多能互補發電的發展及其關鍵技術

李 妍，彭姚紅，崔寒珺

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001；2.國網攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000；3.中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

環境惡化和能源的短缺問題促使人類將目光投向了可再生的清潔能源，其中太陽能和風能得到了最大的發展。中國是世界上大規模開發太陽能和風電的國家之一，太陽能發電和風電的裝機容量飛速增長。據統計，2015 年全球風電產業新增裝機63013MW，同比增長22%;其中，中國風電新增裝機容量達30500MW；到2015 年年底，全球風電累計裝機容量達到432419MW，累計同比增長17%。光伏和風電在我國電力系統的滲透率日益增大。其他的新能源發電例如生物質能發電也有發展。但是，光伏發電和風電具有隨機性、間歇性和波動性的特點。光伏發電和風電的并網對電力系統的規劃、安全、調度和控制等方面的影響也越來越大。雖然光伏和風電的裝機容量很大，但是它們的并網消納仍是一個有待解決的問題。以太陽能和風能為主要代表的清潔可再生能源如何最大程度地消納得到了學術界和工程界的廣泛關注。

新能源發電的出力大多不平衡，對電網的安全穩定運行是巨大的挑戰。新能源發電以太陽能和風能發電的規模最大，但是太陽能和風能的并網消納受到了很大的限制，主要是因為以下幾個方面：

1）電網的建設相對滯后。我國太陽能和風能資源主要集中在“三北”地區，該地區能源豐富，但不是負荷中心。雖然該地區的光伏和風電的裝機容量很大，但是電網的網架結構還不能夠全部承擔輸送的任務。

2）電網調峰能力不足。太陽能和風能本身的隨機性、間歇性和波動性對電力系統調度和安全穩定的影響，正是由于這種特點，電網需要足夠調峰容量來平衡太陽能和風能出力的波動性。

3）出力預測不夠準確和精細化。目前對光伏和風電出力的出力預測還遠遠達不到調度的要求。這會加大調度的難度，往往因為預測不準而棄光或者棄風。

4）調度模式有待完善。我國電網采用的分省平衡。隨著光伏和風電的裝機容量日益增大，采用分省平衡的調度方式會造成沒有足夠的調節容量，限制了光伏和風電的并網容量。

5）消納政策有待完善。國家政策對新能源發電電價的補貼使得電網采購電價成本增大，而且新能源會占用系統中火電或者水電的容量，使火電或者水電保留一定的容量來平衡新能源出力的波動性。

因此，為了增大對新能源的消納，必須加快加強電網結構的建設，完善新能源消納的政策法規，并提高新能源出力預測的精確度。

1 多能互補發電

多能互補發電是指利用新能源（主要指太陽能和風能）和傳統的能源（水電或者火電）相互的優勢互補發電，有的會配置一定容量的儲能裝置來調節系統的出力的不平衡。

多能互補發電利用各種能源的特點進行優勢互補，主要有以下的優勢：

1）彌補各自的缺點，平滑出力曲線，可以向電網提供更多優質穩定的清潔能源；

2）共用變電設施，減少建設投資；

3）統一管理，提高工作效率；

4）充分利用資源，合理利用空間。

1.1 多能互補發電的發展

鑒于目前的技術，多能互補發電主要有風光/風光儲互補、風水互補、水光互補、光生（生物質能）互補等形式。

1.1.1 風光/ 風光儲互補發電

太陽能和風能在季節上有互補特性，很多地區太陽能夏季豐富，冬季匱乏；而風能恰好相反。采用風光進行互補發電可以實現季節上的互補。風電和光伏發電往往會配置一定容量的儲能裝置來平衡系統出力的波動性。風光/風光儲互補在太陽能和風能豐富的地區可以構建成微電網，解決偏遠地區的供電問題。

