龙羊峡水光互补运行机制的研究

龙羊峡水光互补运行机制的研究

张娉， 杨婷

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

摘要：光伏发电出力存在间歇性、波动性和随机性等特点，大规模光电并网会对电网的安全稳定运行造成一定的影响.基于水力资源和太阳能辐射资源客观的互补性，首次提出了水光互补运行机制，研究了龙羊峡电站水光互补的运行模式，为探索多种能源互补利用提供了理论基础.根据各种可能的补偿方式及其影响，拟定了3种水光互补方案，并以推荐方案为例，说明水光互补运行方式的情况，并对水光互补的影响进行了分析.研究分析结果表明，对电站来说，水光互补模式在技术上可行.2013年年底，全球最大的水光互补项目——龙羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站建成发电，光伏电站与龙羊峡水电站成功联合运行，验证了水光互补运行机制的合理性和有效性.

关键词：龙羊峡水电站；水光互补；运行机制中图分类号：TV74;TM615文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0076-06

收稿日期:2015-01-20

作者简介：吴利乐(1988—)，男，河南洛阳人，助教，博士，主要从事可再生能源综合利用方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.019

光伏发电的出力存在间歇性、波动性和随机性等特点，又有昼夜更替的显著周期性，大规模光电并网消纳及输送对电网建设、电源结构配置以及电站运行方式、管理体制等方面提出了新的要求[1~4].水电站具有运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点[5]，可对不稳定的电源进行补偿.鉴于大规模光电并网所带来的一些问题，基于水力资源及太阳能资源客观的互补性，研究水光互补协调运行的机制、理论及实践具有实际意义.

青海省水电富集，调节性能好，太阳能资源丰富，水力资源的来水量和太阳能的辐射量从客观上具有一定的互补性，利用水电站的调节性能与补偿能力，与附近的光伏电站互补运行，可以弥补光伏发电并网存在的波动性、间歇性等问题.位于青海省的龙羊峡水电站具有多年调节性能，利用该电站的调节能力，对光伏电站的发电出力进行补偿，可促进稳定性较差的光电被电网消纳.

文中首次提出了电站的水光互补运行机制，研究了龙羊峡水电站与光伏电站的互补运行方式，这对促进多种能源互补运行发展具有重要意义，并起到了典型示范作用，具有较高的理论及实践价值.

1水光互补的概念

太阳能光伏发电随着日出、日落的昼夜变化，春、夏、秋、冬的季节变化，天气和温度等的气候变化，辐射量呈现不同的变化，致使光伏发电具有间歇性、波动性和随机性的特点.其间歇性、间歇时间随季节变化而变化，具有一定的规律性.受阴、雨、多云等天气状况的影响，其出力日内具有波动性，但受天气等影响的光伏发电出力波动明显小于昼夜交替引起的波动.因而光伏发电最明显的特点是昼发夜停，光伏发电日出力的最大变化达100%，送入电网消纳对电网安全稳定运行较为不利.

水力资源年际间存在来水量上的丰枯差别，年内水量也有丰水期和枯水期的周期性变化，但日水量变化不大.尽管水力资源受天然来水的影响比较大，但当水电站有一定的库容调节条件时，可根据库容的大小来进行日、月及年水量的调节，经调节后的水电站可满足电网的需求，启动迅速、运行灵活，适合承担电网调峰、调频、调相及事故备用.

由于光伏发电最不利的变化为日内出力的变化.而具有调节能力的水电站基本具有日以上的调节能力，可以通过水库在日内光伏发电出力大而系统需求小时减小水电站的出力，进行水库蓄水，在系统需求大而光伏发电出力小时水库放水发电，水电与光电共同送出，以满足电力系统的需求，并保持日内水量的平衡，尽量不影响水电站的发电效益.受水电站来水流量的影响，丰水期水量较大时，对于库容较小、调节能力较弱的水电站，电站将满出力运行，因而对光伏电站无补偿能力.水电站对光伏电站的补偿能力受水电站来水流量、调节库容、装机容量等的影响，一般水电站枯水期的补偿能力大于丰水期的补偿能力.

水光互补则是利用具有日及以上调节能力水电站的补偿能力，对距离其较近的光伏电站优先补偿，并借用水电站送出通道多余的送出能力，节省送出投资，以最终满足电网的电力需求，促进稳定性较差的光伏发电电力电量为电网消纳，尽可能追求水电站及光伏电站发电效益的最大化.

2水光互补的原则

对于调节性能在年调节及以上的水电站与光伏电站互补运行，水光互补的原则为：在满足防洪、发电、灌溉等综合利用要求的前提下，基本不影响年调节及以上的水电站承担系统的任务，遵循水量平衡的原则，合理利用光伏电站的发电量.

