西藏光水互補(bǔ)發(fā)電研究現(xiàn)狀與對(duì)策

劉 威

(華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏地區(qū)傳統(tǒng)能源十分缺乏，電網(wǎng)覆蓋率底，無(wú)法滿足全區(qū)農(nóng)牧民的生活用電問(wèn)題，但全區(qū)太陽(yáng)能與水電資源儲(chǔ)量極為豐富。當(dāng)前，西藏水電存在因季節(jié)性缺水問(wèn)題，發(fā)電機(jī)組損壞嚴(yán)重，發(fā)電量少且不穩(wěn)定等問(wèn)題；全區(qū)光伏產(chǎn)品市場(chǎng)份額仍比較小。光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是雙向互補(bǔ)系統(tǒng)，可根據(jù)外界環(huán)境變化、負(fù)載特性等靈活調(diào)動(dòng)，承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)，提高電能輸出質(zhì)量，對(duì)緩解全區(qū)電力需求增長(zhǎng)問(wèn)題有重要意義。

1 光水互補(bǔ)發(fā)電研究現(xiàn)狀

在光水互補(bǔ)上，楊清[1]建立了獨(dú)立型水光儲(chǔ)微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置模型，以水電機(jī)組啟停次數(shù)為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮各種約束條件及能量管理策略，利用粒子群優(yōu)化算法驗(yàn)證了模型的有效性。邢健[2]驗(yàn)證了抽水蓄能電站可緩解光伏電站接入對(duì)局域電網(wǎng)的影響。杜俊[3]以來(lái)水量、光照強(qiáng)度為因子，采用遺傳算法篩選出了最適合光水聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的調(diào)度策略。黃河公司提出了龍羊峽“光水互補(bǔ)電站”項(xiàng)目，共有4臺(tái)320 MW的水電機(jī)組和1臺(tái)320 MW光伏機(jī)組，使線路利用率提高到了5 019 h，該電站光水互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行效果良好、運(yùn)行穩(wěn)定[4]。

針對(duì)西藏地區(qū)，當(dāng)前沒(méi)有大型光水互補(bǔ)電站，光水互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)也處在初期研究階段。孟濤[5]、楊秀媛[6]針對(duì)適用于西藏阿里地區(qū)的光/水/儲(chǔ)/柴互補(bǔ)獨(dú)立電力系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行方式分析和仿真研究，提出了小容量獨(dú)立電網(wǎng)中光伏電站儲(chǔ)能裝置的改進(jìn)PQ下垂控制及兩種功率外環(huán)控制策略。萬(wàn)久春[7]探討了阿里地區(qū)風(fēng)光蓄水互補(bǔ)開發(fā)方式的可行性。

2 西藏光伏與水電開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 太陽(yáng)能利用

截至2015年年底，西藏全區(qū)光伏總裝機(jī)容量達(dá)到了199 MW，其中多數(shù)是由大型MW級(jí)光伏電站組成。微小型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要推廣應(yīng)用的產(chǎn)品有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能手提式便攜燈、太陽(yáng)能戶用系統(tǒng)等。此外，2～5 kW的光伏通訊基站也廣泛應(yīng)用于青藏鐵路、G318、G217等主干道沿線。全區(qū)從事太陽(yáng)能開發(fā)利用的企業(yè)達(dá)到了百余家，企業(yè)代表有國(guó)電投西藏公司、中源能源、金凱能源等。“光電計(jì)劃”、“金太陽(yáng)工程”等項(xiàng)目為西藏太陽(yáng)能資源開發(fā)利用做了良好鋪墊，但仍存在體制、人員不足，太陽(yáng)能高效利用、光熱利用、多能互補(bǔ)利用技術(shù)缺乏等諸多問(wèn)題。

2.2 水電利用

截至2015年，西藏全區(qū)水電裝機(jī)容量達(dá)到了1 057 MW，輸變電線路總長(zhǎng)度達(dá)到了3萬(wàn)km。“十二五”期間，全區(qū)建成了昌都金河、拉薩直孔、林芝老虎嘴等多座水電站；建成了區(qū)內(nèi)第一條220 kV輸變電線路；電網(wǎng)最高電壓等級(jí)提升到了±400 kV(DC)、±500 kV(AC)；青藏直流聯(lián)網(wǎng)、川藏聯(lián)網(wǎng)工程都紛紛建成投產(chǎn)。全區(qū)從事水電開發(fā)的企業(yè)主要有中國(guó)華能、華電、大唐等，主要開發(fā)片區(qū)有雅魯藏布江、“三江流域”以及拉薩年儲(chǔ)河和尼洋河等兩河流域。西藏水電在政府和企業(yè)的帶領(lǐng)下飛速發(fā)展，但主要以開發(fā)大型水電站為主，缺乏對(duì)光水互補(bǔ)發(fā)電的開發(fā)利用。

