水光互補發電運行策略研究

魏宏陽，姚李孝，張凱棋（.西安理工大學水利水電學院，西安　70049；.國網安徽長豐縣供電有限責任公司，安徽　長豐　300）

水光互補發電運行策略研究

魏宏陽1，姚李孝1，張凱棋2
（1.西安理工大學水利水電學院，西安710049；2.國網安徽長豐縣供電有限責任公司，安徽長豐231100）

大規模光伏發電因其間歇性、波動性和隨機性的出力特點，直接并入電網會對電力系統的穩定運行和調峰產生不利影響，經水電補償后可變為易于電網接受的優質能源。提出3種水光互補發電運行策略，建立最優運行策略的模型，并對格爾木水光互補發電項目的實際分析。仿真結果表明，該運行策略在水光互補發電運行中具有良好的應用效果。

光伏發電；水光互補；運行策略；最優

0　引言

光伏發電安全、無污染、不消耗燃料，是理想的清潔能源。但其出力具有隨機性、波動性、間歇性等特點，對電力系統的穩定運行產生一定的影響。水電站具有運行靈活、啟動迅速、較快適應負荷變動等特點［1］，可對不穩定的電源進行補償。利用水能、光能的互補性，依托水輪發電機組的快速調節能力，當光伏電站出力發生變化時調整水電站的有功出力進行補償，實現水光互補發電，達到平滑光伏出力曲線、提高光伏發電質量的目的［2］。

世界第一座水光互補電站于2009年落戶青海玉樹，實現了光能與水能之間的互補，填補了國際大規模水光互補關鍵技術的空白，為我國清潔能源提供了互補的新型發展模式［3］。文獻［3-5］分析了水光互補電站推廣應用的可行性；文獻［6］提出了兩種水光互補發電系統的模型，并對其進行了仿真研究；文獻［7］介紹水光互補微網系統的拓撲及運行模式；文獻［8］歸納總結出風光互補系統的幾種運行模式和工作狀態；文獻［9］建立了大規模并網風光互補發電系統動態分析模型，并對其運行特性進行了研究；文獻［10］提出了“風光水”互補發電系統的調度策略，建立了系統優化模型。

目前許多學者和專家在新能源聯合利用領域展開了研究，尤其是對風光互補發電研究較多，但對水光互補發電的研究相對較少。本文主要介紹了水光互補發電的原理和系統模型，提出3種運行策略，結合格爾木水光互補系統的發電特性，分析3種運行策略的優劣，提出最優運行策略，對促進水光互補發電系統發展以及新能源聯合利用具有重要意義。

2　水光互補發電系統模型

水光互補發電原理主要包括兩個方面［11］。

利用水電機組的快速調節能力對光電進行實時補償，使原本因隨機性、波動性和間歇性而呈鋸齒狀的光電出力曲線平滑穩定，如圖1所示。

圖1　水電平擬光電波動性、隨機性出力

水光互補運行需要將光電接入水電站，與水電作為一個組合電源接受電網的調度，如圖2所示。

圖2　水電平擬光電間歇性出力

水光互補發電系統主要由光伏電站、水電站和調節水庫組成。

光伏電站輸出功率模型［12］為

式中：ηS為光伏電站發電系數；PSg為光伏電站裝機容量；ES為日照強度。

水電站輸出功率模型［13］為

式中：ηH為水電站發電系數；WH為水電站發電用水量。

水光互補發電系統總輸出功率模型為

3　水光互補運行策略分析

為總結已有水電站優化調度的經驗，考慮各種可能的補償方式及其影響［14］，提出3種水光互補運行策略。

策略1：利用水電的快速調節能力，使光伏原本呈鋸齒狀的出力曲線變成光滑的曲線，經水電補償后的光伏電站作為獨立電源并入電網。

策略2：光伏電站和水電站組合為一個電源，經水電站對光伏電站進行補償后，送入電網，聯合系統基荷出力為光伏電站出力與水電站基荷出力之和。

策略3：光伏電站和水電站組合為一個電源，經水電站對光伏電站進行補償后，送入電網，保持聯合系統基荷出力等于互補前水電站基荷出力。

策略3由于互補后系統出力大小保持不變，水電出力在光伏出力期間有所下降，這一時段減小的水電出力可全部參與調峰，故可調電量增加。從水電補償光伏出力的速度來看，由于聯合系統基荷出力已確定，策略3比策略1、2的補償速度更為迅速、準確，反應更為靈敏。結合格爾木水光互補發電系統的特點，策略3為最優運行策略。

策略3的內涵是將光伏電站接入水電站作為水電站的額外機組，與水電站作為一個組合電源整體接受電網的調度，共同參與電網調峰。

策略3的數學模型為

式中：Pi為i時刻系統基荷出力；PSi為i時刻光伏出力；PHi為i時刻水電站出力。

格爾木水光互補發電項目由格爾木河流域已建成的7座水電站和水電新光光伏電站組成。水電總裝機101.1MW，包括乃吉里水電站（3×4MW）、小干溝水電站（4×8MW）、大干溝水電站（2×10 MW）、一線天水電站（3×2.5MW）、一線天二級水電站（2×4MW）、奈金河水電站（2×6.5MW）、瑤池水電站（2×4.3MW）。現已開工建設兩座電站總裝機32MW，南溝水電站（2×6MW）、昆侖泉水電站（2×10MW）。

