基于發電效益最大化的水光互補方案優化設計

王學成，楊 雨，劉慶超

（1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責任公司，新疆富蘊836100；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

基于發電效益最大化的水光互補方案優化設計

王學成1，楊 雨2，劉慶超2

（1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責任公司，新疆富蘊836100；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

針對某水電站由于來水的季節變化特性，而導致的長期低效率運行問題，本文提出建設水光互補系統的優化方案。通過與當地電網公司重新協商調度協議，實現水電的優化運行，提高整個項目的盈利能力。

水光互補；水電優化運行；盈利能力提升

0 引言

水光互補項目往往依托已建成水電站，將新建光伏電站視為擴建容量而接入其中。這種發電形式不但能夠解決光伏安全并網的難題[1，2]；也最大限度地利用當地資源，發揮兩種能源各自的優勢，相互間做到有益的補充[3]；同時節省建設成本，提高送出設備的利用率；另外增加互補發電單元中機組運行的靈活性，通過優化提升發電企業的盈利能力，是新能源產業發展的方向之一。

目前，對水光互補工程的研究，多數集中在提高發電系統并網電能質量，使其對電網更加友好[4~6]，而它對發電企業的價值則鮮有提及。本文主要研究實現水光互補之后，如何通過改變電站原有調度策略，最大限度地提高發電系統運行效率，增強發電企業的盈利能力。

1 某水電站運行現狀

某水電站水庫正常蓄水位802m，相應庫容8630萬m3，死水位790m，相應庫容3930萬m3。電站正常運行中水頭一般在52~43m之間變化。水輪機型號為HAL551-LJ-230，其額定水頭41m，額定轉速230.8r/min，單機額定流量41.34m3/s。發電機采用3臺SF15-26/4500型發電機，單機額定功率15MW，額定電壓10.5kV，額定功率因數0.85（滯后），額定轉速230.8r/min。經過一輪改造后，單臺發電機組最大功率可達16.7MW。

根據歷史數據，電站各月的平均來水量及流量見表1，每年4~9月為豐水期，電站出力較高；10月~來年3月為枯水期，枯水期電站只能維持在一個很低的出力下運行，一方面，由水輪機的效率特性可知（如圖1所示），機組低負荷運行導致系統效率低下，為電站帶來了極大的損失（以二月份為例，平均流量僅有8.0m3/s，電站為了維持高水頭，只能利用來水發電，此時對應的水輪機效率只有不足50%）；另一方面，由于調度協議的約束，電站如果停機蓄水又將面臨巨額罰款，二者共同影響了水電站收益。

表1 某水電站各月的平均來水量及流量

2 水光互補方案設計

2.1 優化方案可行性分析

為改變水電站長期低效率運行的現狀，考慮在電站附近建設光伏發電工程，實現水光互補，項目建成后，水電和光伏將作為一個整體的發電單元對外供電。通過和電網公司協商新的調度協議，有望改變項目公司現有經營狀況，實現項目更好的盈利。

由于國家政策限制，在該地區爭取地面光伏電站指標存在困難，本項目擬建設18MWp分布式光伏電站，與水電站形成互補。水光互補形成后，水電站可采取日間蓄水，夜間發電的調度策略，以提高發電時段的負載率，提高電站發電效率。另外，根據項目公司反饋，已與電網公司達成初步協議—水光互補發電中，對水、光系統一天中供電的連續性可不做嚴格要求，也即在制定調度協議時，水電站可不考慮與光伏在發電時段上的配合，而是根據本電站效率最優化的需要，靈活決定每天的發電時間。

工程所處地區分布式光伏上網電價僅為0.67元/kWh（當地火電脫硫后的標桿上網電價0.25元/kWh+分布式光伏補貼0.42元/kWh），低于地面光伏電站0.9元/kWh的標桿上網電價。偏低的電價致使其本身盈利存在困難，然而就水光互補整體而言，由于水電站效率的大幅提升，整個系統仍有望獲得更好的盈利能力，方案具有可行性。

圖1 水輪機運行特性曲線

2.2 水電站優化運行

“我們相信(Xe-100的)安全案例已得到充分證明，我們認為這是一種內在安全的反應堆。”X能源主管反應堆研發的副總裁馬丁·范斯塔登表示，“我們不需要任何操縱員行動和能動電力系統來確保電廠或公眾安全”或“確保任何廠區邊界(輻射照射)限值均不會被超出”。

以年發電量最大為優化調度目標，調度周期分為T個時段，以t代表時段變量，t=1，2，…，T；以Qt表示水庫在t時段的發電引用流量；Ht表示水庫在t時段的平均發電水頭；Vt表示水庫在t時段的平均庫容，則優化調度目標函數為：

約束條件為：

發電引用流量限制：

水庫庫容限制：

水庫水量平衡方程式：

電站出力限制：

式中A—系數，包括發電效率和時段時間的影響；

Qmax，Qmin—允許的最大、最小發電引用流量；

Qrt—t時段的入庫流量；

ΔVqt—t時段的棄水總量；

Nmax，Nmin—電站允許的出力上、下限。

假設發電機效率恒為97%，結合圖1所示水輪機效率曲線，擬合得到發電機組的效率模型；以年為周期進行優化，將每15min作為一個調度時段，水頭調節范圍為43~52m，采用粒子群算法對上述問題進行優化，優化結果見表2。

