光伏電站接入光照水電站的水光互補(bǔ)分析

范開明，黃滔滔

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

根據(jù)國家“30，60”碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃，到2030 年末，風(fēng)電、光伏等新能源電源的裝機(jī)總?cè)萘繉⒊^12 億kW，占一次能源的消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右[1，2]。光伏、風(fēng)電新能源電源的出力因受陽光、風(fēng)力的隨機(jī)性和不確定影響，天生具有間歇性、不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，且相關(guān)電氣設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)穩(wěn)定支撐能力較弱，若通過新建長距離高壓送電線路直接將如此大規(guī)模的新能源電源接入電網(wǎng)，將對電網(wǎng)潮流、頻率和電壓產(chǎn)生較大影響，對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成威脅[3-5]，同時(shí)，高昂的送出通道建設(shè)費(fèi)將大大提高新能源項(xiàng)目每千瓦的投資指標(biāo)，甚至造成項(xiàng)目因?yàn)榻?jīng)濟(jì)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)而無法獲批。因此，研究大規(guī)模大容量新能源項(xiàng)目的送出消納方式顯得尤為重要。

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(diǎn)，可對不穩(wěn)定的新能源電源進(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(shí)調(diào)整水電站的有功出力進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)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[6，7]。

本文通過分析研究將新建的大規(guī)模新能源電站接入附近已有水電站，利用水電站原有送出通道的空閑裕度，將新能源發(fā)電與水電發(fā)電打捆聯(lián)合送出這一新模式，并通過多方面影響因素的分析，探討水光互補(bǔ)開發(fā)模式。

1 工程概況

光伏電站擬裝機(jī)規(guī)模為300 MWp，采用445 Wp單晶硅光伏組件，運(yùn)行期20 年平均年上網(wǎng)電量約30 753.64 萬kW·h，等效滿負(fù)荷年利用小時(shí)數(shù)為1 015.72 h。本項(xiàng)目采用水光互補(bǔ)模式開發(fā)，本光伏電站與光照水電站同屬于一家發(fā)電企業(yè)且本光伏電站與光照水電站相距較近，光照水電站前期已采用500 kV 電壓等級接入南方電網(wǎng)。光伏電站初擬以1回長約4 km 的500 kV 架空線路（導(dǎo)線截面4×300 m2）接入光照水電站500 kV 備用間隔，與光照水電站聯(lián)合送出接入南方電網(wǎng)，充分發(fā)揮水電的調(diào)節(jié)能力，達(dá)到水光互補(bǔ)的目的。

2 水電站接入光伏的基礎(chǔ)條件分析

2.1 水電站電力運(yùn)行現(xiàn)狀

光照水電站的工程任務(wù)主要為發(fā)電，兼顧航運(yùn)。電站裝機(jī)總?cè)萘? 040 MW，機(jī)組臺數(shù)4 臺，多年平均發(fā)電量27.54 億kW·h，保證出力180.2 MW，調(diào)節(jié)庫容20.37 億m3。根據(jù)2015~2019 年光照水電站各月出力的均值統(tǒng)計(jì)，7 月出力最大，5 月、11 月出力最小；5 年的年平均接近滿發(fā)小時(shí)數(shù)（按裝機(jī)容量的90%計(jì)）376 h，占白晝時(shí)間（按日12 h）的比例為8.58%，其中2017 年最多（21.42%），2015 年次之（15.34%）。光照水電站近5 年月平均出力見圖1。

圖1 光照水電站近5 年月平均出力折線圖（2015~2019 年）

2.2 水電站送出通道利用現(xiàn)狀

光照水電站在整個(gè)貴州電網(wǎng)主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和改善電網(wǎng)運(yùn)行條件的作用，根據(jù)收集的光照水電站2015~2019 年的運(yùn)行資料來看，光照水電站2015 年、2016 年送出線路通道容量為1 630 MW，2017~2019 年送出線路通道容量為1 170 MW。近5 年通道利用率在12.6%~25.0%之間[8]，其小時(shí)累計(jì)的5 年平均通道利用率為19.2%，可見“水光互補(bǔ)”有一定的通道條件。光照水電站近5 年送出通道利用率見表1。

表1 光照水電站近5 年送出通道利用率

3 水光互補(bǔ)規(guī)模配置分析

3.1 配置原則

為充分利用太陽能資源，發(fā)展非水可再生能源，水電站配置光伏裝機(jī)規(guī)模的原則如下：

（1）光照水電站“水光互補(bǔ)”時(shí)的通道容量按水電站裝機(jī)容量（1 040 MW）考慮，總出力原則上不超過水電站最大出力，不額外占用電力輸送通道容量。

（2）北盤江梯級電站是貴州電網(wǎng)的關(guān)鍵電源，其功能與作用應(yīng)盡量不變；因此，光照水庫及水電站在北盤江梯級中的作用不變[8，9]，逐月平均出力過程考慮整個(gè)北盤江梯級水電站的協(xié)調(diào)運(yùn)行，其月或旬的水量保持原有的平衡不變。

