太阳能水力联合能源发电模式研究

朱永平 ，孟利平，饶 民

（云南大唐国际电力有限公司，云南 昆明 650011）

气候对单一的水力发电影响较大，枯水季节几乎不能发电，仅仅依靠水力发电解决不了现实的能源需求，配套增加太阳能发电是对现有水力发电能源最好的补充。本文提出利用太阳能、水力发电的优点联合调度发电，通过集中控制室实施太阳能发电装置与水轮发电机组联合发电，利用同一送出线路向电网供电[1-3]，可大大解决太阳能发电装置的土地制约问题，并能够大规模利用太阳能及水力这两种清洁能源。

1 技术方案

单独运行的水电站年运行2500～6000 h，具有连续发电的优势,但受季节影响，枯水期水量减少不能连续稳定发电，影响电网安全运行；单独运行的太阳能发电装置年运行1100～1500 h，发电效率与季节、昼夜及阴晴等气象条件密切相关。由于光照能量分布密度小，光电转换效率不高，光伏发电出力不稳定，不能连续在网运行。同时光照间歇变化造成脱网事故概率较大，影响电网调峰、调频[4]，大规模应用太阳能已成为电网安全稳定运行的技术瓶颈。

太阳能光伏板占用面积大，可考虑利用水库水面建立太阳能发电装置，水电站与太阳能发电装置通过集中控制室联合发电，使用同一送出线路向电网供电[3]，如图1所示。可以新建太阳能水力联合发电站，即同时新建水电站与太阳能发电装置，也可以在现有的水电站水库中建设太阳能发电装置。

图1 太阳能水力联合能源发电示意

1.1 实现方案

为了在水电站水库水面设置大容量太阳能发电装置，需要将多个太阳能发电装置发出的直流电分组集中汇入逆变装置转变为交流电，通过太阳能升压变压器经关口电量表并入出口母线，水轮发电机组和太阳能发电装置设置关口电量表分别计量电量，经主变压器升压送入电网，通过水轮发电机组自动发电控制 （AGC）装置实施太阳能发电装置与水轮发电机联合发电，使用同一送出线路向电网供电[3]，设计方案如图2所示。

图2 太阳能水电站联合能源发电流程

1.2 调度方式

考虑到水电站受径流流量的影响大，而太阳能受天气的影响大等特点，可由集中控制室统一调度太阳能发电装置和水轮发电机组。当水量及阳光充足时太阳能机组和水轮发电机组同时发电，水轮发电机组可投入AGC装置，以满足电网调峰调频要求；枯水季节阳光充足时太阳能发电装置优先发电，水轮发电机组停机蓄水；阳光缺失时水轮发电机组单独发电，水轮发电机组停机时太阳能发电装置可供水电站厂用电备用电源。

1.3 技术要求

将水电站水库水面设置的太阳能发电装置与水轮发电机组用AGC集中控制，单独设置太阳能和水轮发电机组关口电能电量表。太阳能发电装置发出的直流电经逆变器转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电，经太阳能升压变压器升压后并入水轮发电机组出口母线，经主变压器送电网变电站。

2 太阳能水力联合能源发电的特点

（1）太阳能水力联合发电站将建在水电站水库水面上的太阳能发电装置与水电站联合调度发电。

（2）通过集中控制室AGC控制太阳能发电装置和水轮发电机组联合调度发电，利用同一送出线路向电网供电。利用太阳能、水电的发电优点，使联合发电站能够安全稳定运行，满足电网发电要求。

（3）太阳能水力联合能源发电模式在枯水期间利用太阳能发电增加水库蓄能，弥补了单一水力发电的不足，提高了水库蓄能水位和发电经济性。

3 经济效益

（1）以云南省为例，若建设3000万kW太阳能与水力联合发电站，用同一送出线路向电网供电，可以节约送出线路投资150亿元以上。同时可节省耕地占用费200亿元 （75万元/hm2，1万kW太阳能发电装置覆盖面积26.67 hm2）。

（2）2011年全球化石燃料燃烧释放的CO231.6亿t，其中煤燃烧释放的CO2占到总量的45%。若建设3000万kW太阳能与水力联合发电站，1300利用小时可发电390亿kW·h，减排CO23354万t。