日调节电站与位于其附近的光伏电站互补运行的时间段主要以枯水期为主，丰水期日调节水电站基本满出力运行，承担系统的基荷.为满足系统的需要，低谷时有可能弃水调峰，已无能力对并网光伏电站进行补偿.但由于水电站与光伏电站共用送出线路(均由水电站的送出线路送出)，相比单独建设的并网光伏电站，电力电量消纳的范围更广.

3龙羊峡水光互补项目的概况

龙羊峡水光互补项目由龙羊峡水电站和光伏电站组成.龙羊峡水电站是黄河龙羊峡—青铜峡河段(简称龙青河段)的梯级“龙头”电站.龙羊峡水库设计正常蓄水位2 600 m，死水位2 530 m，调节库容193.5亿m3，具有优良的多年调节性能.

龙羊峡水电站装机容量1 280 MW，1989年6月，4台机组全部投产发电，该电站363 kV GIS设备共有6个出线间隔，其中5个出线间隔已使用，1个出线间隔备用.

光伏电站位于青海省海南州共和县光伏发电园区内，光伏发电园区距县城约12 km，东距龙羊峡水电站直线距离约30 km.光伏电站装机容量为320 MWp，多年平均发电量为4.98 亿kW·h，装机年利用时间1 556 h.

该水光互补项目是以已建的龙羊峡水电站为依托，规划在共和县光伏发电园区内新建光伏电站，将其以一回330 kV线路接入龙羊峡水电站的空闲备用出线间隔，并通过龙羊峡水库调节对光伏电站进行补偿，2个电源组合后的电力电量利用龙羊峡水电站的送出通道送入电网.

龙羊峡水光互补项目，结合龙羊峡水电站设计时的定位及其发展变化，确定为以供电青海电网为主.

4龙羊峡水光互补模式的理论研究

根据各种可能的补偿方式及其影响，拟定3种水光互补方案.

方案一：对于光伏电站出力变化较大且难以满足接入系统规定技术要求的状况时进行小幅度补偿，使光伏电站的出力尽可能平滑，以便较易为电力系统消纳.

方案二：龙羊峡水电站和光伏电站组合为一个电源，并经龙羊峡水电站对光伏电站进行补偿后，送入电网，并保持基荷出力200.0 MW(互补前龙羊峡水电站的基荷出力)不变.

方案三：龙羊峡水电站和光伏电站组合为一个电源，并经龙羊峡水电站对光伏电站进行补偿后，送入电网，考虑到光伏电站的最大出力可达到320 MW，基荷出力设定为320 MW.

无论何种互补方案，光伏电站与龙羊峡水电站的电量均通过龙羊峡水电站的送出通道送出.从电网负荷需求、增加系统调峰电量、电能质量、调度以及水电机组的安全稳定性方面综合考虑，推荐方案二，即水光互补后基荷出力仍维持为200.0 MW的方案.

龙羊峡水电站虽具有多年调节性能，但其发电特性受来水量的不同，存在枯、平、丰水年.光伏电站每日发电特性也不同.以推荐方案在枯水年且光伏电站平均出力的情况下的水光互补情况为例进行说明.

首先进行水电站枯水年对光伏电站平均出力情况的补偿计算，并进行水光互补前后电力电量平衡及日运行方式的模拟.电力系统的电力电量平衡优先安排龙羊峡水电站或水光互补组合电源.水光互补组合电源运行模拟时承担的备用、检修以及枯水期水电站的受阻容量，均与互补前龙羊峡水电站的基本相同.考虑到互补电量的增加，当水电站出力较大且有机组检修时，尽量不安排其承担事故备用.

在枯水年且光伏电站平均出力的情况下，经过电力电量的平衡计算，龙羊峡电站水光互补前后的电站出力等基本情况分别见表1及表2，水光互补前后的对比情况见表3.

表1　龙羊峡水光互补前各电站的基本情况

表2　龙羊峡水光互补后组合电源的基本情况

从表1中可以看出，枯水年水光互补前龙羊峡水电站各月平均出力409.8~612.0 MW，基荷出力200.0 MW，可调出力209.8~412.0 MW，可调工作容量475.0~800.0 MW，日负荷率42.6%~87.6%，最小负荷率20.0%~35.2%.

从表2及表3可以看出，水光互补后的组合电源的平均出力情况为：各月平均出力473.5~674.7 MW，基荷出力200.0 MW，可调出力273.5~474.7 MW，可调工作容量475.0~800.0 MW，日负荷率48.3%~97.2%，日最小负荷率20.0%~75.5%.与互补前相比，最大工作容量及可调工作容量均不变，可调出力增加48.5~64.9 MW，日负荷率增加4.9%~9.6%，最小负荷率在1月和2月分别增加36.3%和40.3%，其他月份不变.电力电量均可被系统完全利用，可调电量增加.