（3）通過“水光互補(bǔ)”協(xié)調(diào)方式，按在通道容量一定的前提下，發(fā)揮光照水電站的“可調(diào)節(jié)性、啟動迅速、調(diào)度靈活”等特性，實(shí)施對光伏出力的調(diào)節(jié)，并使光伏發(fā)電量多年平均吸納率控制在95%左右。實(shí)際調(diào)度時(shí)，應(yīng)結(jié)合水電具體的來水及庫容等情況，相應(yīng)核定其吸納率。

3.2 棄水及棄光率分析

根據(jù)光照水電站長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果，按出力過程選擇豐、平、枯典型年。同時(shí)，根據(jù)光照水電站2015~2019 年5 年實(shí)際運(yùn)行出力情況，考慮配置光伏后進(jìn)行棄水及棄光率統(tǒng)計(jì)。由于水電電能質(zhì)量較好，在水庫基本蓄滿和電站基本滿發(fā)的情況下，優(yōu)先水電發(fā)電。

光照水電站配置30 萬kW 光伏項(xiàng)目，水電歸入互補(bǔ)比例為25%時(shí)，留有75%通道作為水電原功能的保留，通過水電站日內(nèi)調(diào)節(jié)光伏，棄光率為0.1%。經(jīng)過水光互補(bǔ)，可平抑光伏的出力過程，在保持水電站一日總出力不變的原則下，使水電以容量支持光伏，光伏以電量支持水電，提高通道的利用率。水電站不同典型年配置30 萬kW 光伏后棄光率統(tǒng)計(jì)見表2。

4 水電站受影響分析

4.1 對水電站庫容的影響分析

為調(diào)節(jié)光伏，水電站按預(yù)見期1 日安排次日發(fā)電，考慮最不利的光伏隨機(jī)性預(yù)報(bào)誤差，即預(yù)報(bào)為0而實(shí)際是最大（或相反），且預(yù)報(bào)誤差的發(fā)電由光照水電站來存儲或填補(bǔ)，此時(shí)光照水庫下泄流量的誤差變化將需由下游梯級水庫來調(diào)節(jié)。

北盤江流域光伏年平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)約1 000 h，光照水電站推薦配置的光伏裝機(jī)30 萬kW，相當(dāng)于一天的光伏電量82.2 萬kW，相應(yīng)需要光照水庫調(diào)節(jié)庫容258 萬m3。光照調(diào)節(jié)庫容20.37 億m3，調(diào)節(jié)光伏所需的庫容僅占調(diào)節(jié)庫容的0.13%，占比甚微，不影響光照原設(shè)計(jì)的水庫庫容要求。

4.2 對水電站出力過程的影響分析

根據(jù)2015~2019 年光照水電站實(shí)際出力過程，光照水電站5 月開始逐漸加大出力，8 月以后逐漸減少出力。根據(jù)2015~2019 年各月的典型日出力過程，光照日出力高峰有兩個(gè)，一個(gè)位于11：00~13：00之間，另一個(gè)位于19：00~21：00 之間，與貴州省的負(fù)荷特性基本一致。光照配置300 MW 光伏時(shí)，水電站25%的容量、電量及通道用于協(xié)助吸納光伏，可滿足光伏吸納率不低于95%，水電站及通道另外的75%保留原設(shè)計(jì)的調(diào)峰、調(diào)頻和備用等功能。

2015~2019 年各月平均情況下，對于光照水電站配置30 萬kW 的光伏電站，水電站因調(diào)節(jié)光伏而改變的水電日出力過程對應(yīng)的電量占原水電電量比重均值為0.005%；僅7 月需要調(diào)整，僅為0.06%。因此，從近五年的光照水電站實(shí)際的出力過程平均情況來看，水電站配置300 MW 的光伏電站，對光照水電站日出力過程的影響較小。

4.3 對下游梯級電站補(bǔ)水的影響分析

根據(jù)2015~2019 年各月平均日出力過程和配置300 MW 的平均光伏吸納成果，分析光照水電站在近五年平均情況下，因調(diào)節(jié)光伏，水電站在各別月份會改變少量日內(nèi)水電站的出力過程，特別是在非汛期，光照水電站利用自身的調(diào)節(jié)性能使其在非汛期均勻?qū)ο掠翁菁壯a(bǔ)水，因此需要考慮光照水電站調(diào)節(jié)光伏改變?nèi)粘隽^程后對下游梯級的補(bǔ)水影響。

從2015~2019 年各月平均出力統(tǒng)計(jì)來看，11 月~次年2 月出力相對較為均勻，以最不利月份（2017年10 月）為例，為調(diào)節(jié)光伏，如電網(wǎng)對水電站日內(nèi)出力無新增要求，由于日內(nèi)高峰時(shí)段光伏發(fā)電，原水電站日平均發(fā)電量565.3 萬kW·h，若不改變水電站的日出力過程，新增光伏后日均減少13.84 萬kW·h的發(fā)電量，假設(shè)原本10 d 完成的補(bǔ)水任務(wù)，需10.25 d完成，影響較小。

5 結(jié)語

由前文的分析可知，在現(xiàn)有水電站送出通道具備利用率的前提下，將新建光伏電站按合適的規(guī)模接入水電站后利用原有送出通道打捆送出，不僅對水電站本身及其所在流域梯級電站基本無影響。而且，在合理的調(diào)度運(yùn)行方式下，可實(shí)現(xiàn)水電站與光伏電站之間容量、電量互補(bǔ)，提高水電站原有送出通道利用率，實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)。