3 光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

3.1 光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理

光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由水電站、光伏電站和PID策略控制中心三大部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。工作原理是：光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板吸收轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能形成交流電A，水電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)水輪機(jī)等水電站輔助設(shè)備將水能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能最終形成交流電B，將交流電A、B分別輸入到PID策略控制中心，通過(guò)控制中心的程序控制與反饋處理，對(duì)交流電A/B進(jìn)行整合輸出供給負(fù)載使用。其中，蓄電池組2作為整個(gè)光水互補(bǔ)系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，需要大容量配置，其造價(jià)會(huì)比較高；但它具有調(diào)節(jié)電能質(zhì)量和平穩(wěn)電力輸出的優(yōu)越性。如有多余電量，可以上傳到公共電網(wǎng)。也可以開展獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立水電發(fā)電系統(tǒng)、各個(gè)影響因子對(duì)整個(gè)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的影響等研究工作。

圖1 光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

3.2 光水互補(bǔ)物理模型

根據(jù)光水互補(bǔ)的原理，搭建了光水互補(bǔ)的物理模型，如圖2所示。其中水電站由引水系統(tǒng)、蓄水系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)啟停機(jī)組、大壩閘門、壓力鋼、支墩、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組、尾水管以及其他輔助設(shè)備組成；光伏電站由太陽(yáng)能電池板陣列、匯流箱、充放電控制器、逆變器等組成。光伏發(fā)電與水力發(fā)電均輸送至廠房?jī)?nèi)的中心調(diào)控室，與互補(bǔ)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與策略控制，再進(jìn)行整流、濾波、儲(chǔ)能、變電等處理，最后輸變電給負(fù)載使用。其中，光伏電站的建設(shè)可以安裝在廠房頂部或者受光照面上，也可以安裝在廠房附近通過(guò)電纜與中心控制進(jìn)行連接，其他組成部分的建設(shè)安裝依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行。

圖2 光水互補(bǔ)的物理模型圖

3.3 光水互補(bǔ)運(yùn)行模式

根據(jù)裝機(jī)容量和負(fù)荷分配情況，光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可分為主從式和對(duì)等式兩種[8]。

主從運(yùn)行方式可分為以“水電為主，光伏為輔”和以“光伏為主、水電為輔”兩種。“光伏為主、水電為輔”模式、因其造價(jià)太高，投入與收益不成正比，在實(shí)際生產(chǎn)生活中不適用。“水電為主，光伏為輔”模式下，水電站為主電網(wǎng)，電網(wǎng)的頻率與電壓依靠水電站維持，光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行作為輔助電源，兩者同時(shí)接受調(diào)度指令以滿足變化的負(fù)載需求。該模式下水電站承擔(dān)基荷較大，泄水量較大，需要壩前蓄水量足夠充分。在白天光照輻射較強(qiáng)時(shí)，光伏電站出力水平較高，可以減小水電發(fā)電的出力。該模式是當(dāng)前光水互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用最典型的模式，也是將來(lái)光水互補(bǔ)電站研究的重點(diǎn)。

對(duì)等模式是指光伏電站與水電站在裝機(jī)容量中所占的比例對(duì)等。白天由光伏電站作為主要電源進(jìn)行供電，供給負(fù)載使用或者上傳至公共電網(wǎng)；夜間由水電站作為主要電源進(jìn)行供電；當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，由光伏電站和小水電站同時(shí)供電。該模式下光伏發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻作用，需要較大蓄電池容量，建設(shè)成本較高。

4 案例應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益分析

吳迪[9]綜合考慮水電、光伏以及柴油發(fā)電等因素，建立了10 MW阿里光/水/蓄/柴互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，其裝機(jī)組成見表1。

表1 阿里地區(qū)微網(wǎng)建設(shè)方案表

針對(duì)上述方案中的光水互補(bǔ)模塊進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析如下。

