劉娟楠，王守國(guó)，王敏

（ 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 陜西 西安 710065）

光伏電站的發(fā)電出力受溫度、晝夜、天氣、季節(jié)等的變化，具有一定的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間隙性，發(fā)電穩(wěn)定性較差[1-2]。 將光伏電站與水電站匯集入同一升壓站，利用水電站調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、運(yùn)行靈活、啟動(dòng)迅速、能夠快速適應(yīng)光伏發(fā)電出力變動(dòng)的特點(diǎn)補(bǔ)償光伏電站的不穩(wěn)定出力波動(dòng)，構(gòu)成水光互補(bǔ)系統(tǒng)。 龍羊峽水光互補(bǔ)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)裝機(jī)容量最大的水光互補(bǔ)系統(tǒng)，光伏電站經(jīng)一回330 kV線(xiàn)路接入龍羊峽水電站，并通過(guò)龍羊峽水電站的快速調(diào)節(jié)性能對(duì)光伏電站補(bǔ)償調(diào)節(jié)，將兩個(gè)電源互補(bǔ)組合后的平滑出力送入電網(wǎng)。

龍羊峽水電站庫(kù)容大，控制流域面積廣，是黃河的“ 龍頭”水電站，兼有發(fā)電、防洪、防凌、灌溉等功能，在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等多項(xiàng)任務(wù)。 本文主要研究水光互補(bǔ)運(yùn)行后，對(duì)龍羊峽水電站的水量電量以及電網(wǎng)的運(yùn)行方式的影響。

1 光伏電站運(yùn)行特性分析

光伏電站裝機(jī)容量為320 MW， 經(jīng)測(cè)算多年平均發(fā)電量4.89億kW·h， 通過(guò)對(duì)光伏電站日小時(shí)出力過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制光伏電站出力、保證率、電量累積曲線(xiàn)和光伏電站代表年日發(fā)電量保證率函數(shù)曲線(xiàn)如圖1—3所示[3-4]。 圖1和圖3中的下側(cè)橫坐標(biāo)保證率表示保證縱坐標(biāo)所示的光伏出力（ 光伏日發(fā)電量） 的時(shí)間占代表年總時(shí)間的比率百分?jǐn)?shù)。圖2中的出力-電量函數(shù)曲線(xiàn)表示在保證縱坐標(biāo)所示的光伏最大出力的前提下，光伏電站的全年發(fā)電量。

由圖1和圖2可知，光伏電站最大出力320 MW的保證率僅0.2%； 而保證率10%的出力197.1 MW，年電量4.70億kW·h，比多年平均發(fā)電量少0.19億kW·h；由于光伏電站僅在白天有太陽(yáng)光時(shí)間段發(fā)電，因此，保證率50%的出力僅2.1 MW，即一年中一半以上時(shí)間不發(fā)電。

圖1 光伏電站出力-保證率累積曲線(xiàn)Fig. 1 Photovoltaic power station output-guarantee rate curve

圖2 光伏電站出力-電量累積曲線(xiàn)Fig. 2 Photovoltaic power station output-electric quantity curve

圖3 光伏電站代表年日電量保證率曲線(xiàn)Fig. 3 Daily electric quantity guarantee rate curve of photovoltaic power station in a typical year

由圖3可知，光伏電站代表年平均日發(fā)電量135萬(wàn)kW·h，各月日最小和最大發(fā)電量在日平均發(fā)電量22%～133%波動(dòng)， 代表年約有20%時(shí)間的日電量小于110萬(wàn)kW·h，40%的時(shí)間日發(fā)電量大于日平均發(fā)電量135萬(wàn)kW·h。

光伏電站在各種天氣情況下的發(fā)電量如表1所示[5]。

由表1可知， 光伏電站在晴天的日發(fā)電量相對(duì)較大，其中冬季晴天發(fā)電量最大，晴轉(zhuǎn)多云及多云天氣情況下的日發(fā)電量次之，有雨及陰天時(shí)的日發(fā)電量較小，沙塵天氣發(fā)電量最小。

表1 不同天氣情況下光伏電站日發(fā)電量Tab.1 Daily generating capacity of photovoltaic power station under different weather conditions 萬(wàn)kW·h

光伏電站在不同季節(jié)的發(fā)電能力統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。

表2 光伏電站在不同的季節(jié)的發(fā)電能力Tab. 2 Generating capacity of photovoltaic power station in different seasons

由表2可知，光伏電站發(fā)電時(shí)間冬季最短，春秋季基本相當(dāng)，夏季最長(zhǎng)，但發(fā)電出力卻呈現(xiàn)冬季略高，春秋季基本相當(dāng)，夏季相對(duì)較低。

