電力市場環境下風光水互補分析

李曉婷

（大唐云南發電有限責任公司，昆明650103）

0 前言

隨著風電、光伏發電規模的不斷擴大，可再生能源的消納與發展矛盾日益突出[1]。風能、太陽能在促進電力行業可持續發展和應對全球氣候變化有著重要作用[2]。但由于受天氣影響，與傳統能源相比，風力發電和太陽能光伏發電的間歇性和波動性給充分消納可再生能源帶來挑戰[3]。風電、光伏發電的快速發展給電力系統安穩運行和電力可靠供應帶來了挑戰[4]。除風能、太陽能之外，云南也是中國水電資源富集省份之一。2017年以來，云南省可再生能源全部納入電力市場化交易[5]。截止2018年底，云南水電裝機容量超過全省裝機容量的2/3，水電為主的電源結構決定了云南發電出力的顯著季節性特點[6]。

為促進市場環境下風能、太陽能和水電的有序開發和利用，改善可再生能源消納現狀，本文分析研究了中長期尺度上水電與風能、太陽能的資源互補特性以及短期內風光水發電聯合運行特性，一方面有助于緩解以云南電力市場水電為主的電源結構性矛盾，另一方面有助于在保障電力供應的前提下充分消納可再生能源。

1 資源特性

1.1 水能資源

云南河流眾多，水能資源豐富。可開發利用的水力發電容量超過1億千瓦，占全國可利用能力的18.8%，位居全國第三。其中徑流面積在100平方公里以上的河流眾多，分屬于六大水系：金沙江（長江上游），瀾滄江，怒江，珠江，元江紅河和伊洛瓦底江，其中前三河占全省理論水能資源總儲量的79.6%[7]。截止2018年，云南省水電裝機容量已突破6600萬千瓦[8]，預計到“十三五”末，全省裝機容量將突破1億千瓦，水電裝機容量將達到7000萬千瓦左右[9]。

1.2 風能資源

根據《云南省風能資源評價報告》[10]，云南風能資源總儲備量約1.2億千瓦，其中年平均風能功率密度大于50W/m2的可利用風能資源區域占地約4.5萬平方公里，約占全省地理面積的11.5%。云南技術可利用的風能儲量為2823萬千瓦，約占全省風能總儲備量的23%。云南省風能資源利用條件較好的地區主要集中在大理州與楚雄交界處、玉溪南部至紅河州中南部、曲靖東部以及昆明與曲靖相鄰地區和麗江至永勝一帶。截止2018年，云南省風電裝機容量超過850萬千瓦，預計到“十三五”末將突破1000萬千瓦[9]。

1.3 太陽能資源

云南屬太陽能輻照資源二類地區，陽光透過率高，日照時間長，全年輻射總量在5400～6700兆焦/ 平方米左右。根據《云南省太陽能資源評價報告》[11]，云南省北部的金沙江河谷地區干旱少雨，日照充足，是全省太陽總輻照最豐富地區，年太陽輻射總量大于5000兆焦/ 平方米的地域占全省面積的90%。其中元謀、永仁、賓川、麗江等地區的年太陽輻射總量超過6000兆焦/ 平方米，最高值達6667兆焦/ 平方米。全省多數地區的年日照時數為2100～2300 小時，其中有94 個縣超過2000 小時。在太陽能資源豐富程度上，云南每年太陽能約相當于714億噸標準煤，是僅次于西藏和新疆的全國第三大太陽能資源省份。截止2018年，云南省光伏發電裝機容量已突破300 萬千瓦[8]。

2 特性分析

2.1 市場化交易分析

根據云南省電力改革進度，自2017年開始，云南省內的集中式風電和光伏發電全電量納入市場化交易。下面結合近兩年市場交易情況對云南省的風電、光伏以及水電的市場化交易情況進行分析。

根據云南電力市場集中出清規則，可再生能源電廠在出清順序上優于化石能源電廠。由于風電、光伏發電2017年才開展市場化交易，受樣本較少限制，無法開展年際市場化相關及互補特性分析。圖1、圖2為近兩年水電和風電、光伏市場化交易聚合分析。

圖1風電、光伏與水電市場化相關性聚合分析

從圖1可見，水電和風電、光伏市場化成交量呈現顯著負相關。

圖2近兩年風電、光伏與水電市場化交易互補分析

此外，從圖2年內各月市場化成交量的聚合分析可以看出，水電和風電、光伏在年內各月的市場化成交量上呈現出明顯互補性。

2.2 運行特性分析

2.2.1 水電

受西南季風影響，云南的氣候呈現出旱季和雨季分明的特點，這也導致了水電出力在雨季大、旱季小的顯著特點。隨著近年來云南水電的快速發展，水電調節能力有所改善，但由于系統中水電裝機占比超過70%，且大部分為調節能力較差的徑流式水電站。因此，受季節性來水影響，水電在雨季出力陡增，旱季出力較小，呈現出明顯的季節性特點。

圖3、圖4為近三年水電月最大和月平均出力分析結果。如圖3所示，水電月最大出力區間在40%-80%之間，并呈現出隨著雨季到來逐步增加趨勢，而后在旱季到來后逐步降低的特點。由于云南電源大多以調節能力較差的水電為主，且受近年來經濟下行壓力大、用電需求不旺等因素影響，水電年最大出力均未超過裝機容量的80%。

圖3近三年水電月最大出力曲線

從圖4可見，雨季期間，水電月平均出力較接近同期的月最大出力，這與雨季充分利用各輸電通道充分消納可再生能源的努力是一致的。

圖4近三年水電月平均出力曲線

圖5 為近三年水電出力概率分布分析結果。作為主力調節電源，水電出力分布相對穩定，全年出力在50%左右的累積概率超過了一半，一方面有力保障了電力供應安全可靠，但另一方面由于整體供應過剩，也導致了雨季棄水的發生。但總體來講，相比風電、光伏等間歇性電源，水電出力總體更穩定。