水電站裝機(jī)為9.6 MW，光伏電站為10 MW。該電站主要含蓋建設(shè)費(fèi)用和后續(xù)電站維護(hù)費(fèi)用。阿里地區(qū)建設(shè)成本較高，非常規(guī)值，本文以華能藏木水電站(1.88萬(wàn)元/kW)、加查水電站(1.77萬(wàn)元/kW)建設(shè)費(fèi)用為參考，結(jié)合藏區(qū)其他水電建設(shè)費(fèi)用，取水電站建設(shè)費(fèi)用單價(jià)1.5萬(wàn)元/kW。那么，此方案建設(shè)費(fèi)用為9.6 MW×1.5萬(wàn)元/kW=14 400萬(wàn)元。光伏電站的建設(shè)設(shè)備包括逆變器、匯流器、控制器、電池板、光伏支架及其配件、蓄電池、避雷裝置、調(diào)控監(jiān)控室、電纜等裝置。當(dāng)前光伏建設(shè)成本逐年下降，市場(chǎng)均價(jià)(8～12)萬(wàn)元/kW，本文取10萬(wàn)元/kW為計(jì)算價(jià)格。那么，10 MW的光伏電站建設(shè)費(fèi)用為10 000萬(wàn)元。所以，該方案總的建設(shè)費(fèi)用為24 400萬(wàn)元。該方案后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用，以光伏電站的使用壽命為25年(為一次性投入)計(jì)算，維護(hù)費(fèi)用主要集中在設(shè)備的跟換上，此處以項(xiàng)目25%作為維護(hù)費(fèi)用；但水電站的維護(hù)費(fèi)用較高，如水輪機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)等，此處以項(xiàng)目30%進(jìn)行計(jì)算。那么該方案的實(shí)際投入總費(fèi)用為31 220萬(wàn)元。

針對(duì)該方案的效益分析，以光伏電站每天照射時(shí)間8h進(jìn)行計(jì)算，光伏電站日發(fā)電量為10 MW×8 h×0.75×0.8=48 000 kW·h，其中0.75為光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合發(fā)電效率，0.8為每天光照的有效時(shí)間效率；水電站日發(fā)電量為9.6 MW×24 h=230 400 kW·h。那么，該方案中光水互補(bǔ)型電站日總發(fā)電量為230 400+48 000=278 400 kW·h，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約111.36 t/d。按照西藏發(fā)改委給予的光伏發(fā)電單價(jià)補(bǔ)貼(0.3元/kW·h)，假設(shè)發(fā)電量全部被使用(民用電0.5元/kW·h、工業(yè)用電1.2元/kW·h)，則光伏電站日發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益為48 000 kW·h×{(0.3+0.5)～(0.3+1.2)kW·h}=(38 400～72 000)元；水電站日發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益為230 400 kW·h×0.3元/kW·h=69 120元。那么，25年該方案光水互補(bǔ)型電站所產(chǎn)生的總經(jīng)濟(jì)效益總額為{(38 400～72 000)+69 120}元×25×365=(98 112～128 772)萬(wàn)元，為初期建設(shè)費(fèi)用的(3.14～4.12)倍。根據(jù)計(jì)算，光水互補(bǔ)在經(jīng)濟(jì)效益上是完全可行的。

5 結(jié) 語(yǔ)

光水互補(bǔ)發(fā)電可滿足在豐水期和枯水期用電量的周期性變化、減少晝夜變化的不穩(wěn)定性；在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)上，光伏電站和水電站在土建和電氣部分的建設(shè)上較多相似之處，可利用水電站開挖渣場(chǎng)或回填地作光伏電站用地降低成本，還可以共用輸變電裝置；在對(duì)環(huán)境影響上，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段不產(chǎn)生新的“三廢”排放。

1)當(dāng)前，在藏光伏電站與水電站建設(shè)費(fèi)用已經(jīng)基本上持平，而太陽(yáng)能源源不斷、清潔無(wú)污染、不受庫(kù)容、調(diào)峰等影響，優(yōu)勢(shì)明顯，可大力發(fā)展光水互補(bǔ)電站。

2)政府應(yīng)提高對(duì)光水互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)重視程度，挖掘光水互補(bǔ)發(fā)電巨大市場(chǎng)潛力，加大高原特色光水互補(bǔ)技術(shù)研究，建立地方政府、高校和企業(yè)聯(lián)合工程技術(shù)中心和實(shí)驗(yàn)室，大力引進(jìn)新能源技術(shù)人才。

3)建議地方政府出臺(tái)有力新能源發(fā)電補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)在藏企業(yè)大力發(fā)展光水互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究與投入，可以華能加查和藏木水電站回填渣場(chǎng)建立光伏電站，搭建光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和集控運(yùn)行系統(tǒng)，攻克互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)各個(gè)重難點(diǎn)。