根據(jù)以上分析可知， 光伏電站日內(nèi)發(fā)電受天氣、季節(jié)等的影響，出力具有一定的波動(dòng)性、隨機(jī)性。 同時(shí)，光伏電站發(fā)電具有一定的間歇性，且間歇的規(guī)律性較強(qiáng)。

2 龍羊峽水電站運(yùn)行特性分析

由黃河流域水電站分布圖（ 圖4）和黃河上游主要梯級(jí)水電站參數(shù)表（ 表3）可知，龍羊峽水電站是全河段的“ 龍頭”水庫(kù)。 龍羊峽水電站調(diào)節(jié)系數(shù)達(dá)0.94屬多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，具有良好的多年調(diào)節(jié)能力，擔(dān)負(fù)對(duì)徑流進(jìn)行年內(nèi)和跨年度的調(diào)節(jié)任務(wù)[6-7]。

龍羊峽水電站年運(yùn)行方式受黃河梯級(jí)水電站灌溉、防汛、防凌等綜合利用要求分為以下幾個(gè)時(shí)段[8-9]：

1） 灌溉期。 每年4月下旬至6 月中下旬是灌溉用水高峰期，此時(shí)，黃河下游綜合用水較大，由劉家峽水庫(kù)按下游灌溉用水流量發(fā)電，為下游供水。 龍羊峽在滿(mǎn)足龍劉區(qū)間綜合利用要求的情況下，日均下泄流量一般不小于290 m3/s。

圖4 黃河流域水電站分布圖Fig. 4 Distribution map of hydropower stations on the Yellow River

表3 黃河上游主要梯級(jí)水電站參數(shù)表Tab. 3 Parameter table of hydropower stations on the upper Yellow River

2） 蓄水期。 每年7月至9月中旬是汛期，河流來(lái)水量較大，龍羊峽水庫(kù)充分利用庫(kù)容，在滿(mǎn)足發(fā)電及綜合用水要求的情況下將多余的水量留蓄在水庫(kù)中。

3） 凌汛期。每年12月至次年3月是防凌期，為保證下游寧、蒙河段的凌汛期安全，必須由劉家峽水庫(kù)控制下泄流量，凌汛期劉家峽電站的下泄流量受防凌調(diào)度的制約。 此時(shí)，龍羊峽電站合理調(diào)整流量泄放，對(duì)下游梯級(jí)電站進(jìn)行補(bǔ)償。

基于龍羊峽水電站年度綜合運(yùn)用要求，統(tǒng)計(jì)分析得龍羊峽水電站典型年各月的日負(fù)荷率情況如表4所示。

3 水光互補(bǔ)系統(tǒng)影響分析

3.1 龍羊峽水電站日出庫(kù)水量影響分析

在水光互補(bǔ)系統(tǒng)滿(mǎn)足黃河水量調(diào)度對(duì)龍羊峽水電站出庫(kù)水量的要求的前提下，分析不同發(fā)電情況時(shí)， 根據(jù)龍羊峽水電站1988年～2013年的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析測(cè)算，得到光伏最大發(fā)電情況時(shí)龍羊峽出庫(kù)水量變化值，如表5所示。

表4 龍羊峽水電站典型年各月日負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)表Tab. 4 Daily load rate statistics of Longyangxia Hydropower Station each month in a typical year MW

表5 光伏最大發(fā)電情況時(shí)龍羊峽出庫(kù)流量減少統(tǒng)計(jì)表Tab. 5 Storage outflow decrease of Longyangxia as photovoltaic reaches the maximum output萬(wàn)m3/日

由表5可知，遇光伏最大發(fā)電情況時(shí)，龍羊峽出庫(kù)水量可能減少97萬(wàn)m3～487萬(wàn)m3， 需要臨近龍羊峽水電站的拉西瓦水電站反調(diào)節(jié)庫(kù)容約500萬(wàn)m3，占拉西瓦調(diào)節(jié)庫(kù)容1.5億m3的3%左右， 通過(guò)拉西瓦反調(diào)節(jié)滿(mǎn)足下游梯級(jí)對(duì)龍羊峽水庫(kù)出庫(kù)水量的要求，滿(mǎn)足黃河水量調(diào)度要求。

3.2 對(duì)龍羊峽和拉西瓦水電站發(fā)電量影響分析

假定實(shí)際水光互補(bǔ)運(yùn)行中按照光伏最大發(fā)電情況時(shí)的運(yùn)行方式調(diào)度，龍羊峽調(diào)節(jié)庫(kù)容500萬(wàn)m3蓄水或放水，占龍羊峽水電站調(diào)節(jié)庫(kù)容193.5億m3的比例很小，龍羊峽水庫(kù)水位約波動(dòng)1.61～1.82 cm，占龍羊峽水電站平均水頭133 m的0.01%，因此，基本不影響龍羊峽水電站的發(fā)電量。