圖5近三年水電出力概率分布

2.2.2 風電

風電出力受風資源區域差異影響各不相同。但從全省角度來看，隨著近年來風電的不斷滲透，集群效應在改善風電出力特性上的作用越來越明顯。圖6、圖7為近三年風電月最大和月平均出力分析結果。從圖6可見，隨著風電集群效應逐步顯現，風電月最大出力呈現雨季小、旱季大的特點，且風電最大出力波動呈逐年縮小趨勢，其中旱季最大出力呈逐年趨于平穩的趨勢，逐步向40%～70%的區間過渡，風電最大出力基本在70%以下，雨季的最大出力特性也得到了改善。

圖6近三年風電月最大出力曲線

從圖7可以看出，風電月平均出力基本呈現旱季大、雨季小的特點。風電雨季、旱季出力比由第一年的31:69逐步過渡到第三年的35:65，集群效應對風電平均出力特性改善起到了明顯作用。

圖7近三年風電月平均出力曲線

從圖8可見，集群效應在改善風電出力特性的明顯，風電出力在70%以上的概率基本為0，出力在20%～60%的概率相比單個風電場出力概率分布明顯改善，出力小于20%的概率相比于單座風電場也有明顯降低。

圖8近三年風電出力概率分布

2.2.3 光伏

圖9、圖10為近三年風電月最大和月平均出力分析結果。如圖9所示，隨著光伏發電規模的不斷攀升，光伏月最大出力呈現雨季小、旱季大的特點。其中旱季最大出力由前兩年的40%左右增加到第三年的70%左右，有效出力進一步增加，且在整體出力特性上與水電形成互補趨勢，有助于改善以水電為主的電源結構性矛盾。

圖9近三年光伏月最大出力曲線

從圖10可見，光伏月平均出力分布體現出逐步趨于平穩的特點，波動逐年下降，至第三年平均出力基本維持在12%～16%之間。雨、旱季電量比由第一年的41:59逐步過渡到第三年的50:50左右，與風電類似，集群效應也改善了光伏平均出力特性。

從圖11可見，集群效應對改善光伏出力分布的作用也很明顯，出力在70%以上的概率基本為0，出力在20%-60%的概率相比單個光伏電站出力概率分布明顯上升，出力小于20%的概率相比于單個光伏電站也有明顯降低。

圖10近三年光伏月平均出力曲線

圖11近三年光伏發電出力概率分布

圖12瀾滄江戛舊水文站年徑流量與祥云氣象站年平均風速分布（1990～2010年）

3 風光水互補分析

3.1 年際互補分析

由于缺乏光伏發電歷史輻照資料，加之近三年光伏發電在云南發電量占比不足5%，因此，忽略光伏發電影響，僅對風能和水能資源進行年際互補分析。

根據瀾滄江干流各水文站年平均流量分析，水文站控制流域面積較大，流量變化過程基本一致，選取祥云氣象站作為附近風電場測風數據訂正代表站，以戛舊水文站和祥云氣象站歷史資料（1990年～2010年）為例分析瀾滄江流域徑流、風速年際變化，如圖12所示。從圖中可以看出，年徑流量與年平均風速呈現負相關特性，年徑流量較大時，即降水較多的年份，平均風速相對較小，反之異然；同時出現豐水大風或者枯水小風的年份較少。

3.2 年內互補分析

云南旱季和雨季交替特征明顯，旱季干燥，降水量稀少，但風速大，風能資源豐富；雨季濕潤降水多，風速小。因此，云南的風能和水能在年內恰好構成一個有機的互補體系。云南平均海拔高，日照時間長，多數地區日照時數在2100～2300小時，日照時數大于6小時的日數全年約200天，從資源特性上看，太陽能未呈現出與水電明顯互補特性。

圖13為近三年云南風電、光伏和水電的平均出力過程。如圖所示，風電、光伏的年內各月出力呈現出顯著的“兩峰一谷”形式，而水電年內各月出力呈現出明顯的“一峰”形式，且風電、光伏“兩峰一谷”中的“一谷”恰好與水電的“一峰”在時間上對應，風電、光伏和水電之間形成較為匹配的年內互補關系。

圖13近三年風電、光伏和水電平均出力過程

3.3 日內互補分析

云南水電以調節能力較差水電站為主，其日出力特性主要受來水影響，而少數具備較強調節能力的大中型水電因要承擔調峰調頻和系統調節任務，其日出力特性主要受負荷、庫容及來水影響；風電、光伏日內出力特性受天氣影響短時變化劇烈。因此，風電、光伏和水電沒有明顯的日內互補特性，但通過調節性能較好的水電出力可在很大程度上“平滑”風電、光伏的間歇出力特性，降低風電、光伏出力波動的影響。

4 結束語

通過對電力市場環境下風電、光伏和水電的互補特性分析，表明風電和水電具有年際資源互補特性。此外，風電、光伏發電和水電的市場交易和出力特性在年內各月呈現出顯著負相關和互補特性，風電、光伏可作為旱季水電出力小時的有力供應支撐，有助于進一步替代化石能源發電和促進可再生能源消納。通過分析，未發現風電、光伏和水電出力在日內有明顯互補特性，但通過風光水聯合運行可有效平滑聯合出力曲線，平抑風、光發電出力波動性和間歇性，促進清潔能源消納，為進一步深化電力市場化改革、促進電力系統合理規劃運行和廠網協調發展提供支撐。