表3　龙羊峡水光互补前后的结果对比

对水光互补运行模式的简单理解就是，在满足电力系统负荷需求的前提下，水电站跟踪光伏电站的出力变化，在光伏电站出力较大时，通过蓄水等方式压低水电站的出力；在光伏电站出力较小时，加大水电站的出力.通过水电站与光伏电站的互补运行，达到提高光伏电站的电能质量、促进光伏电站所发电力电量被系统消纳的目的.当水光互补运行时，要尽量避开水轮机组的振动区.为了较清楚地阐述水光互补模式，以推荐方案枯水年7月及12月为例说明水电站与光伏电站的互补运行方式.

枯水年7月，电力系统负荷在光伏发电时间段的需求大，水光互补前后承担系统的最小和最大负荷不变.随着光伏电站日发电量的变化，水电站承担腰荷的电量发生变化，即光伏电站电量置换了水电站中可调的基荷电量，增加了互补后的可调电量.所以，光伏电站日电量越大，置换的可调电量越多.

从水光互补前后龙羊峡电站的运行方式可以看出，当光伏电站发电出力较大和负荷低谷时，龙羊峡水电站的出力减小，而其他时段水电站的出力增加；虽然日内龙羊峡水电站的出力发生改变，但仍可达到日内龙羊峡水电站的水量平衡.从互补后龙羊峡水电站的出力过程来看，龙羊峡水电站的水电机组不存在穿越机组振动区的问题.

枯水年12月，电力系统负荷在光伏发电时间段15:00~17:00会出现次低谷，水光互补后的组合电源承担系统的最小和最大负荷不变.随着光伏电站日发电量的变化，水电站承担腰荷的电量也在变化，即光伏电站置换了水电站中可调的基荷电量，以增加互补后的可调电量，光伏电站日电量越大，置换的可调电量越多.

从水光互补前后龙羊峡电站的运行结果可以看出，当光伏电站发电出力较大时，龙羊峡水电站的出力适当减小，而负荷需求略大的其他时段水电站的出力增加，日内龙羊峡水电站的出力发生改变，仍维持日内龙羊峡水电站的平均出力不变，可达到日内龙羊峡水电站的水量平衡.

5龙羊峡水光互补的影响分析

在研究论证阶段，需要分析水光互补后对龙羊峡水电站原有发电量、水电站承担的发电和供水等工作任务的影响，以此来分析和论证所推荐的水光互补运行方式的合理性.

龙羊峡水光互补电站在满足青海电网电力电量需求的同时，还应满足黄河水量调度以及下游梯级电站发电用水等要求.以推荐方案进行龙羊峡电站水光互补运行方式的影响分析.根据龙羊峡水电站1988—2010年的统计资料分析结果：随着龙羊峡水库水位的变化，水电站发出1度电的耗水量为3.1~5.0 m3.按每度电的平均耗水量4.0 m3估算，遇光伏电站最大发电情况时，龙羊峡水电站的出库水量可能减少97万~317万m3；遇光伏电站最小发电情况时，龙羊峡水电站的出库水量可能增加202万~464万m3；通过拉西瓦水电站的反调节来满足黄河水量调度的要求，则需要拉西瓦水电站反调节的库容约500 万m3，占拉西瓦水电站调节库容1.5亿m3的3%左右；若光伏发电日电量预报误差控制在20.0%左右，仅需100万m3调节库容.经拉西瓦水电站反调节后，可满足下游梯级电站对龙羊峡水库出库水量的要求.

假定实际水光互补运行中按照光伏平均发电情况时的运行方式调度，遇光伏发电最不利情况时，需要龙羊峡水电站的调节库容500 万m3进行蓄水或放水，占龙羊峡水电站调节库容193.5亿m3的比例很小，龙羊峡水库水位约波动1.8 cm，占龙羊峡水电站平均水头133 m的0.01%.因此，基本不影响龙羊峡水电站的发电量.

龙羊峡水电站下游为拉西瓦水电站，2009年5月，其首台机组已投产发电.拉西瓦水电站的正常蓄水位为2 452 m，死水位为2 440 m，平均水头约为210 m，调节库容为1.5亿m3，多年平均发电量为102.2 亿kW·h.在光伏电站平均发电的情况下，水光互补运行模式需要拉西瓦水电站反调节库容500万m3，相应拉西瓦水库水位消落0.4 m，电站平均水头减小约0.2 m，拉西瓦水电站的发电量仅减少0.1%，影响较小.

综上所述，龙羊峡水光互补项目满足下游梯级电站对龙羊峡水库出库水量的要求，且基本不影响龙羊峡和拉西瓦水电站的发电量.

