梯級水電站水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定分析

古婷婷，蘇 立，何光元

（1．中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081；2．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省貴陽市 550081；3．貴州沅豐恒工程有限公司，貴州省貴陽市 550081）

0 引言

到2030年，非化石能源占一次能源的消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。因此，需要評估系統(tǒng)的可再生能源消納能力以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1、7]。新能源系統(tǒng)具有間歇性、隨機(jī)性和波動性，其發(fā)電設(shè)備又具有低抗干擾性和弱支撐性，因此，大容量新能源電站并網(wǎng)將對電網(wǎng)的潮流和電壓產(chǎn)生很大影響[14]，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一系列問題[3-5]。

水電站具有運(yùn)行靈活、啟動迅速、較快適應(yīng)負(fù)荷變動等特點，可對不穩(wěn)定的電源進(jìn)行補(bǔ)償。利用水能、光能的互補(bǔ)性，依托水輪發(fā)電機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，當(dāng)光伏電站出力發(fā)生變化時調(diào)整水電站的有功出力進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)水光互補(bǔ)發(fā)電，達(dá)到平滑光伏出力曲線、提高光伏發(fā)電質(zhì)量的目的[2、6]。

本文通過對全國首批梯級流域梯級水光互補(bǔ)項目進(jìn)行多個角度的分析，探索梯級調(diào)度水光互補(bǔ)項目對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定影響分析[10]。

1 梯級水電水光互補(bǔ)原則

北盤江梯級水電站在貴州電網(wǎng)中起著非常重要的作用，其中，光照水電站作為“龍頭”水電站，不僅自身具有良好的發(fā)電能力，還能對下游的馬馬崖、董箐等水電站進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。由于水電和光伏同屬于清潔能源，當(dāng)采用水光互補(bǔ)模式開發(fā)光伏時，應(yīng)遵循以下原則[11-12]：

（1）水光互補(bǔ)通道總?cè)萘吭诒ＷC安全的前提下不超過調(diào)度部門下發(fā)的最大輸送容量Pmax。

（2）各水電站在電網(wǎng)中的主要作用不改變。

（3）各水電站在梯級電站中的調(diào)節(jié)作用不變[13]。

（4）各水電站調(diào)節(jié)光伏引起的庫容變化，考慮在日內(nèi)或次日進(jìn)行調(diào)度平衡，不會逐漸累積，允許發(fā)生合理棄電。

（5）合理配置光伏容量，配置光伏后盡量不新增棄水，棄光率滿足國家相應(yīng)政策要求。

2 梯級水電站特點

2.1 北盤江水電站基本情況

北盤江干流茅口以下梯級水電站，是國家“西電東送”第二批開工建設(shè)的重點工程，其中，光照水電站調(diào)節(jié)庫容20.37億m3，為多年調(diào)節(jié)水電站。下游馬馬崖一級水電站和董箐水電站調(diào)節(jié)庫容分別為1.365億m3和1.438億m3，均為日調(diào)節(jié)水電站。光照水電站在南方電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故和負(fù)荷備用，提高貴州電網(wǎng)的供電質(zhì)量；同時，充分發(fā)揮其龍頭水電站庫容優(yōu)勢，可提高北盤江干流的水能調(diào)節(jié)能力，增加下游梯級電站的發(fā)電效益。

2.2 水電站送出通道利用率

根據(jù)光照水電站送出導(dǎo)線截面，結(jié)合電壓控制曲線、功率因數(shù)、潮流分析，調(diào)度部門給出北盤江梯級輸電的送出線路最高載流量。收集3座水電站近5年的通道利用率數(shù)據(jù)，可見其月平均通道利用率均在50%以下，其中，光照水電站最大月平均通道利用率為35.7%，馬馬崖水電站為38.7%，董箐水電站為68.4%，如圖1所示。

圖1 2015～2019年月平均通道利用率Figure 1 Average channel utilization rate from 2015～2019

由圖1可見，北盤江梯級水電站的通道送出還有一定裕量可供使用。因此，北盤江流域梯級電站具備水光互補(bǔ)開發(fā)基礎(chǔ)條件。

3 梯級電站水光互補(bǔ)模型

3.1 光伏系統(tǒng)特性

光伏項目發(fā)電量與太陽能資源緊密相關(guān)，具有很強(qiáng)的區(qū)域性。根據(jù)光伏電站上網(wǎng)電量計算公式，可計算對應(yīng)的月發(fā)電量。

式中：HAi——單位小時輻射量為1MJ/m2時在1000W/m2條件下的等效小時數(shù)；

Ep——上網(wǎng)發(fā)電量，kW·h；

HA——月平均斜面輻射量，MJ/m2。

3.2 水電站系統(tǒng)特性

水電站總電量可表示為

式中：η——水輪機(jī)效率系數(shù)；

Qav——平均水流量，m3/s；

H——水頭，m；

t——平均水流時間，s。

3.3 水光互補(bǔ)電力電量平衡

水光互補(bǔ)利用水電站的調(diào)節(jié)性能對光伏電站的出力進(jìn)行補(bǔ)償，起到平滑出力曲線、穩(wěn)定整體出力的效果。其利用水電站多余送出能力，提高了水電站與電網(wǎng)間輸送通道的利用率，節(jié)省了光伏項目送出投資，對大規(guī)模光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)起到積極的促進(jìn)作用。