（3）太阳能水力联合能源发电水光互补。枯水季节太阳能白天发电时水轮发电机停机蓄水储能。晚上水轮发电机组再发电。雨季白天太阳能少发，水能多发，用这种方式每个水力发电站可以多增加700 h以上利用小时。

（4）1万kW太阳能发电装置覆盖水面面积0.2667 km2（400亩）。太阳能水力联合发电、联合调度技术可减少水库水面蒸发，提高水资源利用率。若建设3000万kW太阳能与水电联合发电站，按云南气候年平均蒸发量1000 mm计算，每年可减少80040万t水的蒸发。按5 m3/(kW·h)水耗计算，可增加水力发电16008万kW·h。

（5）以多晶硅电池组件5500元/kW、并网逆变及升压装置900元/kW、漂浮及固定支架1100元/kW、安装费1100元/kW测算，水面太阳能发电工程单位容量静态投资8950元/kW。云南单位容量造价最低的宾川光伏电站可研静态投资11180元/kW，加上征地和送出工程费用，预计突破12500元/kW。水面太阳能发电工程与水力发电联合调度与单一的光伏电站相比，单位容量静态投资可降低 3550元/kW。

4 前景分析

以云南省为例，云贵高原空气稀薄、清新，大气层密度小，阳光透过率高，太阳高角度大，日照时数长，太阳能资源仅次于西藏、内蒙、青海等省区，为中国最丰富的省份之一。全省年太阳总辐射量 3620～6682 MJ/m2， 年日照时数 960～2840 h，每天从太阳获得平均热量1300×1012 kcal。季节分布特点是冬春 （干）季多、夏秋 （雨）季少。春季是全年日照时数最多、太阳总辐射量最大的季节，冬季是太阳总辐射量最小的季节。干季 （11月～4月）日照时数多、太阳总辐射量大，此时段为中国太阳总辐射量数值较多的地区。雨季 （5月～10月）日照时数少，太阳总辐射量小。云南省地处太阳能资源丰富区，利用太阳能光伏发电的条件优越，前景广阔[5]。

云南是全国水电资源大省，境内水能资源丰富，居全国第二，约占全国总量4.02亿kW的24.4%。不仅资源蕴藏量巨大，且分布主要集中在金沙江、澜沧江、怒江三大流域，占云南省经济可开发容量的85.6%。 云南省内流域水量充沛而稳定，可开发水电站装机容量9795万kW，在不增加占用土地面积，不增加送出的情况下利用水电站水库，理论上可建设8000万kW太阳能发电装置。积极有序地开发太阳能与水电联合发电资源，是国家能源战略的需要，是中国经济社会发展需要，是中国生态文明建设的需要。

5 结语

太阳能与水力联合发电模式是解决太阳能装置土地难题的新思路。

（1）利用水电站水库水面建设太阳能与水力联合能源发电站，可极大地减少建设太阳能电站耕地占用面积和平整土地费用，减少水库水面蒸发，增加枯水季节水库面积，大幅度提高太阳能在电网中的装机容量，提升枯期水电站的发电能力，比单独水力发电或单独太阳能发电装置更安全，更经济，效率更高。是大规模利用清洁能源的新形式。

（2）太阳能与水力联合发电不增加电网的短路容量，可避免逆变侧网络故障冲击发电机，满足电力系统潮流分布、继电保护和无功控制要求。

（3）将太阳能发电装置和水轮发电机组合通过AGC联合调度，将太阳能发电间歇发电，不能连续在网运行的缺陷控制在相对稳定状态，保证电网安全稳定运行，在增加枯水季节水力发电能力的同时大规模利用太阳能。

［1］太阳能光热发电前景广阔［N］.中国电力报.2012-03-27.

［2］国际能源署.可再生能源市场中期报告［R］.2012.

［3］朱永平，孟利平，饶民.一种水面太阳能水力联合发电方法［P］.中国专利申请号CN201210116081.

［4］Q/DBW 617—2011光伏电站接入电网技术规定［S］.

［5］云南省能源局.云南省太阳能资源评价报告［R］.2011.