龍羊峽水電站下游拉西瓦水電站的調(diào)節(jié)庫(kù)容1.5億m3，多年平均發(fā)電量102.2億kW·h。水光互補(bǔ)光伏最大發(fā)電情況需要拉西瓦水電站反調(diào)節(jié)庫(kù)容500萬(wàn)m3，相應(yīng)拉西瓦水庫(kù)水位增長(zhǎng)0.4 m，影響拉西瓦水電站的發(fā)電量?jī)H0.91%，影響較小。 但是，由于水電站正常運(yùn)用時(shí)，白天負(fù)荷高峰期，用水多發(fā)電，水位消落，夜晚負(fù)荷低谷期，少發(fā)電蓄水，水位增長(zhǎng)，水光互補(bǔ)運(yùn)行后，拉西瓦水電站需要反調(diào)節(jié)，白天光伏發(fā)電期間水位就要增長(zhǎng)0.4 m，正常運(yùn)行調(diào)度運(yùn)行時(shí)，白天要給拉西瓦水電站更多的空間發(fā)電消落水位；夜里蓄水量適當(dāng)減少，為白天反調(diào)節(jié)預(yù)留一部分庫(kù)容。 因此，水光互補(bǔ)基本不影響龍羊峽、拉西瓦水電站的發(fā)電量，但是，增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度。

3.3 對(duì)龍羊峽水電站電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響

由表3和圖4可知，龍羊峽水電站雖具有多年調(diào)節(jié)性能， 但其發(fā)電特性仍受其來(lái)水的不同， 有枯、平、 豐水年， 按梯級(jí)水電站群的設(shè)計(jì)保證率為90%時(shí)， 梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行水電站群徑流補(bǔ)償調(diào)節(jié)成果，并考慮設(shè)計(jì)電站的代表年平均電量與多年平均發(fā)電量的關(guān)系，以及水電站汛期、枯水期及全年平均出力保證率關(guān)系，可得在豐水年、平水年、枯水年龍羊峽水電站出力過(guò)程如圖5所示。

光伏電站每日發(fā)電特性也不同，也分為平均、最大、最小發(fā)電情況。 其中，日最大平均出力如表6所示?？紤]水光互補(bǔ)最不利的情況，即豐水年光伏發(fā)電最大的情況進(jìn)行進(jìn)行水光互補(bǔ)前后電力電量平衡及日運(yùn)行方式模擬計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果如表7所示。

圖5 龍羊峽水電站各代表年出力過(guò)程曲線(xiàn)Fig. 5 Output curve of Longyangxia Hydropower Station in different representative years

表7 水光互補(bǔ)運(yùn)行時(shí)龍羊峽電力電量平衡模擬計(jì)算表Tab. 7 Electric power and energy balance simulation calculation table of Longyangxia operating in the hydro-photovoltaic power complementary mode MW

由表7可知， 豐水年7月和9月龍羊峽水電站滿(mǎn)出力運(yùn)行，水電站和光伏無(wú)互補(bǔ)的能力，若系統(tǒng)無(wú)法消納時(shí)，將會(huì)棄水或棄光。 其他月份水光互補(bǔ)前龍羊峽水電站各月平均出力51.9 MW ～1 129.1 MW，基荷出力200 MW，可調(diào)出力351.9 MW～ 929.1 MW，可調(diào)工作容量680 MW～1 000 MW， 日負(fù)荷率55.2%～94.1%。

水光互補(bǔ)后組合電源遇光伏電站最大出力情況各月平均出力629.1 MW～1 210.6 MW， 基荷出力320 MW，可調(diào)出力309.1 MW～890.6 MW，可調(diào)工作容量560 MW～960 MW，除汛期7月和9月，日負(fù)荷率62.9%～94.6%。 與互補(bǔ)前相比，最大工作容量減少，可調(diào)出力減少31.8 MW～51.4 MW， 日負(fù)荷率增加6.4%～10.0%，電力電量均可被系統(tǒng)完全利用。

4 結(jié)論

本文在綜合分析光伏電站和龍羊峽水電站運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行龍羊峽水電站和光伏電站互補(bǔ)計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果表明，水光互補(bǔ)后，龍羊峽水量減少97萬(wàn)m3～487萬(wàn)m3， 可通過(guò)下游水電站進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)；水光互補(bǔ)組合電源對(duì)龍羊峽水電站及其下游梯級(jí)電站的水庫(kù)水量和發(fā)電量對(duì)電網(wǎng)可調(diào)容量、備用容量影響較小，但是水光互補(bǔ)系統(tǒng)增加了電網(wǎng)調(diào)控的難度和復(fù)雜性。 目前，亟需要根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況，尋求水光互補(bǔ)最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行方式，更好地發(fā)揮水光互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

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