劉 曉，黃 迪，趙 軍

(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

2020年，我國(guó)正式提出“雙碳”目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2030年?duì)幦?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)，2060年?duì)幦?shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)[1-2]。在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，加速構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[3-5]，是重塑我國(guó)能源體系的根本路徑。與常規(guī)電源相比，新能源出力具有顯著的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性特點(diǎn)[6-8]，隨著新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的沖擊。水電作為一種清潔能源，具有調(diào)節(jié)容量大、調(diào)節(jié)性能良好等顯著優(yōu)點(diǎn)，可充分彌補(bǔ)新能源出力的不確定性[9-11]。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)新能源消納以及多能互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電調(diào)度運(yùn)行有大量研究成果，文獻(xiàn)[12]以雅礱江下游流域水風(fēng)光一體化多能互補(bǔ)示范基地為研究對(duì)象，提出水風(fēng)光多能源集總式調(diào)度運(yùn)行模式；文獻(xiàn)[13]以瀾滄江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，探索建設(shè)水風(fēng)光多能互補(bǔ)基地的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[14]以金沙江下游水風(fēng)光清潔能源互補(bǔ)基地為研究對(duì)象，建立以新能源裝機(jī)規(guī)模最大、新能源及水電棄電量最小為目標(biāo)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)新增新能源裝機(jī)規(guī)模計(jì)算模型。

清江梯級(jí)作為華中電網(wǎng)中調(diào)節(jié)性能良好的調(diào)峰、調(diào)頻電站，必然承擔(dān)著與新能源互補(bǔ)調(diào)度運(yùn)行的責(zé)任。但目前國(guó)內(nèi)鮮少有關(guān)于清江梯級(jí)電站和新能源互補(bǔ)方面的研究。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文結(jié)合目前已有的一些研究成果，考慮水、風(fēng)、光發(fā)電出力特性，建立清江梯級(jí)水電與風(fēng)電、光伏互補(bǔ)運(yùn)行情況下的出力模型，探索新型電力系統(tǒng)下清江梯級(jí)電站的出力特性以及面臨的形勢(shì)，為后期進(jìn)一步探索互補(bǔ)運(yùn)行下的清江梯級(jí)水庫(kù)各期水位控制策略奠定基礎(chǔ)。

1 研究背景與意義

1.1 流域及電站概況

清江流域橫貫湖北省西南部，位于東經(jīng)108°35′～111°35′與北緯29°33′～30°50′之間的副熱帶地區(qū)。干流全長(zhǎng)423，總落差1 430 m，流域面積為17 000 km2。

清江自上而下建有水布埡、隔河巖、高壩洲3個(gè)梯級(jí)電站。其中水布埡電站裝機(jī)容量1 840 MW，是湖北省乃至華中地區(qū)不可多得的具有多年調(diào)節(jié)性能的水電站。隔河巖電站裝機(jī)容量1 212 MW，具有年調(diào)節(jié)能力。高壩洲電站裝機(jī)容量270 MW，是隔河巖的反調(diào)節(jié)電站，具有日調(diào)節(jié)能力。

1.2 湖北新能源開(kāi)發(fā)前景

湖北風(fēng)能處于Ⅳ類資源區(qū)，太陽(yáng)能處于Ⅲ類資源區(qū)，根據(jù)湖北省氣象局對(duì)全省風(fēng)能和太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量核算結(jié)果，全省風(fēng)能資源可開(kāi)發(fā)總量4 620萬(wàn)kW；全省光伏發(fā)電理論可開(kāi)發(fā)量55.89億kW，按保守型計(jì)算(取3%計(jì)算面積可開(kāi)發(fā)率)，光伏發(fā)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量1.68億kW，按激進(jìn)型計(jì)算(取10%計(jì)算面積可開(kāi)發(fā)率)，光伏發(fā)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量5.59億kW。從資源儲(chǔ)量來(lái)看，湖北地區(qū)光伏發(fā)電潛力將明顯超過(guò)風(fēng)電。

1.3 近年來(lái)新能源對(duì)清江的影響

近年來(lái)，隨著新能源裝機(jī)的大幅增長(zhǎng)及大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)清江梯級(jí)水電站的運(yùn)行方式影響已逐漸凸顯。

