西南地區水風光互補方案研究

摘要：我國西南地區風能資源、光伏資源豐富，是近些年我國開發新能源的主要基地。近些年，新能源項目開發的方式多種多樣，能源互補開發是其中一種不錯的開發方案。西南地區水能資源豐富，且建設了多個不同級別的水電站，輸送電線路完善，為水風光互補開發提供了基礎。本文通過分析西南地區風能、太陽能和水能的日出力特性，結合水電站的調節能力、可接入容量，對水風光互補方案進行研究。

關鍵詞：互補、出力、接入容量

一、風光水互補可行性研究

（一）風水資源季節具有互補性

從我國西南地區的氣候特征來看，水電站每年的7月～10月為汛期，11月～次年6月為枯期，發電量呈現出夏季發電多，冬季發電少的特點。風電一般11月～次年4月風速、風功率密度較大，5月～10月的風速、風功率密度較小，基本呈冬春季大，夏秋季小的特點[1]。風電、水電的年內各月出力均呈現出明顯的“一峰一谷”形式，風電的大風月對應水電的枯水月，風、水之間形成較為統一的互補關系。

（二）風光資源日/夜出力具有互補性

風電場一般夜間出力較大，白天出力較小。光伏電站出力與風電場出力相反，光伏發電受太陽輻照的影響，在6時～12時逐漸增大，此后逐漸減小，直到20時左右。由此可見，風電和光伏在出力上，尤其是日互補出力上具有互補優勢，通過風光出力的互補特性，減少出力的波動性。

（三）水庫調節與風光出力具有一定互補性

對有水庫調節能力的水電站按照水庫的調節性能可以分為：日調節、周調節、月調節、季調節、年調節和多年調節等幾種類型。根據水電站水庫的調節能力，對風光電的調節能力也不同。具備多年調節能力、年調節能力和不完全年調節能力的水電站可以對年內出力進行優化，提高風光出力比例[2]。

二、水風光互補配比原則

（一）風光互補功率特性

風能和太陽能在時間上均有天然的互補性，但在風電場內增建光伏電站不是越多越好。風電出力具有較大的波動性，配置光伏容量較少對于風光互補出力改善較弱;光伏容量配置較多仍會使風光互補出力波動較大。合理地配置光伏容量可以使風光互補出力波動相對平穩，不僅減少對電網的沖擊，還可以提高電網對風光互補系統的接納能力。在考慮風光水互補時，應先確定風光的比例。考慮到風光本身具有互補性，通過計算得出最佳的風光比例后，再計算風光水互補關系。

（二）外送容量限制

送出線路容量與水電裝機容量相匹配，根據水電站發電量數據，月最大出力系數約為0.7左右，這樣為風電和光伏發電上網提供了空間。增建風場和光伏電站應保證在任意時刻，水電站輸出功率與風光輸出功率之和不大于送出線路功率（不增加送出線路的情況下）[3]。風電場任意時刻的出力為Pft，光伏電站任意時刻的出力為Pgt，水電站任意時刻出力為Pst，送出通道容量為P，應滿足：

Pft+Pgt+Pst≤P

（三）水電送出通道冗余

由于水電輸電線路在輸送電力時存在余量，可以考慮水電出力較多月份通道還能容納多少電量接入，根據當地資源條件和可開發面積算出可以安裝總容量，根據風和光出力的典型日變化，確定風和光的比例。考慮到風光水三種電源的實時出力特性都小于1，實際風光可裝機容量應大于剩余通道。利用水電機組的日調節能力，可大大提高風光能源的裝機容量。根據水電站多年平均水平的出力情況，可按一年內最大月的出力計算通道剩余容量。結合當地風電和光伏情況，確定最佳的風光比例，最終計算出風光水各自占該通道發電量的比例[4]。

剩余通道的計算方法為：

Qy=Q-P/t

其中：Q是水電站總裝機容量和送出線路容量較大值;

Qy是水電站剩余通道容量;

P是水電站出力最大月（或年平均）發電量;

t是小時數。

三、水風光互補案例分析

水風光互補系統的主體是水電站。水電站的容量、位置等因素都會影響風光項目的規劃情況。考慮到輸電成本的問題，風場和光伏場區的位置要在水電站附近且可就近接入水電站。考慮到未來電網的建設，暫按照在水電站周圍100公里內進行風光場區的規劃和容量的計算。

（一）資源分析

云南金沙江流域的麗江市、楚雄市和昆明市三市北部風能資源豐富，個別地區70m年平均風速達到8.0m/s以上，其他地區風速在4.0～6.5m/s之間。金沙江中游流域光資源分布較為充足，在流域兩側100公里范圍內，太陽輻照量在1230kWh/m2以上，尤其在麗江市東南部，攀枝花西部及南部地區太陽輻照量較為充足，均在1630-1814 kWh/m2之間，年滿發小時數為1304-1451h，具有較好的可開發條件。

（二）場址選擇

西南風光水資源充足，地形復雜，不少地區山勢陡峭，海拔高溫度低，風電場和光伏電站安裝難度較大。尤其是光伏電站，對地勢坡度要求較高，難以找到大面積可安裝光伏陣列場區，但小面積光伏資源較好場址多。在水電站建設附近，如水庫下游開闊地，可以根據情況適當開發小面積光伏電站。在風電場區內，也可開發風光一體式場區，可減少建設成本和輸電成本[4]。

（三）代表年選擇

水電站發電具有年際變化，不具備年調節能力的水電站發電量會受流域當年降雨的影響，豐水年、枯水年、平水年的發電量具有較大差距。為保護水電的利益，按水電站出力最大月份計算互補容量，未獲得月出力的情況下按年平均發電量計算互補容量。

四、結論

水電站外送線路存在冗余，且水電站不是一直處于滿發狀態，從而為其他能源發電的接入提供了可能。另外，西南地區資源豐富，隨著我國特高壓輸電線路的建設，西南地區的能源建設將繼續快速發展，多種能源互補發電或進一步發展。通過以上的分析，有以下幾點需要注意：一是不同地區風光出力不同，風光的最佳配比也會不同。二是不同水電站的調節能力不同，剩余通道不同，可接入容量也不同。三是不同地區的風光資源可能相差很大，風光配比需要結合實際資源量考慮。四是風能和光伏開發難度、成本不同，實際建設中需考慮。五是水電站周圍建筑以及風場內建筑為小容量光伏建設提供便捷，在西南山地水光互補更有優勢。

參考文獻

[1]中國氣象局編. 全國風能資源詳查和評價報告. 氣象出版社， 2014.

[2]陳來軍， 陳天一， 梅生偉，等. 一種用水電和儲能平抑風光功率波動的控制方法：， CN104037792B[P]. 2016.

[3]姚天亮，吳興全，李志偉，李鑫，王堃. 計及多約束條件的風光互補容量配比研究. 電力系統保護與控制， 2017，45（9）：126-132.

[4]蘇康博. 多類型水電協調下基于概率潮流的風光互補容量優化配置. 長沙理工大學， 2019.

【作者簡介】

姓名：曹語涵 ?出生年月：1991年7月 ?性別：男 ?民族：漢族 ?籍貫：陜西省 ?職務/職稱：中級經濟師 ?學歷：研究生 ?研究方向：企業管理 ?單位信息（單位全名）：華電煤業集團有限公司 ?所在省市：北京市 ?郵編：100035