料，分析并初步选定多个可能的光伏场址，后期根据电源规模设计、升压站等送出设计及互补控制设计等方面综合考虑选定场址。
4.2 合理设计电源规模
根据电网负荷需求及电源规划情况，互补电源系统应采用能量匹配的方法、遗传算法等综合确定光伏项目装机。其中可建立水光互补经济模型目标函数，分析在不影响水电站正常运营甚至可提高水电站运营收益的情况下，互补电源系统的经济效益最大化的光伏电站装机。
4.3 拟定互补控制策略
水光互补前期联合控制设计需要综合考虑光伏发电预测、水库调度、机组容量、机组运行工况（汽蚀区、振动区）、机组耗量特性等多方面因素，将水电站机组与光伏负荷目标值进行优化分配，以达到经济运行的目的。设计时可将光电负荷作为扰动源，根据水电站机组运转特性曲线及振动区分布，优化水电机组运行工况、减少机组损耗，制定跨振动区策略及防多机组频繁调节策略，设定光伏电站变化响应死区及水电机组调节技术参数，在保证全厂出力满足调度要求的前提下，保证互补电源系统的稳定运行。
4.4 设定电压控制参数
目前国内大容量无功补偿装置配置的选型及制造难度较大、成本较高，难以满足大规模光伏电站运行需要。而试验表明，通过水电机组无功调节来取代或部分代替光伏电站无功补偿配置容量是可以实现的。前期设计应通过拟定母线电压的系统允许范围、水轮发电机定子温度限制范围、水电单台机组无功调节范围、全厂电压调节死区、全厂无功调节死区、全厂电压调节最大变幅等参数，分析送出母线电压变化，设计光伏无功补偿装置的投入。
4.5 水量平衡分析
设计初期应通过模拟在不同天气情况、不同调度曲线或电网临时干预调度、水库水位变化等情况下，分析互补电源运行是否按照总调度曲线运行。分析时应充分考虑光功率预测误差，结合光功率预测模拟分析、水库水位分析、调节计算确保水量调度按计划执行，且水电站下游水位变幅应满足一定的要求，不影响水电站梯级运行及调峰能力。
4.6 送出线路距离比较
为保证互补电源系统电力送出，送出部分设计应同时考虑两种电源的电气接入条件，按照前述设计的水电及光伏装机规模，合理确定送出间隔、送出线路容量。在初步拟定送出升压站位置后，进行光伏电站发电量、集电线路建设、送出线路建设比较，对比光伏发电效果最优情况下的互补电源系统投资、建设条件、工期等因素，合理确定升压站位置及送出容量，节省电源系统整体投资。
5 总结
水光互补作为多能互补系统建设的重要尝试，如果在电源规划设计初期就充分考虑不同电源发电特性，进行系统规划和全面分析，而不仅仅是依托现有电源系统补充建设，将会大大促进不同能源发电优势的互补，实现两种能源的高效协调利用，同时为多能互补电源系统的规划及建设提供了参考。
参考文献：
[1]程林，张靖，黄仁乐等，基于多能互补的综合能源系统多场景规划案例分析，电力自动化设备，2017。
[2]李春来，杨小库，太阳能与风能发电并网技术，中国水利水电出版社，2011。
[3]张舒捷，姚李孝，张节潭，杨国清，基于遗传算法的水光互补光伏电站容量优化研究，青海电力，2015。
[4]沈有国，祁⽣晶，侯先庭，水光互补电站建设分析，西北水电，2014。
[5]大规模水光互补关键技术研究及示范课题组，龙羊峡水光互补协调运行试验报告及结论，2015。
[6]李乃永，于振，曲恒志，并网光伏电站特性及对电网影响的研究，电网与清洁能源，2013。
[7]林文瀚，微型智能控制光水互补工程技术及应用，机电技术，2015.
论文作者:胡高峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/11
标签：水光论文; 光伏论文; 电源论文; 系统论文; 水电站论文; 电站论文; 送出论文; 《电力设备》2017年第35期论文;