分析水光互補(bǔ)相關(guān)約束條件：

（1）滿足電網(wǎng)公司的考核指標(biāo)：

式中：Pp——光伏系統(tǒng)在考核時間點的出力；

Ph——水電站在考核時間點的出力；

Pas——電網(wǎng)公司考核指標(biāo)。

（2）水光互補(bǔ)總出力小于極限送出電量：

式中：Pmax為水電站至電網(wǎng)輸電線路的最大輸送能力。

（3）考慮光功率預(yù)測不準(zhǔn)時，其電量平衡可表示為：

式中：Pas,t——t時刻電網(wǎng)公司的考核出力；

Pp,t——t時刻光伏系統(tǒng)的實際出力；

Ph,t——水電站t時刻預(yù)測出力；

ΔP——t時刻受天氣或預(yù)測精度影響的光伏出力。

4 水電站用于調(diào)節(jié)光伏的最大庫容

水電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)相、備用等任務(wù)。一般在洪水期間應(yīng)充分利用水量，使全部機(jī)組投入運(yùn)行，實現(xiàn)滿發(fā)、多供，承擔(dān)電力系統(tǒng)基荷；在水庫供水期間運(yùn)行時，應(yīng)盡量利用水頭，承擔(dān)電力系統(tǒng)的腰荷和尖峰負(fù)荷，充分利用可調(diào)出力，起到系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用的作用。

水電站用于調(diào)節(jié)光伏的最大庫容，應(yīng)首先保證水電站在電網(wǎng)中的作用不變。再根據(jù)流域水電站的配套庫容計算可調(diào)節(jié)的最大光伏容量[15]。

根據(jù)貴州省的太陽能輻射數(shù)據(jù)分布，北盤江流域光伏年平均發(fā)電利用小時約為1000h，如圖2所示。北盤江流域現(xiàn)階段配置光伏裝機(jī)容量750MW，日內(nèi)平均光伏電量為206.5萬kW·h，按式（3）計算的等效調(diào)節(jié)庫容約占光照水電站調(diào)節(jié)庫容的0.318%。按最大月平均出力計算的等效調(diào)節(jié)庫容占比約為2.24%。

圖2 項目建設(shè)區(qū)光伏月平均總輻射Figure 2 Average monthly total solar radiation in the project construction area

同理，下級水庫的調(diào)節(jié)庫容會因為上游水庫調(diào)節(jié)光伏而受影響，當(dāng)發(fā)生最不利情況時，下級水庫需要調(diào)節(jié)本級及上級水庫配置光伏。對于馬馬崖水電站，其水庫所需最大調(diào)節(jié)庫容占比約為水庫總庫容的5.56%。董箐水電站所需調(diào)節(jié)庫容占比約為水庫總庫容的4.63%。

由以上分析可得，北盤江流域配置光伏容量所需調(diào)節(jié)庫容占比很小，不影響流域水電站貴州省電網(wǎng)中的調(diào)峰、調(diào)頻、事故和負(fù)荷備用等關(guān)鍵作用。

5 對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析

5.1 系統(tǒng)建模

本次分析重點為水電—光伏聯(lián)合送出線路和水電—光伏聯(lián)絡(luò)線的安全穩(wěn)定性，考慮光伏最大出力時對電網(wǎng)的影響，在潮流計算中將光伏電源按最大出力等效為PQ節(jié)點[8-9]。發(fā)電機(jī)模型采用次暫態(tài)電勢E″q和E″d變化模型，并考慮勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的作用。根據(jù)系統(tǒng)建模，采用PSD潮流軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

5.2 穩(wěn)定分析結(jié)果

5.2.1 梯級第一級——光照水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖3，穩(wěn)定分析結(jié)果見表1。

圖3 水電滿發(fā)、光伏正常出力時送出線路穩(wěn)定曲線Figure 3 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表1 水電滿發(fā)、光伏正常出力時送出 線路穩(wěn)定計算結(jié)果Table 1 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

光照光伏電站—光照水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖4，穩(wěn)定分析結(jié)果見表2。

圖4 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 4 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表2 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 2 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.2 梯級第二級——馬馬崖水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖5，穩(wěn)定分析結(jié)果見表3。

表3 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 送出線路穩(wěn)定計算結(jié)果Table 3 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

圖5 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 5 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

馬馬崖光伏電站—馬馬崖水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖6，穩(wěn)定分析結(jié)果見表4。

圖6 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 6 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表4 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 4 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.3 梯級第三級——董箐水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖7，穩(wěn)定分析結(jié)果見表5。

表5 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 5 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

圖7 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（一）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

圖7 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（二）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

董箐光伏電站—董箐水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖8，穩(wěn)定分析結(jié)果見表6。

圖8 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（一）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

圖8 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（二）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

表6 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 6 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

6 結(jié)論

根據(jù)北盤江梯級水電站近5年實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，電站的送出通道利用率相對較低，充分發(fā)揮其龍頭水電站庫容優(yōu)勢，合理配置光伏規(guī)模，在不影響其對北盤江干流的水能調(diào)節(jié)能力的前提下，實現(xiàn)水光互補(bǔ)，提高通道利用率。利用水電站運(yùn)行靈活、啟動迅速、較快適應(yīng)負(fù)荷變動等特點，彌補(bǔ)光伏電量的間歇性、隨機(jī)性、波動性等不足。降低大規(guī)模光伏項目接入對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。