1.1.2 風水/ 水光互補發電

水能是可再生的清潔能源，水力發電具有比火力發電更靈活的調節能力。水力發電機組的這一特點，可以用來調節風電/光伏發電出力的波動性、隨機性和間歇性。

我國的一些地區具有實現風水/水光互補的優良條件。在我國的“三北”地區，風力資源豐富，風能呈現“夏秋季風較小，春冬季風能豐富”的特點，但是水力資源卻在夏秋季是豐水期，冬春季是枯水期，因此風電和水電在季節上可以實現優勢互補。

青海太陽能資源豐富，土地人口密度小，且有豐富的水電。光伏和水電互補也具有很好地條件，青海省是進行水光互補的理想地。龍羊峽水光互補電站是目前全球最大水光互補電站，給新能源消納指出了新的方向，具有很強的示范意義。

1.1.3 光生（生物質能）互補發電

光生互補發電是將光伏與生物質能結合在一起進行優化的熱力發電。在有陽光的時候，光生互補發電系統一起運行，太陽能集熱系統和生物質能發電系統共同推動汽輪機；在沒有陽光時由生物質能單獨發電。

1.2 多能互補發電的關鍵技術

1.2.1 新能源出力預測

新能源的出力特點對電力系統的調度造成了困難，同時大規模的新能源并網會對電力系統安全穩定運行造成威脅。目前，新能源的出力預測技術在時間尺度和精準度還達不到調度的要求。

出力預測的研究對象是輸出功率不為恒定值的能源短期預測，預測的參數有光照強度、風速大小等環境自然變量，根據自然變量的不同特性有不同的預測方法。

其中光伏功率預測研究現集中在超短期和短期預測上,我國對NWP 的預測在時間尺度和精度尚未達到高精確度光伏出力預測的要求,同時受到光伏數據積累量和限電等制約,預測結果與實際情況還有一定的差距。

從風力發電功率的長期跟蹤預測的實際應用中發現，為提高風力發電出力預測的精度，可以通過提高NWP 的預報精度進行改善，結合多種預測因素（物理模型、氣象信息）的預測方法發展前景廣闊。

1.2.2 多能互補系統態勢感知

包括光伏、風電等多種采用清潔能源的可再生發電單元本身具有波動特性，且運行模式更加多樣，控制方式更加復雜，因此在接入原有系統運行時，增加了許多不確定因素，不便于對其進行調度控制。在此背景下，采用適當技術實時感知多能互補系統中各電源與負荷的運行狀況。

態勢感知技術只是剛剛應用在電力系統中，在配電自動化和調度自動化中產生了萌芽，電力系統能量管理系統（EMS）的應用也隨著態勢感知的應用朝著更高級的應用功能方向發展。電力系統能量管理人員的“決策”可依托態勢感知系統“理解”和“預測”作為重要的應用功能。

1.2.3 能量管理系統

多能互補系統由于新能源的隨機性，必須對其出力的過程進行監視和控制。在多能互補系統中必須利用SCADA、AGC 和AVC 等構成一套完善的能量管理系統。

1.2.4 系統的保護與控制

多能互補系統的保護與控制是指系統故障發生時可以快速準確定位、切除故障，并恢復系統正常。

2 水光互補發電系統工程實例

光伏電站、水電站和水庫組成了常見的光伏- 水電聯合運行系統。環境因素會影響到水利發電和光伏發電的出力，其中水庫的庫容大小影響到水利發電的出力大小，日照強度和氣候溫度會影響到光伏發電的出力大小。兩種發電形式受到環境影響的趨勢也呈現出互補的關系，晴朗天氣時，日照強度和氣候溫度較高，光伏出力較高，但水庫容量較低，水電出力較低，陰雨天氣恰恰與之相反。水光發電系統聯合運行原理見圖1。