2021年、2022年，在汛前水位消落的關(guān)鍵期3月～5月，清江梯級(jí)頻繁出現(xiàn)無(wú)法按照計(jì)劃發(fā)電的情況，主要原因一方面是這段時(shí)間電網(wǎng)負(fù)荷需求不算高，另一方面是新能源出力較大，清江為新能源調(diào)峰，導(dǎo)致清江外送通道頻繁受限。受此影響，梯級(jí)水庫(kù)汛前水位消落進(jìn)展較預(yù)期變緩，為水庫(kù)防洪度汛安全帶來(lái)一定隱患。

根據(jù)能源發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)新能源裝機(jī)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，對(duì)清江梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行方式會(huì)帶來(lái)更加明顯的影響，為此需要探索與新能源互補(bǔ)運(yùn)行下的清江梯級(jí)電站運(yùn)行特性，并為進(jìn)一步調(diào)整梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度策略奠定基礎(chǔ)。

2 理論分析

2.1 風(fēng)電出力特性研究

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，風(fēng)速是影響風(fēng)機(jī)輸出功率的重要因素。由風(fēng)速確定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可以用以下分段函數(shù)[15]表示。

(1)

式中，NWP(t)為t時(shí)段風(fēng)機(jī)出力；v(t)為t時(shí)段風(fēng)速；vin為風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速；vout為風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速；vr為風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速；NWP.r為風(fēng)機(jī)額定出力。設(shè)風(fēng)機(jī)額定出力為1 MW，則NWP(t)可視為1 MW風(fēng)電裝機(jī)容量產(chǎn)生的功率。

2.2 光伏出力特性研究

光伏電站是將太陽(yáng)光輻射能轉(zhuǎn)換成電能，光伏面板的輸出功率主要取決于溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，可以描述為如下函數(shù)[16]

(2)

(3)

式中，Nps(t)為t時(shí)段光伏發(fā)電機(jī)組出力；IPV為光伏機(jī)組額定裝機(jī)容量；Hs(t)為t時(shí)段輻射強(qiáng)度；HSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下輻射強(qiáng)度，這里取1 000 W/m2；Ts(t)為t時(shí)段面板溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下溫度，25 ℃；Ta(t)為t時(shí)段地表溫度；Ts，TETC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下面板溫度，47 ℃；Ta，TETC為估算測(cè)試條件下環(huán)境溫度，20 ℃；HTETC為估算測(cè)試條件下輻射強(qiáng)度，這里取800 W/m2；c1為降額系數(shù)；c2為功率溫度系數(shù)。目前典型的光伏面板c1、c2分別是93%/℃、-0.5%/℃。設(shè)光伏機(jī)組額定裝機(jī)容量為1 MW，則Nps(t)可視為1 MW光伏裝機(jī)容量產(chǎn)生的功率。

2.3 互補(bǔ)運(yùn)行下水電發(fā)電能力研究

以清江梯級(jí)龍頭電站水布埡為研究對(duì)象，研究互補(bǔ)運(yùn)行下水布埡發(fā)電能力，建立水布埡電站與風(fēng)電、光伏互補(bǔ)運(yùn)行下的出力模型為

Hp，SBY(t)=Lq，SBY(t)-ICWPNWP(t)-ICPVNps(t)

(4)

(5)

式中，Hp，SBY(t)為t時(shí)段水布埡最大可發(fā)出力；Lq，SBY(t)為t時(shí)段水布埡外送線路最大限制出力；ICWP為與水布埡共用外送線路的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量值；NWP(t)為t時(shí)段風(fēng)電機(jī)組單位裝機(jī)出力；ICPV為與水布埡共用外送線路的光伏發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量值；Nps(t)為t時(shí)段光伏機(jī)組單位裝機(jī)出力；ESBY為水布埡日最大發(fā)電量；T為時(shí)刻，這里取23∶00。