觀察上表可以發現針對不同的時間和來水量，優化方案給出了不同的策略：

（1）對于來水量不大，利用當天來水無法使電站維持全天滿發的月份（1~3月、7~12月），方案在只利用當天來水發電，維持高水頭這一原有運行策略的基礎上，充分利用了水光互補系統中水電站每日發電時間相對靈活的優勢，通過合理控制每日發電時間，使電站在發電時段保持高負荷運行，大幅提高了電站的效率，從優化結果中可以看出，對應月份在優化后，均達到了機組可能達到的最佳耗水率7.63m3/kWh，大幅優于優化前值，同時發電量大幅提升，尤其對于嚴重枯水期（11月至來年4月），優化后可提升發電量近50%，為電站帶來巨大的效益，體現出水光互補系統在盈利能力上的優越性。

（2）洪水期面臨大量棄水，單純追求發電的低耗水率沒有意義。本方案充分發揮水庫的調節能力，在汛期來臨之前（4月份）利用原有庫容盡可能地增加發電量，同時清空庫容，此時總優化目標等價于通過科學調度庫容，換取盡可能長的電站滿發時間；待洪水期來臨后（5~6月份），電站可不計效率地隨時保持滿發，同時逐漸恢復水庫水位。從優化結果可以看到，雖然由于水頭的變化導致機組4~5月份耗水率有所上升，但4月份因此增加了發電量近40%，且由于來水充足，5月份在恢復水頭的同時，機組仍可保證滿發，發電量未受影響，同時減少了棄水量。圖2~圖5為4、5月份電站水頭高度和機組耗水量變化曲線。

圖4可見，由于來水量巨大，進入汛期之后，水庫僅用10天左右時間即恢復了最高水位。水庫有限的調節能力，導致電站在5~6月仍會面臨較大的棄水量。

表2 枯水優化期各月的日發電時間、效率和發電量

3 項目經濟評價

項目新建光伏電站所在地最佳傾斜面年輻照量為1821kWh/m2，20年可研平均利用小時數為1334h。項目裝機為18MWp，由于可利用水電站已有設施實現并網，無需另外建設升壓站以及送出線路，按單位千瓦投資7800元/kW計算成本；另外光伏電站無需增加運維人員，可節省一部分開支。

該項目為分布式光伏電站，上網電價為0.67元/kWh，本身不具備盈利能力，而對于水光互補系統，可考慮將互補后水電站提升的效益，作為補貼收入納入到光伏發電項目中之，得到光伏項目資本金內部收益率為23.37%之間，優于普通的地面式光伏電站，盈利能力優秀。

圖2 四月水頭高度變化曲線

圖3 四月機組耗水量變化（維持32.4MW）曲線

圖4 五月水頭高度變化曲線

圖5 五機組耗水量變化（維持50.1MW）曲線

表3 項目經濟指標匯總表

4 結語

為了解決某水電站長期運行效率低下的問題，本文提出了建設水光互補發電單元的優化方案：

（1）通過在水電站附近建設光伏電站，組成水光互補單元，改變電站與電網公司間的調度協議，提高水電站運行的靈活性；

（2）以水電站年發電量最大為目標，在枯水期和汛期采用不同的運行策略，大幅提高了水電站發電量；（3）由于該區域地面式電站指標限制，方案擬建設18MWp分布式光伏項目。雖然分布式項目上網電價較低，但其存在有利于整個發電系統的效益提升，將水電站提升的效益納入到光伏項目后，得到光伏項目資本金內部收益率為23.37%，盈利能力優秀。

[1]王社亮，馮黎，張娉，等.多能互補促進新能源發展[J].西北水電，2014，（6）：79~82.

[2]左婷婷，楊建華，邵冰然.風、水、光互補發電系統優化與環境價值[A].中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會論文集（下冊）[C].2008.

[3]Yang H，Zhou W，Lu L，et al.Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm [J].Solar energy，2008，82（4）：354~367.

[4]龔傳利，王英鑫，陳小松，等.龍羊峽水光互補自動發電控制策略及應用[J].水電站機電技術，2014，37（3）：63~64.

[5]沈有國，祁生晶，侯先庭.水光互補電站建設分析[J].西北水電，2014，（6）：83~86.

[6]汪洋.水光互補模式推廣應用的分析[J].資源節約與環保，2015，（3）：114.

Optimal Scheme Design of Hybrid Hydro-Solar Power Generation Aiming at Maximizing Generation Benefits

WANG Xue-cheng1，YANG Yu2，LIU Qing-chao2
（1.Xinjiang Huadian Sarbulak hydropower limited liability company，Fuyun 836100，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030）

To solve the problem of some hydropower plant operating at low efficiency，due to the seasonal changing character of runoff，this paper proposes a optimal scheme of constructing hybrid hydro-solar power generation system. Through renegotiating the dispatching protocol with the local Grid Corp，we realize optimal operation of hydropower，and improve the profitability of the entire project.

hybrid hydro-solar power generation；optimal operation of hydropower；profitability improvement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.008

TM61

B

2095-3429（2015）06-0027-04

2015-09-01

修回日期：2015-11-16

王學成（1978-），男，助理工程師，從事水電站及新能源電站生產運營及項目前期管理工作。