圖1 水光發電系統聯合運行原理圖

陜西省延安市安塞區王瑤水庫壩址位于杏子河中游河段，壩址以上集水面積820 km2，全流域為55.3%，干流總長為54 km，河道平均比降為4.49‰。多年平均徑流量為4050 萬m2，均質土壩壩高55 m，總庫容2.03 億m3，水庫距離下游延安市約65 km。王瑤水庫壩后電站最大水頭52.48 m，最小水頭45.58 m，結合機組選型、轉輪機直徑的取值，最小發電流量0.13 m3/s，計算得出力加權平均水頭49.93 m，裝機容量為820 kW·h，多年平均發電量302.16 萬kW·h，年利用小時數3685 h。依據《小型水力發電站設計規范》（GB 50071-2002），王瑤水庫壩后電站設計保證率選擇為P=85%。根據王瑤水庫壩后電站出力- 頻率關系曲線，查得其保證出力N保=310 kW。

陜西安塞協合200 MWp 生態光伏發電項目電池組件選用295 Wp 多晶硅電池組件，選用500kW逆變器，規劃容量200 MWp。按照《太陽能資源評估方法》（QX/T 89-2008）修正太陽能輻射的數據，本光伏發電站的光伏總輻射量為5662 MJ/m2，所處環境的日照小時數為2706 h。

電力系統中發電站存在著四種運行方式，分別為：夏季大方式、夏季小方式、冬季大方式與冬季小方式，四種運行方式取決于兩個影響因素：接線與開機。夏季大方式下發電站出線全部接線，發電機全部開機，是發電站出力最大的運行方式，本文研究選取此方式。

夏季大方式某一日中安塞區日照強度和王瑤水庫的徑流量關系，見圖2。

圖2 夏天大方式某一日中日照強度和水源的徑流量關系

由圖2 可知，光伏出力隨著日照強度的變化出現很大的波動性，而水電站出力基本保持不變，這種情況對于水- 光互補系統的出力分配是不經濟的。

光伏- 水電聯合系統容量優化時間跨度為某自然日，時間精度為某自然日中的每一小時，約束條件為水電出力大于光伏出力，水電出力與光伏出力之和等于負荷容量，優化后的光伏出力，見圖3。

圖3 優化前一日中光伏、水電輸出以及負荷分布

由圖3 可知，夏季大方式某一日中的有功負荷分布與日照強度分布相似，未優化的光伏- 水電聯合系統中光伏出力受到了很大的制約，既過度消耗了水庫容量，又產生了棄光現象。

利用粒子群算法，迭代優化后的水電出力和光伏出力曲線，見圖4。

圖4 優化后一日中光伏、水電輸出以及負荷分布

由圖4 可知，水- 光聯合系統優化后，可以增加光伏發電的出力，水電可作為熱備用，增加水庫的庫容。計算優化后水力發電的用水量，見圖5。

圖5 優化前后水力發電用水量對比

由圖5 可知，水- 光聯合系統互補優化后，水利發電的用水量顯著降低，水庫的庫容也隨之增加。

3 結語

新能源發電已形成一定的規模，但是其消納存在很大的問題，利用多能互補可以為新能源的消納提供有效途徑。我國新能源豐富，多能互補發電仍處于起步階段。本文針對多能互補的發展和關鍵技術分析得出以下幾點啟示：

（1）新能源出力預測技術必須提高精準度；

（2）新能源的調度和消納的政策和法規還有待進一步的完善；

（3）多能互補可以發揮各種能源的優勢，為電網提供更多的優質電能，是新能源消納的有效途徑。

（4）在工程實際應用中可以看出，利用多能互補發電優化后的常見的水- 光聯合輸出系統中，從環境效益上來看，光伏發電站的裝機容量越大，水電站的庫容越大；從經濟效益上來看，光伏發電站的裝機容量越大，聯合系統的經濟效益越好；從系統效益上來看，光伏發電站的裝機容量越大與水電站的裝機容量優化的緊密，聯合系統的穩定性越好，水利發電站作為熱備用隨時待命。