3 計(jì)算成果

3.1 水布埡近區(qū)風(fēng)電出力分析

以水布埡近區(qū)2020年、2021年風(fēng)速數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，數(shù)據(jù)來(lái)源為NASA氣象數(shù)據(jù)(網(wǎng)址https：∥disc.gsfc.nasa.gov)，經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)109.67°-111°，北緯30.25°-30.75°，對(duì)其進(jìn)行處理后，確定分月、分時(shí)水布埡近區(qū)平均風(fēng)速，見(jiàn)表1。

表1 水布埡近區(qū)平均風(fēng)速 m/s

目前常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)其切入風(fēng)速一般是2.5～3 m/s，額定風(fēng)速為8～12 m/s，切出風(fēng)速19～25 m/s。取明陽(yáng)MYSE3.0型號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)作為計(jì)算依據(jù)，其切入風(fēng)速為2.5 m/s，額定風(fēng)速為8.5 m/s，切出風(fēng)速為20 m/s，額定裝機(jī)容量取單位裝機(jī)(1 MW)，可計(jì)算出每單位裝機(jī)對(duì)應(yīng)的風(fēng)電出力，見(jiàn)表2。

表2 水布埡近區(qū)單位裝機(jī)風(fēng)電平均出力 MW

由表2可以看出，水布埡近區(qū)風(fēng)電季節(jié)性差異不算明顯，但是日內(nèi)出力呈現(xiàn)相對(duì)明顯差異。日內(nèi)風(fēng)電出力在13∶00～20∶00出力水平相對(duì)較低，在其他時(shí)間段出力水平整體較高。

3.2 水布埡近區(qū)光伏發(fā)電出力分析

以水布埡近區(qū)2020年、2021年輻射強(qiáng)度、地表溫度數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，數(shù)據(jù)來(lái)源與經(jīng)緯度范圍同上述風(fēng)速數(shù)據(jù)一致，額定裝機(jī)容量取單位裝機(jī)(1 MW)，可計(jì)算出每單位裝機(jī)對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電出力，見(jiàn)表3。

表3 水布埡近區(qū)單位裝機(jī)光伏發(fā)電平均出力 MW

由表3可以看出，在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的5月～8月，光伏出力最大；其次是3、4、9月，光伏出力也相對(duì)較大，1、2、10、11、12月，光伏出力相對(duì)較弱。日內(nèi)，受太陽(yáng)輻射影響，10∶00～15∶00光伏出力較大，7∶00～10∶00、15∶00～18∶00光伏出力較小，其他時(shí)間光伏基本沒(méi)有出力。

3.3 互補(bǔ)運(yùn)行下水布埡最大發(fā)電能力分析

水布埡位于華中電網(wǎng)500 kV電網(wǎng)架構(gòu)中，其通過(guò)水漁I回、II回線路接入漁峽變，再通過(guò)恩漁線、漁興線、漁宜線以及漁朝線(在建)與外部電網(wǎng)產(chǎn)生聯(lián)系。計(jì)算時(shí)水布埡外送線路最大限制出力以水漁I回、II回線路最大容量(3 800 MW)為邊界，并考慮電網(wǎng)峰、平、谷段用電需求比例(冬夏季峰、平、谷段負(fù)荷比例一般為1∶1∶0.7，春秋季峰、平、谷段負(fù)荷比例一般為1∶0.8∶0.7)，設(shè)置水布埡外送線路冬夏季(12月～翌年2月和6月～8月)分月、分時(shí)最大限制出力為

(6)

春秋季(3～5月和9～11月)分月、分時(shí)最大限制出力為

(7)

式中，Lq，SBY(t)為t時(shí)段水布埡外送線路最大限制出力；Lmax為水漁I回、II回線路最大容量。

在研究背景中提到，根據(jù)湖北省氣象局對(duì)全省風(fēng)能和光伏資源儲(chǔ)量核算結(jié)果，按保守型計(jì)算出的光伏發(fā)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量，全省風(fēng)電與光伏裝機(jī)比例1∶3.6，按激進(jìn)型計(jì)算出的光伏發(fā)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量，全省風(fēng)電與光伏裝機(jī)比例1∶12.1。以保守型比例分配與水布埡共用外送線路的風(fēng)電與光伏裝機(jī)，計(jì)算新能源不同裝機(jī)規(guī)模下水布埡分月、分時(shí)最大發(fā)電能力如圖1所示。

