基于水、光互補的優化光伏消納能力分析

牟平偉

摘要：光伏電站并網后可以對電網有調峰作用，但光伏發電具有隨機性和間歇性的特點，其季節與時特性十分明顯，為實現能源多元化，本文采用水電站、光伏電站互補方式（分時段、分情況）對電網進行調峰以及各負荷相互協調，并用工程實際案例加以應用分析，達到經濟、節能、環保目的，對光伏并網化和大型化，保證電網安全穩定運行提供理論基礎。

關鍵詞：光伏電站；消納；能源多元化；多能互補

前言

我國目前的能源結構是以煤、石油、天然氣能源為主，但由于這些能源的不可再生性，勢必使得能源的供需矛盾日益突出。作為可再生能源的太陽能，“取之不盡、用之不竭”。大力發展太陽能發電，緩解對有限礦物能源的依賴與約束，是我國能源發展戰略和調整電力結構的重要措施之一，也是保證我國能源供應安全和可持續發展的必然選擇。

光伏消納能力以及各配電網之間相互協調的問題已引起重視，針對光伏發電受時間的局限性，開展光伏消納能力分析與研究，從而保證了能源結構的合理性和科學性，極大地提高了能源調度的能力。

在國內多能互補的研究實踐中，廣州明珠工業區結合城市電網未來發展方向和技術需求，通過冷/熱/電/氣系統優化提高能源綜合利用率，積極打造可再生能源就地消納智能工業示范園。北京市延慶區“城市能源互聯網”綜合示范工程，旨在建設支撐高滲透率新能源充分消納的區域能源系統。雄安新區提出了考慮燃氣等能源為補充的“地熱+”的多能互補工程。

針對光伏發電消納能力問題，文獻[1]采用基于粒子群優化方法對配電網最大分布式光伏消納能力進行評估，并與現有分析方法的性能進行了比較，通過具體算例說明了所提方法的應用。文獻[2]運用類高斯分布抽樣法確定隨機場景配電網的光伏發電消納能力。文獻[3-5]利用轉移線路負荷和增加儲能裝置兩種方法以提高配電網光伏消納的能力，通過建立模型演算表明增加儲能裝置的方法效果會更好。文獻[6]選取能源互聯網在多能互補集成優化方面的關鍵技術為研究對象，以多能流混合建模為基礎，對多能系統規劃，智能調控，協同控制與互動、綜合評估、系統信息安全與通信等關鍵技術和挑戰進行歸納。本文通過水電站、光伏電站互補，提高光伏的消納能力。

1 水光互補系統

水光互補系統是指，當太陽光照強時，用光伏發電，水電停用或者少發。當天氣變化或夜晚的時候，就可以通過電網調度系統自動調節水電發電，以減少天氣變化對光伏電站發電的影響，提高光伏發電電能的質量，從而獲得穩定可靠的電源。

水光互補系統這個概念誕生于多能互補系統，從目前我國的能源結構來看，多能互補這個概念其實并不陌生，系統中存在著各種能源之間交換規則，每一種能源需要借助另一種能源進行協調轉換才能更高效地轉換，傳統的能源系統相互獨立的運行模式無法適應區域綜合能源系統多能互補的能源利用方式，在能量生產、傳輸、儲存和管理的幾個方面來分析整個系統，通過建立風、光、水聯合調度系統，多能互補能量管理系統等，通過技術手段提高功率預測的準確性和分辨率，最大程度上利用風電電量以及水電容量之間的互補性，通過PMU等手段來建立風、光、水電之間的聯系，最終使得光伏可以轉化成為可控的常規電源。

互補集成優化示范工程主要有兩種模式：一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，因地制宜、統籌開發、互補利用傳統能源和新能源，優化布局建設一體化集成供能基礎設施，通過天然氣熱電冷三聯供、分布式可再生能源和能源智能微網等方式，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用；二是利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優勢，推進風光水火儲多能互補系統建設運行。

間歇性是光伏發電的缺陷。間歇性意味著其發電量極不穩定，光照強的時候多，但在夜晚完全沒有。這是由于照在光伏面板上的陽光本身因天氣的不穩定而產生的“先天性缺陷”，無法通過光伏器件或發電系統自身去改變。

水電則是將河流、湖泊或海洋等水體所蘊藏的水能轉變為電能的發電方式，各水電機組利用小時主要由各地的降水量和流域來水量決定。目前，中國水電的年利用小時穩定在3000～3700小時的區間。遇到河流枯水期或者長時間降雨量較少的時候，水電則相對乏力。如果在能源利用上彼此可以相互補充，那么能夠平衡電網的需求；而且還能在電站建設、輸變電設備上可以共用，提高設備使用效率。

2 案例分析

以西南某區縣光伏電站為例。

該地區水電電源豐富，截止2017年底，該地區電網電源裝機容量總計約150.025MW，均為水電機組。其中，以110kV電壓等級接入的水電站1座，裝機容量47.7MW；以35kV電壓等級接入的水電站7座，總裝機容量67.45MW；以10kV電壓等級接入的水電站40座。

目前該地區水電站（47.7MW）具有年調節能力。若利用兩座水電站進行豐水期日調節，與光伏錯峰出力，可提高光伏消納能力約40MW，該地區電網光伏最大允許裝機總容量可提升至235MWp，其中接入點為某220kV變電站110kV側母線及下級電網的最大裝機總容量可提升至170MWp，全年水電調峰電量將達到約2000萬kWh。

2.1 光伏電站運行特性

依據采用該地區氣象站日照時數推算出輻射數據，同時結合NASA、Meteonorm氣象數據庫進行修正，得到該地區太陽能輻射數值。經檢驗，該值可與實際太陽能輻射值誤差在3%以內。因太陽能資源微觀差異小，經計算，巫該地區水平面太陽總輻射月際變化圖如下：

為了保證電網有足夠接納能力，為電網運行留有足夠裕度，同時結合光資源分布等實際因素，因此光伏電站出力特性按以下條件進行計算分析：

1）各月選取其天氣完全晴朗的一天作為典型日，巫山地區所有光伏電站均按年內該時段上限值進行出力；

2）所有光伏電站組件均為最佳傾斜角固定式安裝，同時光伏組件功率存在+0.5%的公差，不考慮光伏組件功率衰減；