水電新光光伏電站一期于2011-12-23并網，容量20MW；二期于2012-12-26并網，容量20WM；三期于2013-12-20并網，容量30WM。現在光伏電站總容量為70WM。

根據策略3，水電新光光伏電站可作為格爾木河流域上的第8座水電站，接受青海電網的調度。依據格爾木水電站和水電新光光伏電站的實際運行資料，選取典型日數據按照策略3進行仿真，仿真結果如圖3～5所示。

圖3　11月晴天水光互補總出力過程

圖4　2月陰天水光互補總出力過程

圖5　7月雨天水光互補總出力過程

從圖3～5可以看出，在有光照時間段內，水電的出力曲線隨光伏的出力曲線發生近似鏡像變化，以維持系統基荷出力不變；無光照時間段內，水電出力曲線保持系統基荷值水平。陰天和雨天中光伏出力波動很大，當光伏出力發生波動時，水電迅速、準確補償光電，大幅度提高光伏出力的電能質量，使其更為穩定、可靠，易于電網接納吸收。調峰能力上，水電提供容量保證，光電提供電量充足，系統具有良好的調峰能力。

4　結語

水光互補發電充分利用太陽能與水能各自的優點，提高清潔能源的利用率，不僅大幅度提高電能質量，也解決了光伏電站并網的難題。本文介紹了水光互補發電的原理及模型，提出了3種水光互補運行策略；對比分析了3種運行策略的優裂，得出最優策略；介紹最優策略的內涵，并建立其數學模型。對格爾木水光互補發電項目進行實際分析，結果表明最優策略在水光互補發電運行中具有良好的應用效果。

［1］高慶敏，王利平，孟繁為，等.現代水輪發電機調速策略的發展［J］.華北水利水電學院學報，2011，32（5）：71-73.

［2］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.

［3］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）：113.

［4］王曉忠，孫韻琳，劉靜，等.水-光互補發電站推廣應用的可行性分析［J］.中外企業家，2013（15）：231-234.

［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］陳巒.光伏電站-水電站互補發電系統的仿真研究［J］.水力發電，2010，36（8）：81-84.

［7］薛慧杰，王昊軼，楊子龍，等.基于動態規劃的水光互補微網逆變器調度策略研究［J］.太陽能學報，2013，34（10）：1 724-1 728.

［8］齊志遠，王生鐵，田桂珍.風光互補發電系統的協調控制［J］.太陽能學報，2010，31（5）：654-660.

［9］蔡國偉，孔令國，楊德友，等.大規模風光互補發電系統建模與運行特性研究［J］.電網技術，2012，36（1）：65-71.

［10］陳麗媛，陳俊文，李知藝，等.“風光水”互補發電系統的調度策略［J］.電力建設，2013，34（12）：1-6.

［11］龍羊峽水光互補協調運行研究課題組.龍羊峽水光互補協調運行研究與應用研究成果報告［R］.西寧：龍羊峽水光互補協調運行研究課題組，2014.

［12］CHEN Yong，WEI Jincheng，Independent Photovoltaic Power Generation System Simulation［J］.Electrical Engineering，2013，14 （1）：9-13.

［13］吳杰康，熊焰.風、水、氣互補發電模型的建立及求解［J］.電網技術，2014，38（3）：603-609.

［14］祁生晶.龍羊峽水光互補320MWp并網光伏電站工程水光互補分析［D］.西安：西安理工大學，2014.

Operation Strategy of Photovoltaic-hydro Com p lementary Power Generation System

WEIHongyang1，YAO Lixiao1，ZHANG Kaiqi2
（1.Institute ofWater Resource and Hydro-electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710049，China；2.State Grid Changfeng Electric Power Supply Company，Changfeng 231100，China）

Due to characteristics of intermittent，volatility and randomness output，the large scale photovoltaic power generation directly incorporated into the power grid would affect the stable operation and peak load regulation.However，through the compensation of hydropower，the photovoltaic power generation becomes easy to be accepted by the power grid as the high quality energy.Three operation strategies of complementary photovoltaic-hydro power generation system are proposed，and the model of optimal operation strategy is established，then the project of complementary photovoltaic-hydro power generation system in Golmud is analyzed.Simulation results show that this operation strategy has good application effects in operation of the complementary photovoltaic-hydro power generation system.

photovoltaic；complementary photovoltaic-hydro；operation strategy；optimal

TM615；TM76

A

1007－9904（2016）04－0043－03

2016-02-18

魏宏陽（1991），男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與優化運行；

姚李孝（1962），男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統規劃與運行；

張凱棋（1992），男，研究方向為電力系統分析與優化運行。