風光接入水電站對水電出力的影響淺析

方興波 陳哲之 吉星宇恒 鄧凱 胡向昌

摘 要：金沙江流域水能、風能、太陽能資源豐富，其中風光發電的出力受天氣、風速等影響呈現出間歇性和不穩定性。風光發電輸出是直流電，需要使用逆變器將其轉換為交流電才能并網，高頻工作狀態下，逆變器容易產生高次諧波污染電網。提出利用金沙江流域風光能源在水電站建設配套抽水蓄能設施，實現水風光互補增加水電站出力及水電站年發電量。

關鍵詞：水風光互補；間歇性；逆變器；諧波污染；抽水蓄能

中圖分類號：TM614；TM615；TV743 文獻標志碼：A

0 引 言

“構建以新能源為主體的新型電力系統”是國家重大戰略需求。在此背景下，風力發電、光伏發電等清潔新能源得到飛速發展，大力發展風、光等新能源可有效解決未來能源安全以及應對全球氣候變暖的問題[1-3]。金沙江流域水能、風能、太陽能資源豐富，其中風能、太陽能又是最具規?；_發前景的新能源，但風能、太陽能發電均容易受天氣條件影響導致出力呈現出隨機波動性和難以預測性[1-4]。隨著風光建設項目的不斷推進完善，風、光的裝機規模越來越大，大規模風電、光電直接并入系統，這些分布式電源出力的不穩定性會對電力系統的調峰調頻以及安全穩定運行帶來極大壓力[3-5]。水電機組具有啟停靈活、出力變化幅值大、調節速率較快等優勢，但為更高效地處理風光大規模并網帶來的出力不穩定性，可能需要頻繁啟停水電機組，降低機組的使用壽命。因此，利用風能、光能等不可控能源，實現水風光資源互補，將水電站下游河道水資源抽回水電站上游庫區實現儲能具有重要研究意義[6]。

1 傳統水風光互補模式

目前已建成投產的光伏發電站或風力發電站幾乎都是單獨并入系統的，這類分布式電源往往都需要重新架設導線，重新整定繼電保護。太陽能發電輸出是直流電，需要使用逆變器將其轉換為交流電才能并網，逆變器處于高頻工作狀態，容易產生高次諧波污染電網；而且，風力發電和太陽能發電均需要建設相應的輸電線路，如果利用現有水電站的輸電線路，需要改接線形式，使保護變得更為復雜。水電站庫區周邊的風光能源可以與水電站相互配合，相互補充，但會導致水電站機組為配合風光新能源調峰調頻，加大水電機組開停機頻率，對機組使用壽命產生不利影響。

1.1 接入水電站500 kV系統

金沙江流域水電站500 kV開關站大都采用二分之三或三分之四接線方式，風光新能源可利用水電站已經建好的外送輸電線路將電能送出。這種做法雖然節約了風光外送線路的建設成本，但是由于水電站的開關站一般都建設在洞室內，如果設計時沒有考慮預留出位置，重新改建和擴建會極為困難。新能源接入后，保護配置將變得復雜，現有保護裝置可能無法滿足新能源接入后的運行要求，需要重新配置，在此期間可能導致水電機組陪停，造成水電站棄水。同時，已建好的水電站輸電線路輸送容量可能無法滿足風光能源同時送出的要求。綜合判斷，新能源接入水電站現有500 kV系統對水電站運行具有一定的挑戰性。

1.2 單獨架設輸電線路

已建成投產的水電站主接線改建和擴建困難，目前，大部分風光電站均采用獨立的輸電線路。與直接接入水電站500 kV系統相比，保護配置以及線路輸送容量均需重新設計計算，建設成本比直接接入水電站500 kV系統高。

2 風光抽水蓄能模式

風電、光伏和水電是當前技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式，可實現二氧化碳和常規污染物協同減排，轉變能源結構，提高環境質量[7]。在水電站庫區利用風光抽水蓄能具有天然優勢，一方面水風光出力具有天然互補特性，在多年時間軸上表現出“枯水年水少則風光強、豐水年水多則風光弱”的特點，在季節時間軸上表現出“風光的‘峰谷與水電的‘谷峰相對應”的特點[7]；另一方面，風光電站分布范圍廣且距離主網較遠，將分散的風光新能源電站通過在水電站以抽水蓄能的形式匯集起來，光伏的發電出力將在中午時分達到最大值，此時電網負荷端的工業用電也呈現出相同的趨勢，在光伏發電出力與用電負荷上表現出“峰對峰”的特點。由于光伏發電站的分散性，高頻逆變器產生的高次諧波疊加后，將對電網產生嚴重的高次諧波污染，降低了電網供電質量。面對分散的光伏發電站，繼電保護將變得復雜多樣，對電力系統穩定控制是一大挑戰。利用風光發電站發出的電能將水電站下游尾水抽回水電站上游庫區，即風光抽水蓄能模式，該模式實現風光系統與主網隔離運行，可有效解決上述問題。

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能既是一種儲能方式，也是一種水電形式，是當前技術最成熟、經濟性最優、最具大規模開發條件的綠色低碳清潔電源。抽水蓄能電站啟停速度快、運行范圍廣，能有效地應對負荷變化[7]。在水電站建設風光抽水蓄能可有效提高電網消納風光新能源的水平。風電、光伏能量是分散的，利用水電站周邊的風力發電、太陽能發電給水泵供電，用水泵將水電站下游水資源抽回到水電站上游實現蓄能，光伏、風力發電這類出力不穩定的能源轉換為水的勢能存儲起來，實現能量的積少成多，利用水電機組發電，減小分布式能源對電力系統的危害，同時還可增加水電站的發電量。