圖1 水布埡水電站最大發(fā)電出力

從以上對(duì)水布埡最大發(fā)電能力的計(jì)算分析中，可以得出以下規(guī)律：

(1)當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到一定趨勢(shì)時(shí)，水布埡夜間最大發(fā)電出力將受限；當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)，水布埡白天的最大發(fā)電出力也將受到影響。

(2)因湖北省內(nèi)光伏資源可開(kāi)發(fā)量遠(yuǎn)高于風(fēng)能資源可開(kāi)發(fā)量，預(yù)計(jì)未來(lái)光伏發(fā)電對(duì)水布埡出力的影響將會(huì)更加明顯。日內(nèi)，在光伏出力比較強(qiáng)的時(shí)段，疊加風(fēng)電出力，水布埡將會(huì)出現(xiàn)連續(xù)時(shí)段的無(wú)法發(fā)電的情況，且隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，受影響時(shí)段變長(zhǎng)。

(3)在光伏相對(duì)比較強(qiáng)的4月～9月，水布埡最大發(fā)電能力受到的影響最大；根據(jù)用電規(guī)律，谷段期間負(fù)荷需求很低，白天受新能源發(fā)電影響出力受限，預(yù)計(jì)在風(fēng)電、光伏達(dá)到一定規(guī)模后，水布埡僅在18∶00～22∶00才會(huì)有較大的出力空間。

對(duì)隔河巖水電站進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算后，其在與新能源互補(bǔ)運(yùn)行下最大發(fā)電能力呈現(xiàn)出的規(guī)律與水布埡水電站一致。

4 結(jié) 論

根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行情況，湖北電網(wǎng)最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在每日18∶00～22∶00之間，最小負(fù)荷一般出現(xiàn)3∶00～5∶00之間；風(fēng)電最大出力一般出現(xiàn)在每日23∶00～次日1∶00之間，光伏最大出力一般出現(xiàn)在每日11∶00～14∶00之間，比早峰最大負(fù)荷時(shí)段略滯后。

從季節(jié)性來(lái)看，春秋兩季無(wú)降溫和采暖負(fù)荷，用電負(fù)荷相對(duì)輕，新能源出力對(duì)常規(guī)電源有較強(qiáng)的限制作用，而對(duì)調(diào)節(jié)性能良好的電站，影響更大。結(jié)合以上分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的增加，清江梯級(jí)運(yùn)行必然會(huì)受到影響。因湖北省內(nèi)光伏資源可開(kāi)發(fā)量遠(yuǎn)高于風(fēng)能資源可開(kāi)發(fā)量，預(yù)計(jì)未來(lái)光伏發(fā)電對(duì)清江梯級(jí)出力的影響將會(huì)更加明顯。

(2)谷段，受用電負(fù)荷低和省內(nèi)風(fēng)電出力影響，清江梯級(jí)在谷段出力有限，且可能長(zhǎng)期以小出力運(yùn)行方式與新能源互補(bǔ)運(yùn)行，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定；白天，在光伏出力較大的時(shí)段，與風(fēng)電出力疊加影響，清江梯級(jí)出力也會(huì)存在明顯的受限，當(dāng)新能源達(dá)到足夠的裝機(jī)規(guī)模時(shí)，清江梯級(jí)在8∶00～17∶00基本無(wú)出力空間，即使開(kāi)機(jī)運(yùn)行，也會(huì)以最小出力方式與新能源互補(bǔ)運(yùn)行；18∶00～22∶00這段時(shí)間，電網(wǎng)負(fù)荷需求旺盛，光伏無(wú)出力，清江梯級(jí)有比較充足的發(fā)電空間。

(3)春秋兩季，系統(tǒng)負(fù)荷輕，新能源出力也比較大，此時(shí)清江處于汛前水位消落關(guān)鍵時(shí)期和可能發(fā)生秋汛的時(shí)期，若這段時(shí)間來(lái)水充沛，汛前消落壓力會(huì)增加，秋汛期來(lái)水消納也會(huì)有難度，棄水風(fēng)險(xiǎn)隨著新能源裝機(jī)的增加而增大。