6龙羊峡水光互补项目的实施方案

龙羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站工程已建成龙羊峡水光互补协调控制系统.由于光伏电站的电量是通过330 kV线路送入龙羊峡水电站，利用龙羊峡水电站的5回330 kV线路接入电网系统.因此，从接入系统的角度看，龙羊峡水电站和光伏电站是一个电源点，即在日内，调度部门对龙羊峡水光互补项目下达整体发电量指标，由水光互补协调运行控制系统对龙羊峡水电站机组及光伏电站进行AGC及AVC的控制，实现其调度目标.也就是说，从电量的角度看，光伏电站可以看作是龙羊峡水电站扩建的5#机组[6].

光伏电站和龙羊峡水电站作为一个整体接受电力系统的调度，参加电网自动发电控制；同时，在水光互补协调运行控制系统中设置软开关，可以将光伏发电的控制权限交予上级调度，由电网直接调度光伏电站，而不经过水光互补协调运行控制系统来调度光伏电站.

AGC功能是水光互补协调控制的核心，充分考虑电站的运行方式，具有调有功、调频及低频启动等功能.

水光互补协调控制系统根据电站上级调度部门要求的发电功率或下达的负荷曲线，按安全、可靠、最优、经济的原则运行，最大限度地避免弃光、弃水情况.要保证光伏电站按照其实时光资源情况发电，以下达的发电计划实时总有功减去光伏电站的实时有功，剩余有功再参与AGC控制的水轮发电机组之间的分配.分配时考虑实时工况、水头、机组状况、机组气蚀区、机组振动区、机组效率曲线、机组最大有功功率限制、机组P-Q关系等约束条件，确定最佳运行的机组台数、最佳机组的组合方式和机组间最佳的有功功率分配，进行电站机组出力的闭环自动调节，并可自动开、停水轮发电机组完成AGC控制，也可以只在计算机监控系统相应的人机界面上显示出操作建议作为开环运行指导，提示运行值班人员手动发出开停机及负荷调节指令.未参加AGC控制的机组可直接接受操作员对该机组的控制.

AVC调节可以通过调节无功补偿设备、调整升压变压器有载调压开关、调节逆变器功率因数等方式进行无功-电压调节，以保证光伏电站送出的电压水平及电压质量满足电网要求，从这个角度看，龙羊峡水电站的计算机监控系统的AVC功能仍保持原有功能即可，可以不考虑对光伏电站的无功调节.

7结语

具有调节性能的水电站与其附近的光伏电站互补运行，可扩大光伏电站的消纳范围.龙羊峡水光互补项目，在考虑光伏电站的补偿要求后，对龙羊峡水库的出库流量影响不大，基本不影响龙羊峡水电站及其下游梯级电站的水库水量和发电量.水光互补后的组合电源的电能质量优于光伏电站，可使龙羊峡水电站送电通道送出的电量每年增加8.4%，提高了送出线路的利用率和经济性.故水光互补机制在技术上可行.

文中首次提出了水光互补运行机制，为探索多种能源互补利用方面的研究提供了理论基础，为光电的大规模开发及利用提供了新思路，为水电和光电并网的互补调度提供了理论基础，对进一步推进水光互补模式在水电富集、太阳能资源丰富的地区的大规模应用具有典型示范作用，对推进国内乃至国际大规模能源互补项目的开发具有指导意义.

2013年年底，全球最大的水光互补项目——龙羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站建成并网发电，320 MWp光伏电站与龙羊峡水电站成功联合运行，验证了水光互补运行机制的合理性和有效性.

参考文献

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[6]张娉,王娟,王昭亮,等.龙羊峡水光互补二期并网光伏电站工程电网影响分析专题报告[R].西安：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,2014.

Research on Longyangxia Hydro-photovoltaic Complementary Operation Mechanism

ZHANG Ping， YANG Ting

(Powerchina Xibei Engineering Corporation, Limited, Xi′an 710065， China)

Abstract:Photovoltaic generation has the characteristics of intermittent, volatility and randomness, large-scale photovoltaic grid connected will have some impact on the security and stability of power system. Based on the complementary characteristics of water resources and solar radiation, hydro-photovoltaic complementary operation mechanism was firstly proposed in this paper, Longyangxia hydro-photovoltaic complementary operation modes were researched. The research results provide a theoretical basis for an exploring multi-energy complementary utilization. Based on the various possible ways of complementary operation and their influences, three kinds of complementary schemes were designed, and taking the recommended scheme for an example, we illustrated the hydro-photovoltaic complementary operation mode, and analyzed its influences. The research results show that hydro-photovoltaic complementary is technically feasible. At the end of 2013, the world′s largest hydro-photovoltaic project—Longyangxia hydro-photovoltaic complementary 320 MWp grid-connected photovoltaic power station was built and began to generate electricity. The successful combined operation of the photovoltaic power station and Longyangxia hydropower station verified the rationality and validity of the research results in this paper.

Keywords:Longyangxia hydropower station; hydro-photovoltaic complementary; operation mechanism

(责任编辑: 杜明侠)