金沙江流域的梯級水電站群的水風光一體化發電系統中，流域梯級水電站不僅承擔發電的任務，還兼備著防洪、供水、生態、航運等水資源安全與綜合利用功能。然而，由于風電和光伏發電具有不可調度性，且流域梯級水電站與風光新能源電站的距離往往較遠，目前僅僅依靠流域梯級水電站來配合新能源電站進行調峰調頻，使得電網對新能源電能的安全消納以及電網安全運行存在較大風險。因此，有必要建設配套的風光抽水蓄能，降低新能源接入電網對流域梯級水電站帶來的不利影響，提升新能源并網穩定性。

水風光一體化運行控制主要通過監控風、光電的出力變化，實時調整抽水泵的運行功率（見圖1），利用水電機組運行靈活、跟蹤負荷能力強等優勢，平抑風光出力波動，減少風光出力不確定性對電網的影響，通過水電機組發電提高送端整體的電能質量，實現穩定電力送出，提升水電站送出通道利用率和水電電價競爭優勢[7]，增加機組年利用小時數。

光伏板輸出的電壓為直流電壓且單塊光伏板的輸出功率較小，需要用匯流箱將不同光伏板發出的電能匯集起來，再將光伏發出的直流電經逆變器轉變為50 Hz的交流電，再經升壓變壓器升壓后送到抽水水泵。同理，風力發電機輸出的電流亦為直流電，電壓較低，需要經過逆變器轉變為50 Hz的交流電，再經升壓變壓器升壓后送到抽水水泵，實現將零散的光伏和風力發電電能轉化為水的勢能存儲起來，有效增加水電站的發電量，同時提高電力系統的穩定性。

在進行風光抽水蓄能時，要實時監測水電站下游河道的水位情況以及下游流量是否符合生態環保要求，同時保證上游庫區水位不超過規程規定水位。根據上下游水位以及生態流量要求實時調整水泵運行功率，減小棄風棄光的概率，使風光得到充分利用，水電機組實現發得出，頂得上。

水泵在抽水時需要判斷相應條件是否滿足要求，否則不能啟動抽水。具體流程如圖2所示。

S0：判斷水電站下游河道的水位及流量是否滿足抽水要求，滿足條件進入S1，否則不執行抽水指令。

S1：判斷光伏板或風機電壓是否正常（光伏板或風機電壓只需要一個電壓正常即可滿足抽水條件），電壓正常進入S2，否則不執行抽水指令。

S2：判斷光伏逆變器或風機逆變器是否存在故障（光伏逆變器或風機逆變器只需要一個正常工作即可滿足抽水條件），逆變器正常進入S3，否則不執行抽水指令。

S3：判斷水泵抽水條件是否滿足，條件滿足進入S4，否則不執行抽水指令。

S4：所有條件都滿足后，啟動水泵向上游水庫庫區補水儲能。

S5：水泵啟動后，監視下游河道的水位及流量是否滿足設定值，高于設定值時繼續正常抽水，低于設定值時進入S6。

S6：降低水泵運行功率，減小抽水量。

S7：通過調節水泵的運行功率，維持下游河道的水位及流量滿足要求。

2.2 水位監測裝置

電網負荷高峰往往出現在白天，新能源出力在白天也較大，但水電站受水流量影響在非汛期往往無法實現滿發，利用風光能量將水電站下游河道的水抽回上游庫區，通過風光抽水蓄能可以實現風光電能就地平衡，因此，需要對下游水位進行實時監測。現有的水位監測方式一般是利用水位標尺進行監測，無法做到實時遠程監測，在此期間，水電站下游河道水位可能出現頻繁升降，對下游河道水位檢測裝置帶來挑戰，一些電子式的監測設備在水流變大時容易損壞。本文提供一種水位監測裝置（見圖3），以解決電子式水位監測設備常年置于水中，在水流增大時易損的問題[6]。

水電站下游河道水位監測裝置主要由殼體、水位計以及導流葉片構成。其中，殼體采用金屬結構以支撐內部的水位感應裝置及導流葉片，將水位測量固定于金屬殼體內，通過水位監測裝置上的側孔調節導流葉片開度，避免水流增大或流速過快時損壞水位計，在導流葉片全開時可更換水位計。

3 結束語

面對風光能源出力典型的間歇性以及預測和統一調度難度大等問題，本文提出在水電站建設配套風光抽水蓄能裝置，利用不可控的風光能源將水電站下游河道水資源抽回水電站上游庫區實現儲能，以有效解決大規模風光并網帶來的出力隨機波動性和難以預測性難題，還可增加水電站的發電量，同時降低分布式電源的高次諧波對電網產生的危害。

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Influence of Wind and Solar Access to Hydroelectric Power Stations?on Hydropower Output

FANG Xingbo，CHEN Zhezhi，JI Xingyuheng，DENG Kai，HU Xiangchang

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）

Abstract：The Jinsha River Basin is rich in water energy，wind energy and solar energy resources. Due to the influence of weather and wind speed，the output of wind power generation is intermittent and unstable. Grid connection of wind power requires an inverter to convert it from direct current to alternating current. Under high-frequency operation，the inverter is prone to generate high harmonics which pollute the grid. In this paper，we suggest to use wind energy from the Jinsha River Basin to improve pumped storage facilities at hydropower stations. The aim is to build a hydro-wind-scenery complementary system to increase both the output and annual electricity production of the hydroelectric power plant.

Key words：hydro-wind-photovoltaic complementary；intermittent；inverter；harmonic pollution；pumped storage.

作者簡介：方興波，男，助理工程師，本科，主要從事水電站運行管理工作。E-mail：fang_xingbo@ctg.com.cn